自由電子模型
維德曼-弗蘭茲定律
/ VEE-deh-mahn FRANTS /
金屬既擅長導電,也擅長導熱——這絕非巧合。維德曼-弗蘭茲定律說的是:這兩樣本領是綁在一起的。把一塊金屬的導熱能力除以它的導電能力,再除以溫度,你會發現幾乎對每一種金屬——從金到鉛——得到的都是幾乎相同的那個數。
原因在於:金屬裡幹這兩件活的,是同一群自由電子。加上電壓,它們就搬運電荷;一端變熱,它們就搬運熱量。既然是同一撥載體兩頭兼顧,這兩種傳導能力便步調一致,而它們之間的比值最終竟是一個近乎普適的常數,只由自然界的幾個基本常數所定。
它之所以重要,是因為它是對自由電子圖像的一次乾淨俐落的檢驗,而這個模型一擊即中——它幾乎精確地預言了那個普適的比值。要誠實地補一句:這種吻合在高溫和極低溫處最好。介於兩者之間時,電子損失熱量和損失電荷可以走不同的機制,定律之值會塌到理想值以下,那幅簡單圖像也開始露出破綻。
在室溫下分別測出銅、銀、金、鋁的導熱和導電能力,再按定律的方式相除:這四種金屬吐出的幾乎是同一個數,相差僅百分之幾——這是「同一種載體兼顧兩件活」的一個有力佐證。
不同金屬給出幾乎相同的「導熱比導電」之比——同一種載體,幹兩份活。
德魯德的經典版本是靠運氣撞對了答案——兩個錯誤恰好抵消。索末菲的量子版本則是堂堂正正地得到同一個值,這也是為什麼這條定律被算作量子的勝利,而非經典的勝利。
又稱
另見