background image

Elektronowa teoria Drudego 

Większość (jeżeli nie wszystkie) własności metali da się wytłumaczyć dzięki 

istnieniu w nich swobodnych elektronów. Taką hipotezę postawił w 1900 r. Drude 

i sformułował pierwszy teoretyczny opis podstawowych własności metali. 

Obowiązywał wtedy model atomu Thomsona (elektrony trwale związane z atomami, 

mogą wykonywać co najwyżej małe drgania wokół położeń równowagi). 

Eksperymentalny dowód hipotezy, że elektrony mają dużą swobodę ruchu, nastąpił 

dopiero w 1916 roku. Dokonali tego Tolman i Stewart. Wykorzystali oni proste 

założenie, że w rozpędzonym a następnie zahamowanym drucie nastąpi spiętrzenie 

ładunku na jednym końcu wskutek działania sił bezwładności. 

 

Równowaga zajdzie wtedy, gdy siła od powstałego pola E działająca na ładunek  q 

zrównoważy siłę bezwładności działającą na jego masę m w układzie nieinercjalnym: 

 

 

 

 

 

(1.1) 

      

 

 

 

 

(1.2)  

    

 

 

 

 

(1.3) 

gdzie U - napięcie na końcach przewodnika o długości l. Całkując to równanie 

od 0 do t otrzymamy  

 

 

 

   (1.4) 

Wyznaczony stąd iloraz: 

   

był bardzo bliski zmierzonej wartości dla elektronu: 

.  

background image

Klasyczna teoria Drudego, jest nadal używana jako zerowe przybliżenie, ale jest ona 

niewystarczająca i wymaga zastąpienia przez bardziej adekwatny model.  

Drude założył,  że atomy metalu ulegają samorzutnej jonizacji. Część elektronów 

opuszcza macierzysty atom tworząc gaz elektronów przewodnictwa (tworzą go 

głównie elektrony walencyjne - słabo związane z atomem). Reszta to tzw. elektrony 

rdzenia jonowego, trwale związane z atomem. 

Oznaczając przez Z liczbę elektronów walencyjnych można oszacować  gęstość 

elektronów przewodnictwa:  

    

 

 

 

 

(1.5) 

 

gdzie N

Av

=6.02*10

23

A jest masą atomową a 

ρ

 - gęstością metalu.  

Wartości n wahają się od 0.9*10

22

 na cm

3

 dla cezu do 24.7*10

22

 na cm

3

 dla berylu. 

Są to liczby o 3 rzędy wielkości większe od gęstości gazów klasycznych w 

warunkach normalnych. 

W teorii Drudego traktuje się ten gęsty gaz cząstek naładowanych w polu gęsto 

ułożonych jonów jak rozrzedzony gaz cząstek nienaładowanych w prawie pustym 

zbiorniku (zaniedbuje się tu oddziaływanie elektromagnetyczne między elektronami 

oraz elektronów z jonami, z wyjątkiem krótkotrwałych zderzeń). 

Pomiędzy zderzeniami, w nieobecności pola zewnętrznego, elektrony poruszają się 

ruchem prostoliniowym i jednostajnym, natomiast w polu zewnętrznym ich ruch 

wyznaczony jest przez równania Newtona, z siłami określonymi wyłącznie przez te 

pola zewnętrzne. 

Zaniedbanie oddziaływań między elektronami nazywane jest przybliżeniem 

elektronów niezależnych, natomiast zaniedbanie oddziaływań elektronów z jonami - 

przybliżeniem elektronów swobodnych.  

Pierwsze przybliżenie jest zadziwiająco dobre: oddziaływanie kulombowskie elektron-

elektron istotnie jest słabe i ujawnia się tylko w niskich temperaturach.  

background image

Przybliżenie elektronów swobodnych nie daje się utrzymać: pole jonów modyfikuje w 

istotny sposób własności gazu elektronowego. Może ono jednak służyć jako pierwsze 

przybliżenie, zwłaszcza do zdefiniowania pewnych pojęć używanych w dokładniejszej 

teorii metali.  

Zderzenia elektronów z dodatnimi jonami mają charakter momentalny i zmieniają pęd 

elektronu w sposób nieciągły.  

Rozróżniamy dwa rodzaje zderzeń:  

• 

zderzenia sprężyste - zmienia się kierunku pędu, natomiast kwadrat pędu 

zostaje zachowany.  

• 

zderzenia niesprężyste - następuje przekaz energii między elektronem a 

jonem (mają one istotne znaczenie dla ustalenia stanu równowagi termicznej).  

Dla opisu procesów transportu elektronowego trzeba na ogół uwzględniać obydwa 

rodzaje zderzeń.  

Konkretny typ rozpraszania można scharakteryzować przez czas relaksacji 

τ

 lub też 

przez  średni czas swobodnego przebiegu między zderzeniami. Średni czas między 

zderzeniami odnosi się do jednego elektronu, natomiast czas relaksacji opisuje 

dochodzenie gazu elektronowego do równowagi po ustaniu zewnętrznego 

zaburzenia.  

background image

Opór elektryczny metali w modelu Drudego 

 

Przepływ prądu stałego w metalach opisuje empiryczne prawo Ohma, które dla 

izotropowego przewodnika lokalnie ma postać  

j

=

 σ

 E

 

gdzie:   E - natężenie zewnętrznego pola elektrycznego, j - gęstość prądu 

indukowanego przez to pole w danym punkcie przewodnika, 

σ

 - stała materiałowa 

zwana przewodnictwem właściwym lub krótko przewodnością.  

Natężenie prądu  I (elektronów o prędkości  v) płynącego przez powierzchnię  A jest 

równe 

      

 

 

 

(1.7) 

a wartość gęstości prądu  

   

 

 

 

       (1.8) 

Gęstość prądu jest wielkością wektorową, więc 

      

 

 

 

(1.9) 

v

 jest tu średnią prędkość elektronów, które w rzeczywistości poruszają się z różnymi 

prędkościami. W stanie równowagi termicznej i bez pola zewnętrznego oczywiście 

v

=j=0.  

background image

Rozważmy teraz przypadek gdy istnieje pole zewnętrzne  E. W czasie t

z

 między 

zderzeniami początkowa prędkość v

0

 jaką uzyskał elektron w zderzeniu wzrośnie o  

 

i tuż przed następnym zderzeniem osiągnie wielkość  

 

 

 

    (1.10) 

a po uśrednieniu 

 

 

 

   (1.11) 

Stąd gęstość prądu 

 

 

 

 

 

   (1.12) 

a więc uzyskaliśmy liniową zależność między j a Eczyli prawo Ohma, i jednocześnie 

wyrażenie na przewodność 

 

     

(1.13) 

Często używa się innej stałej materiałowej zdefiniowanej równaniem 

       

 

 

 

(1.14) 

zwanej oporem właściwym lub opornością. Oczywiste są relacje 

 

 

 

     

(1.15) 

Teoria ta stwarza możliwość oszacowania 

τ

 z dostępnych pomiarów oporności 

elektrycznej. 

background image

W temperaturze T=273  K czas relaksacji 

τ

  jest rzędu 10

-14

 s, np. dla miedzi 

τ

=2.7*10

-14

 s, a dla żelaza 

τ

=0.24*10

-14

 s.  

W celu stwierdzenia czy te wartości są sensowne wprowadźmy pojęcie średniej drogi 

swobodnej 

 

 

     

 

(1.16); 

gdzie 

- typowa wartość prędkości elektronu. 

W ramach klasycznej w zasadzie teorii Drudego można ją oszacować np. z prawa 

ekwipartycji energii 

 skąd otrzymuje się dla 

 

wartość liczbową rzędu 10

5

 m/s, a dla l rzędu 10

-9

 m, tj. kilka odległości 

międzyatomowych. 

Oszacowanie to było oparte na błędnym założeniu,  że do gazu elektronowego 

stosuje się klasyczna statystyka Maxwella-Boltzmanna. Tymczasem analiza wkładu 

elektronów do ciepła właściwego metali wykazuje, że tak nie jest. Energia jednego 

mola elektronów jest równa 

,  

gdzie R jest stałą gazową. Ciepło molowe gazu elektronowego w stałej objętości 

 

 

 

    

(1.17) 

powinno się dodawać do ciepła molowego drgających jonów sieci 

background image

ponieważ jeden mol metalu odszczepia przynajmniej jeden mol elektronów 

swobodnych. Tymczasem żadnego takiego wkładu się nie obserwuje: ciepło molowe 

metali i dielektryków w szerokim zakresie temperatur jest zgodne z reguła Dulonga i 

Petita, tzn. jest równe 3R. Oznacza to, że elektrony w metalu nie podlegają 

statystyce klasycznej. 

Obliczanie czasów relaksacji związanych z różnymi mechanizmami rozpraszania 

nośników prądu jest wciąż  żywym problemem teorii metali. Jednakże samo 

wprowadzenie tego pojęcia pozwala wyjaśnić, dlaczego prąd nie wzrasta w sposób 

nieograniczony pod działaniem pola E i dlaczego szybko wygasa po wyłączeniu pola. 

Przeanalizujmy zmiany w czasie pędu strumienia elektronów. 

Zgodnie z wcześniejszymi oznaczeniami 

 

 

 

 

     

(1.18) 

gdzie p jest średnim całkowitym pędem przypadającym na jeden elektron.  

 

Obliczmy ten pęd w chwili późniejszej o dt, tj. p(t+dt). Iloraz 

jest dobrą miarą 

prawdopodobieństwa,  że dowolnie wybrany elektron ulegnie rozproszeniu w 

przedziale czasu (tt+dt). Stąd prawdopodobieństwo, że nie ulegnie on rozproszeniu 

w tym przedziale czasu wynosi 

Na elektron ten działa siła  f(t) ze strony pól zewnętrznych i powoduje indywidualny 

przyrost pędu f(t)dt. Średni pęd w tym zbiorze nie rozproszonych jeszcze elektronów 

wzrośnie do wartości 

      

 

 (1.19) 

background image

przy czym pomijamy tu człony proporcjonalne do (dt)

2

.  

Stąd  

.   

 

  (1.20) 

Dzieląc teraz przez dt i przechodząc do granicy 

otrzymujemy równanie 

różniczkowe 

     

 

 

 

 (1.21) 

zawierające człon dyssypacyjny (tłumiący). 

Rozwiązaniem jest 

    

 

 (1.22) 

gdzie p

0

 jest pędem w chwili 

. Widoczne jest, że dla 

mamy 

tzn. praktycznie po czasie rzędu kilku 

τ

 prąd osiąga wartość stałą, mimo 

ustawicznego działania siły zewnętrznej.  

Z drugiej strony, jeżeli wyłączymy pole (E=0), średni pęd maleje wykładniczo: 

 

i prąd wygasa również po czasie rzędu kilku 

τ

, a więc bardzo krótkim. Zauważmy, że 

te zjawiska dyssypacyjne zachodzą nawet wtedy, jeżeli 

τ

 

opisuje zderzenia 

doskonale sprężyste.  

background image

Efekt Halla i magnetoopór 

W 1879 roku Edwin Hall postawił hipotezę,  że siła działająca na przewodnik z 

prądem w polu magnetycznym pochodzi od działania tego pola na poruszające się w 

przewodniku ładunki. Hall pierwotnie poszukiwał efektu, który obecnie nazwalibyśmy 

magnetooporem. Przypuszczał on, że prąd odchylany przez pole magnetyczne 

powinien powodować efektywny wzrost oporności przewodnika. Przypuszczenie to 

było trafne, ale pomiary oporności nie dały spodziewanego wyniku (efekt był zbyt 

mały jak na ówczesne możliwości pomiarowe). Hall nie dał jednak za wygraną i 

postawił następną hipotezę,  że w przewodniku powstaje coś w rodzaju "ciśnienia 

elektrycznego", które kompensuje działanie pola magnetycznego. Eksperymentalnie 

powinno się to przejawić jako poprzeczna różnica potencjałów, którą udało się 

Hallowi zaobserwować, zmierzyć, a która na jego cześć nosi nazwę "napięcia Halla". 

