自由電子模型
電子熱容
熱容指的是:要讓某樣東西升溫一度,得讓它吸收多少熱量。你或許會以為,金屬裡那一大群自由電子能儲存很多熱量,就像一大群人能吸收很多噪音一樣。出人意料的是,它們幾乎什麼熱都存不了——而這其中的緣由,正是自由電子模型一項不動聲色的勝利。
由於電子不能共享狀態,它們中幾乎所有的都被死死塞在費米能下面深處,根本沒有空座可以挪過去,於是壓根沒法接收任何熱量。只有靠近頂端那薄薄一層——也就是被費米-狄拉克模糊帶觸及的那些——才能吸收能量。結果就是一份很小的貢獻,它隨溫度成正比地增長,比你掰著指頭數電子所猜想的要溫和得多。
它之所以重要,是因為這個預言與實驗吻合得極漂亮,是量子理論早期的一項關鍵勝利。要誠實地補充一處微妙之處:在日常溫度下,電子在金屬熱容裡佔的份額,會被原子的振動遠遠蓋過;只有在極低溫下,振動率先「噤聲」時,你才能清清楚楚地看到電子的那一份。
把一塊金屬冷卻到接近絕對零度僅幾度,再測它的熱容:原子振動的貢獻幾乎已經停了,剩下那一份隨溫度成正比增長的,正是電子的份額——和索末菲模型的預言分毫不差。
在接近絕對零度時,熱容中隨溫度成正比上升的那一部分,正來自電子。
經典物理曾預言電子儲存的熱量,應該比它們實際存的多上約一百倍——這是德魯德圖像一個刺眼的失敗。修補它靠的不是什麼新的力,而僅僅是「電子不能共享狀態」這一條規則。
又稱
另見