现代电子理论.ppt

第一篇
材料现代设计理论
材料现代设计理论主要包括:
现代电子理论
现代化学键理论
分子动力学理论
第一章现代电子理论
原子结构是材料设计领域中所有模型和方法的基础。
先进理论计算方法和超级计算机结合,形成一个新的交叉学科——计算材料学与材料设计学。
从原子或电子尺度上进行材料设计,目的在于:能够从分子、原子或电子层次上探讨和认识材料的微观结构与宏观性质的相关机制,更准确地认识材料的光、电、磁、热、声学等机理,研制新的材料。
现代电子理论主要内容
自由电子近似理论
近自由电子近似理论
布里渊区理论
第一原理与密度泛函理论
Thomas-Fermi理论与Kohn-Sham泛函理论
原子的作用力理论
原子间的相互作用及自由电子近似
原子间的相互作用
晶体的性质取决于原子的种类和原子间的结合,原子间的结合是靠化学键联结的,原子结合成晶体的化学键(键合类型)有:
离子键
共价键
范得华键
金属键
电子理论
自由电子理论
能带理论
恒定势场
周期性势场
经典电子理论
量子电子理论(索末菲(Sommerfeld)模型)
(德鲁德(Drude)模型)
→
半导体理论
经典自由电子理论
特鲁德把理想气体的动力学理论运用于自由电子气,得出自由电子的平均能量
每摩尔金属所含自由电子的内能
每摩尔电子对定容热容的贡献
在室温下,一价金属的摩尔定容热容
实验表明,在室温下金属的热容恒接近于3R,也就是说热容全部是由晶格所贡献。精确的实验还指出,每个电子对热容的贡献要比3/2kB小两个数量级。金属中自由电子起着电和热的传导作用,对热容却几乎没有贡献,这是经典自由电子理论无法解释的主要困难之一。
自由电子:金属晶体中处于自由运动状态的电子。
德鲁特-劳伦兹建立的金属的自由电子理论(模型)认为:金属的原子不是靠化学键,而是靠金属中运动的自由电子的静电吸引结合在一起的。这一理论成功地解释了魏德曼-弗朗兹定律,即金属的高电导()和热导(K)特性:
(1-1)
自由电子近似
K:玻尔兹曼常数;e:电子电荷;T: 温度
索末菲等假定自由电子在金属中受一个均匀势场作用,电子处于完全自由的情况下,标志力场的势能函数V(x) = 0,自由电子的波函数为:
(1-2)
波函数(wave function):量子力学中描述粒子的德布罗意波的函数,也是量子力学中描写微观系统状态的函数。
在经典力学中,用质点的位置和动量(或速度)来描写宏观质点的状态,这是质点状态的经典描述方式,它突出了质点的粒子性。由于微观粒子具有波粒二象性,粒子的位置和动量不能同时有确定值(测不准关系),因而质点状态的经典描述方式不适用于对微观粒子状态的描述。
(1-2)