W czasach Halla panowało przekonanie, że w metalowych przewodnikach płyną 

ładunki dodatnie, znano też zależności kierunkowe w oddziaływaniu pola 

magnetycznego  B  na prąd  (F~j B). Hall zaplanował swoje doświadczenie jak na 

Rys.1.2. 

 

Rys. 1.2 Spodziewany wynik doświadczenia Halla 

background image

Przez pasek miedziany położony w płaszczyźnie prostopadłej do pola 

magnetycznego B przepuszczał prąd równolegle do osi x. W skutek przewidywanego 

znoszenia ładunków dodatnich w kierunku ujemnym osi y spodziewał się zwiększenia 

ich gęstości w tym właśnie obszarze, a co za tym idzie, spadku potencjału w 

dodatnim kierunku osi y. Ku swemu zaskoczeniu stwierdził,  że powstające pole 

elektryczne ma kierunek przeciwny do oczekiwanego. Jedynym rozsądnym 

wytłumaczeniem tego efektu było założenie,  że w metalu poruszają się naprawdę 

ładunki ujemne.  

 

Rys. 1.3 Rzeczywisty wynik doświadczenia Halla 

Zgodnie z zasadą względności ruch ładunków dodatnich w prawo jest równoważny 

ruchowi ładunków ujemnych w lewo. Na elektrony o prędkości działa siła Lorentza 

F=-ev B (e>0), która spycha je w kierunku ujemnym osi y (v jest tu prędkością dryfu 

elektronów). Wytworzony wskutek tego na brzegach płytki niezrównoważony ładunek 

przestrzenny powoduje powstanie dodatkowego pola E

y

 skierowanego zgodnie z 

ujemnym kierunkiem osi Oy, zwanego polem Halla. Pole to równoważy działanie siły 

Lorentza i w rezultacie prąd będzie płynął tylko wzdłuż osi x.  

background image

Dla opisu zjawiska można zdefiniować dwie wielkości. Pierwsza to magnetooporność  

   

   

 

 

=

    

(1.23) 

 

 

która w eksperymencie Halla nie zależała od pola. 

Druga to stała Halla 

    

 

 

 

 

(1.24) 

będąca stałą materiałową, charakteryzująca wielkość wytwarzanego w próbce pola 

Halla.  

Zastosujmy teraz równanie ruchu (1.21) w celu wyznaczenia 

ρ

 

(B) i R

H:

  

 

    

(1.25) 

W stanie ustalonym p

z

=0, natomiast p

x

 i p

y

 są stałe, więc  

 

gdzie 

ω

c

=eB/m jest częstością cyklotronową. 

Mnożąc oba równania przez 

i wprowadzając składowe gęstości prądu j

x

 i j

y

 

otrzymujemy  

background image

 

gdzie 

σ

 

0

 jest przewodnością elektryczną w zerowym polu B, daną wzorem (1.15). 

W stanie równowagi składowa poprzeczna j

y

 znika. Kładąc j

y

=0 otrzymujemy  

 

 

 

   

(1.28) 

a stąd  

 

 

 

 

 

     

 

(1.29) 

Stała Halla zależy tylko od gęstości ładunku i może służyć do jej wyznaczania. Tak 

wynika z teorii Drudego, w rzeczywistości jednak R

H

 zależy od pola magnetycznego, 

od temperatury, a nawet od technologii przygotowania próbki. Jednak w silnych 

polach, niskich temperaturach i bardzo czystych próbkach wartości R

H

 zmierzają do 

pewnej wartości granicznej, zgodnej na ogół z teorią Drudego. 

Teoria Drudego nie przewiduje zależności oporności od pola B, zgodnie z 

obserwacją Halla. Z pierwszego równania (1.27) w stanie równowagi (j

y

=0) mamy 

bowiem 

 

 

    

(1.30) 

Jednakże dokładniejsze eksperymenty wykazują,  że zależność taka istnieje, a w 

niektórych przypadkach jest nawet znaczna. Wyjaśnić to można tylko na gruncie 

kwantowej teorii metali. 

background image

Optyczne właściwości metali     

Własności te można wyjaśnić rozpatrując reakcję gazu elektronowego na zmienne 

pole elektryczne (jedna ze składowych fali elektromagnetycznej). Własności te 

można wyjaśnić rozpatrując reakcję gazu elektronowego na zmienne pole 

elektryczne (jedna ze składowych fali elektromagnetycznej). Zmienne pole 

elektryczne 

E(ω) 

wzbudza w gazie prądy zmienne

 j(ω) 

dane równaniem

 

j(ω)=σ(ω)E(ω)    

 

 

 

  (1.31) 

Pełny opis rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w metalu wymaga więc 

rozwiązania układu równań Maxwella z niezerowym prądem  

    (1.32) 

Okazuje się,  że w pewnym przedziale częstości, obejmującym m.in. światło 

widzialne, układ ten nie ma rozwiązań falowych. Istnieją natomiast rozwiązania 

zanikające wykładniczo w przestrzeni. 

Oznacza to, że w tym zakresie częstości fala elektromagnetyczna nie może się 

rozchodzić w metalu. Część jej energii jest absorbowana, lecz większość jest 

emitowana z powrotem do przestrzeni otaczającej metal. 

Tłumaczy to nieprzezroczystość metali i tzw. połysk metaliczny.  

background image

Przewodnictwo cieplne metali     

Przewodnictwo cieplne metali jest znacznie lepsze niż przewodnictwo izolatorów. 

Wskazywało by to na istotną rolę gazu elektronowego w transporcie energii cieplnej 

w metalach. Prawo Fouriera mówi, że gęstość strumienia cieplnego j

q

 (wektor 

równoległy do kierunku rozchodzenia się ciepła, o wartości równej ilości energii 

cieplnej przekazywanej w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię 

prostopadłą do strumienia) jest proporcjonalna do gradientu temperatury 

 

 

 

 

     

(1.33) 

gdzie stała 

jest nazywana przewodnością cieplną.  

Prawo Wiedemanna - Franza mówi, że stosunek przewodności cieplnej do 

elektrycznej dla metali jest wprost proporcjonalny do temperatury: 

     

 

 

 

 

  (1.34) 

przy czym współczynnik  L, zwany liczbą Lorentza, jest prawie jednakowy dla 

większości metali. 

W celu wyjaśnienia tego prawa Drude założył,  że przewodnictwo cieplne gazu 

elektronowego w pręcie metalowym jest zjawiskiem analogicznym do transportu 

ciepła w rurze wypełnionej gazem. Z teorii gazów wynika, że  

 

 

 

 

     

(1.35) 

gdzie jest 

średnim kwadratem prędkości,   

τ

 - średnim czasem między 

zderzeniami, a c

v

 - ciepłem właściwym elektronów zawartych w jednostce objętości. 

 

 

background image

Stąd 

 

 

 

 

    (1.36) 

Drude konsekwentnie zastosował prawa teorii kinetycznej gazów i przyjął 

 

 gdzie 

k

B

 jest stałą Boltzmanna oraz 

 

 otrzymując w rezultacie 

 

     

 

(1.37) 

Niewątpliwym sukcesem tej teorii było otrzymanie liniowej zależności od temperatury, 

natomiast zgodność ilościowa była raczej szczęśliwym przypadkiem, gdyż ciepło 

właściwe gazu elektronowego jest w temperaturze pokojowej około 100 razy 

mniejsze, natomiast średnia energia około 100 razy większa. Poprawna teoria 

wymaga zastosowania statystyki nieklasycznej.  

background image

Wiązanie metaliczne     

Atomy metalu w stanie stałym są utrzymywane w niewielkich, dobrze określonych 

odległościach, przez tzw. wiązanie metaliczne. Zbiór dodatnich jonów rozprysnąłby 

się w ułamku sekundy na wszystkie strony, gdyby nie gaz ujemnie naładowanych 

elektronów, rozpościerający się w wolnej przestrzeni pomiędzy nimi i kompensujący z 

nadwyżką odpychające oddziaływanie kulombowskie. Obrazowo można by 

powiedzieć,  że zbiór jonów jest połączony specyficznym "klejem elektronowym". 

