自由电子模型

费米温度

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费米能是一种能量,但有个很方便的问法:要把一团普通气体加热到多高,它的粒子才会有这么大的能量?这个等效温度就是费米温度。对一块典型的金属来说,它大得惊人——好几万度,比太阳表面还热。

它不过是把费米能从能量单位换算成温度单位的结果,除以玻尔兹曼常数即可。它并不是金属真正的温度——你那根铜线摸上去是凉的。它只是告诉你:电子仅仅因为被密密挤在一起、又被禁止共享状态,本身就已经携带着多大的能量尺度。

它之所以重要,是因为把室温和这个巨大的费米温度一比,就能看清金属为什么行为这么古怪:室温只有费米温度的几百分之一,所以这片电子海实际上「冰冷」得近乎冻结。这正是为什么只有极薄的一层电子能对热量作出响应,也正是它们热容如此之小的原因。

铜的费米温度约为8万开尔文。相比之下,300开尔文的房间对电子而言几乎就是绝对零度——这正是为什么给金属加热,只能搅动起电子海最薄的那层表皮,而非全部。

铜的费米温度(约8万K)远超室温,使电子海几乎处于冻结状态。

别把费米温度真当成金属有多热——这块金属可以好端端地躺在你手里,就是室温。它是衡量电子能量的一把尺子,而不是温度计上读到的数。

又称
T_F费米温标費米溫標