自由電子模型

索末菲模型

/ ZOM-er-felt /

德魯德那團經典電子氣把熱量算錯了,於是1927年阿諾德·索末菲保留了同樣簡單的「一盒自由電子」圖像,卻換進了一條量子規則:電子是孤僻的。任意兩個電子都不能同時處於完全相同的狀態。它們只好一層層往更高的能級上堆疊,就像觀眾被要求各自分開就座,而不能全擠在前排。

正因為這種堆疊,即便冷到你能想像的最低溫度,電子也並非靜止——絕大多數仍在以極快的速度飛馳,只因為所有「慢座」早已被佔滿。這個模型用費米-狄拉克統計來數清哪些能級被填上了。被佔據的最高能級就是費米能,而只有它附近那一小撮電子才能對熱量或電壓作出回應。

它的重要意義在於:僅這一處修補,立刻治好了德魯德最大的敗筆——它正確預言了金屬中電子那微小的熱容。要誠實地指出的侷限和先前一樣:和德魯德一樣,它依舊忽略了原子的週期性排列,所以仍然分不清金屬和絕緣體。

想像往一個又高又窄的水箱裡從底往上注水:水不能堆在同一個位置,於是會漲到一個明確的水面高度。費米能就是電子的那條水位線,而只有水面上的分子才能濺起浪花——正如只有費米能附近的電子才參與導電。

電子像注水填滿水箱那樣填滿能級;那條水面線就是費米能。

相對德魯德,唯一真正的改動就是「數數的規則」:把經典的馬克士威-波茲曼統計換成量子的費米-狄拉克統計。模型的形態——一盒互不相干的電子——則原封不動。

又稱
quantum free-electron modelfree-electron gas with Fermi statistics量子自由电子模型量子自由電子模型