Затруднения классической электронной теории металлов

Вскоре после создания электронной теории было обнаружено несколько фактов, которые нельзя было объяснить в рамках теории Друде-Лоренца.

1. Первое затруднение касалось теплоемкости металлов. Согласно классической электронной теории: теплоемкость металлов должна быть в 1,5 раза больше, чем у диэлектриков. В действительности теплоемкость металлов не отличается заметно от теплоемкости неметаллических кристаллов.

2. Второе затруднение. Классическая теория лишь качественно объясняла закон Видемана Франца. Отношение коэффициентов теплопроводности к электропроводности по электронной теории есть линейная функция температуры, одинаковой для всех металлов. Но найденный коэффициент пропорциональности не соответствует опыту.

3. Третье затруднение возникло при объяснении зависимости электропроводности металлов от температуры. По классической теории , , , удельное сопротивление . Опыт однако свидетельствует, что . Действительно: , а значит и , так как , то .

4. И, наконец классическая теория совершенно не могла объяснить открытое в 1911 году голландским физиком Камерлинг-Оннесом явление сверхпроводимости.

Объяснение всех этих несоответствий смогла дать лишь квантовая теория.

Сверхпроводимость

У некоторых металлов (свинца, ртути, олова, цинка) при достижении достаточно низкой температуры, называемой критической, сопротивление резко падает до нуля, и при дальнейшем понижении температуры остается равным нулю. Для свинца критическая температура Т_к = 7,22 К, для цинка 0,79 К, ртути 4,15 К.

Ток в сверхпроводящем кольце, вызванный изменением потока магнитной индукции циркулирует в этом кольце до тех пор, пока поддерживается температура Т<Т_к.

Сверхпроводимость можно разрушить не только нагреванием, но и достаточно сильным магнитным полем. Разрушающее поле может быть создано и самим сверхпроводящим током, если он достигает достаточно большой величины. Кроме отсутствия электрического сопротивления для сверхпроводящего состояния характерно, то, что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводника. Это явление называется эффектом Мейснера. Если сверхпроводящий образец охлаждается, будучи, помещенным в магнитное поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние поле выталкивается из образца. Теория сверхпроводимости была создана в 1957 г. Бардиным, Купером и Шриффером в США и Боголюбовым в СССР.

Работа выхода электрона из металла Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из твердого тела в вакуум, называется работой выхода.

Укажем две причины возникновения работы выхода:

1. Если электрон удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду.

2. Электроны покидая металл, создают над поверхностью металла «электронное облако», плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образуют двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Это поле препятствует выходу свободных электронов.

Таким образом, электрон при вылете из металла должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя. