自由电子模型
费米能
/ FAIR-mee EN-er-jee /
金属里的电子被迫各占一个能级,从最低的那一格开始往上填。在绝对零度——也就是一切都冷到不能再冷的时候——电子尽量挤进它们能找到的最低空位,但由于任意两个电子不能共享同一个位置,它们就堆到了一个确定的高度。最高那一格被填满的能级,其能量就是费米能。
可以把它想成水箱里的水位线——这箱水是从最便宜的座位开始一路灌满的。线以下全被占着,线以上空空如也。要紧的是,这条最高能级并不是零能量——位于顶端的那些电子动得非常快,只因为留给它们的座位偏偏都是高能量的。
它之所以重要,是因为金属里几乎所有有意思的事情都发生在费米能附近:只有靠近顶端的电子才能吸收一点热量、传输电流,或跳到空着的能级上去。一个常见的误解是以为所有电子都在「干活」——其实底下那些深陷其中、动弹不得,真正能动的只有顶端那寥寥几个幸运儿。
在铜里,费米能大约是7电子伏特——所以即便处在液氦那样的低温,最顶端的电子仍以每秒一千多公里的速度疾驰,始终慢不下来,因为它们脚下那些更安静的状态早已被占满。
铜的费米能(约7电子伏特)让它顶端的电子即便接近绝对零度仍在疾驰。
严格来说,「费米能」指的是绝对零度时被填满的最高能级。在常温下那道锐利的边缘会稍稍变得模糊,人们往往改称「费米能级」;在金属里两者几乎相同,但在半导体里这个区别就要紧了。
又称
另见