自由电子模型
电子热容
热容指的是:要让某样东西升温一度,得让它吸收多少热量。你或许会以为,金属里那一大群自由电子能储存很多热量,就像一大群人能吸收很多噪声一样。出人意料的是,它们几乎什么热都存不了——而这其中的缘由,正是自由电子模型一项不动声色的胜利。
由于电子不能共享状态,它们中几乎所有的都被死死塞在费米能下面深处,根本没有空座可以挪过去,于是压根没法接收任何热量。只有靠近顶端那薄薄一层——也就是被费米-狄拉克模糊带触及的那些——才能吸收能量。结果就是一份很小的贡献,它随温度成正比地增长,比你掰着指头数电子所猜想的要温和得多。
它之所以重要,是因为这个预言与实验吻合得极漂亮,是量子理论早期的一项关键胜利。要诚实地补充一处微妙之处:在日常温度下,电子在金属热容里占的份额,会被原子的振动远远盖过;只有在极低温下,振动率先「噤声」时,你才能清清楚楚地看到电子的那一份。
把一块金属冷却到接近绝对零度仅几度,再测它的热容:原子振动的贡献几乎已经停了,剩下那一份随温度成正比增长的,正是电子的份额——和索末菲模型的预言分毫不差。
在接近绝对零度时,热容中随温度成正比上升的那一部分,正来自电子。
经典物理曾预言电子储存的热量,应该比它们实际存的多上约一百倍——这是德鲁德图像一个刺眼的失败。修补它靠的不是什么新的力,而仅仅是「电子不能共享状态」这一条规则。
又称
另见