自由电子模型

索末菲模型

/ ZOM-er-felt /

德鲁德那团经典电子气把热量算错了,于是1927年阿诺德·索末菲保留了同样简单的「一盒自由电子」图像,却换进了一条量子规则:电子是孤僻的。任意两个电子都不能同时处于完全相同的状态。它们只好一层层往更高的能级上堆叠,就像观众被要求各自分开就座,而不能全挤在前排。

正因为这种堆叠,即便冷到你能想象的最低温度,电子也并非静止——绝大多数仍在以极快的速度飞驰,只因为所有「慢座」早已被占满。这个模型用费米-狄拉克统计来数清哪些能级被填上了。被占据的最高能级就是费米能,而只有它附近那一小撮电子才能对热量或电压作出响应。

它的重要意义在于:仅这一处修补,立刻治好了德鲁德最大的败笔——它正确预言了金属中电子那微小的热容。要诚实地指出的局限和先前一样:和德鲁德一样,它依旧忽略了原子的周期性排列,所以仍然分不清金属和绝缘体。

想象往一个又高又窄的水箱里从底往上注水:水不能堆在同一个位置,于是会涨到一个明确的水面高度。费米能就是电子的那条水位线,而只有水面上的分子才能溅起浪花——正如只有费米能附近的电子才参与导电。

电子像注水填满水箱那样填满能级;那条水面线就是费米能。

相对德鲁德,唯一真正的改动就是「数数的规则」:把经典的麦克斯韦-玻尔兹曼统计换成量子的费米-狄拉克统计。模型的形态——一盒互不相干的电子——则原封不动。

又称
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