Wyrażając się ściśle, można stwierdzić, że energia takiego układu osiąga minimum, 

jednakże dokładne obliczenie energii wiązania jest trudne i wymaga metod 

kwantowej teorii ciała stałego. 

Ponieważ gaz elektronowy wypełnia przestrzenie międzyjonowe, a można przyjąć, że 

jony pozbawione zewnętrznych elektronów mają symetrię sferyczną, wiązanie 

metaliczne jest bezkierunkowe. Przesunięcie sąsiednich elektronów nie wymaga z 

reguły dużej pracy i dlatego metale dają się łatwo odkształcać. 

background image

 

Struktura metali     

Metale w stanie stałym mają strukturę krystaliczną. Makroskopowa próbka metalu ma 

z reguły kształt nieforemny, ewentualnie kształt naczynia, w którym zastygła. Wynika 

to z faktu, że kryształy metali są bardzo drobne i makroskopowy kawałek metalu 

składa się z bardzo wielu ziaren krystalicznych, których charakterystyczne kierunki są 

zorientowane całkowicie przypadkowo. Tym niemniej periodyczna struktura metali 

jest całkowicie potwierdzona przez eksperymenty dyfrakcyjne z udziałem promieni 

rentgenowskich, elektronów i neutronów.  

Struktura krystaliczna metali wynika do pewnego stopnia z charakteru wiązania. Jony 

metalu pozbawione zewnętrznych elektronów są obiektami o symetrii sferycznej, 

więc ich ułożenie w przestrzeni można reprezentować przez rozmaite układy 

twardych kul wypełniających dany obszar przestrzenny w taki sposób, aby otrzymana 

struktura była stabilna. Różne typy struktur można otrzymać rozważając różne 

sposoby zapełniania danej objętości regularnymi warstwami jednakowych kul. 

Pokrycie płaszczyzny wielokątami foremnymi jest możliwe tylko dla kwadratu i 

trójkąta równobocznego (matematycznie możliwe również dla sześciokąta 

foremnego, ale fizycznie jest to niestabilne, bo w środku sześciokąta powstaje luka, 

którą można wypełnić dodatkową kulą i wracamy do posadzki z trójkątów). 

Podstawowe struktury metaliczne są to: 

background image

 

Rys. 1.5  

A1 - regularna powierzchniowo centrowana - fcc (face centred cubic) np. Cu  

 

Rys. 1.6  

A2 - regularna przestrzennie centrowana - bcc (body centred cubic) np. W  

background image

 

Rys. 1.7  

A3 - heksagonalna ciasno upakowana - hcp (hexagonal close packed) np. Mg  

Struktury A1 i A3 (fcc i hcp) sa ze sobą blisko spokrewnione. Jeżeli A1 przetniemy 

płaszczyzną (111) pojawi się w niej symetria heksagonalna (Rys. 1.8) 

 

Rys. 1.8  

(Schulze, rys. 3.3). 

W trzech wyżej wymienionych strukturach krystalizuje ponad ¾ wszystkich czystych 

metali. Odchylenia od założonej symetrii sferycznej powodują powstawanie innych 

struktur np. jedna z postaci alotropowych Sn, tzw. cyna biała krystalizuje w układzie 

tetragonalnym. 

Niektóre metale występują w różnych postaciach krystalicznych, zależnie od 

temperatury, np.  

background image

 

przy czym fazy  i  różnią się stałą sieciową; 

 

przy czym fazy  i  różnią się stałą sieciową. 

Stałe sieciowe metali zawierają się na ogół w przedziale 2÷12 Ǻ (1 Ǻ=10

-10

 m). 

Wyjątkiem jest samar, który w fazie heksagonalnej ma c=26 Ǻ.  

Dokładne informacje na temat struktur metalicznych można znaleźć w książce: 

R.W.G. Wyckoff, Crystal Structures, t I-V (w księgozbiorze Biblioteki Głównej AGH).