《金属电导》PPT课件.ppt
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1、5.1概述,5.2材料的导电性能,5.4半导体物理,5.3金属电导,5.5 超导物理,2个学时,4个学时,4个学时,第5章 导电物理,2个学时,10个学时,5.3 金属电导,5.3.1 金属导电机制,5.3.2 金属导电的外界影响因素,5.3.3 金属导电的内在影响因素,5.3.4固溶体的导电性,5.3.5金属间化合物,5.3.4 固溶体的导电性,5.3.5 金属间化合物的导电性,5.3.1 金属导电机制,立方密堆积 面心立方结构, ABC堆积,六方密堆积 面心立方晶格和六角晶格,AB堆积,5.3.1 金属导电机制,金属键与金属结构,面心立方晶格 Cu、Ag、Au、Al (配位数12),六角晶
2、格 Be、Mg、Zn、Cd (配位数12),体心立方 Li、Na、K、Rb、Cs、Mo (配位数8),次密堆积 体心立方晶格,配位数为8,1826年 欧姆定律 (德国)电路的实验定律,5.3.1 金属导电机制,电阻大小和性质 实验定律,电阻提出后,物理学家一直试图寻找合理的物理模型和理论对此进行解释,5.3.1 金属导电机制,20世纪初,荷兰物理学家洛仑兹首先用金属电子论对电阻的微观机制进行了经典解释。,量子力学微观规律的根本性认识 微观粒子具有波粒二象性 运动状态描述概率波的波函数或量子态 运动规律薛定谔方程,索末菲和布洛赫用量子理论对电阻的微观机制进行了全面解释,获得极大成功。,5.3.1
3、 金属导电机制,关于电阻的经典认识及缺陷,特鲁特 洛伦兹金属电子论, 不考虑电子与电子、电子与离子之间的相互作用, 电子气体服从麦克斯韦 玻尔兹曼统计分布规律, 平衡态下电子具有确定平均速度和平均自由程,自由电子气体模型,5.3.1 金属导电机制,经典解释及局限性,电阻率的经典表达式, 半定量解释电阻与温度的关系,无法定量解释电阻与温度的线性关系,5.3.1 金属导电机制,经典解释及局限性,按照经典能量均分定理,N个电子的能量,经典电子论的困难, 大多数金属,对热容量的贡献,经典解释及局限性,按照导电率与n成正比,由此可得出二价金属的导电性应比一价金属好,但实际情况相反。,电导率的经典表达式,
4、为电子的平均自由程,电子无规运动的总平均速度,两次碰撞的时间间隔,v,单位体积电子数,n,5.3.1 金属导电机制,经典解释及局限性,成功之处,症结所在,提出电子在整个金属中运动,等于找到理解金属态的钥匙。成功解释金属的导电(热)性!,晶格离子固定,无热振动。 自由电子纯粒子性运动,无波动性,服从经典的统计规律。,5.3.1 金属导电机制,关于电阻的量子论认识量子论模型的建立, 自由电子的费米分布,自由电子能量的量子化,存在于分立的能级上。,T = 0K 时金属中自由电子自低能级排起,直到全部价电子均占据了相应的能级为止。全部填满电子的能级与全空能级分开的这个能级叫费米能级。与该能级相对应的能
5、量叫费米能,用EF(0)表示。, 自由电子的费米分布,金属中的电子,按量子统计学的原理,服从费米狄拉克分布。,f 为费米狄拉克分布函数,它表示在热平衡时,电子处于能量为E的状态的几率;EF为TK时费米能;k为波耳兹曼常数。, 自由电子的费米分布,费米狄拉克分布函数 f 的性质:,T = 0K ,若E EF ,f=0;若E 0K ,若E= EF ,f=0.5;若E EF ,f 0; 若E EF ,f 1 虚线所示, 自由电子的费米分布,费米面,K空间:波矢K(与动量, 速度及波长相联系)在正交坐标系中三个轴上的投影,所构成的空间。 费米面:对于自由电子,在T=0K时,低于费米能EF (0) 的能
6、级均被电子填满,KF为空间中与 EF (0)相对应的值,即在K空间中低于KF的状态均填满电子,而高于KF的状态全空。以KF为半径的球体内填满电子,这个球的表面就为费米面。 在周期势场的作用下,费米面为各种复杂的几何形式, 自由电子的费米分布,费米面是一个重要的概念,简单对电子能量分布进行图象描述。 导电、热、热容、霍尔效应均与费米面的概念密切相关。 当金属被加热或有外电场作用时,能量分布在费米面附近的电子才有机会跳到费米面以外的高层空能级上去,参与导电或热,那些离费米面较远的深层电子被冻结起来,不参与任何活动。,5.3.1 金属导电机制,关于电阻的量子论认识量子论模型的建立, 电子的共有化运动
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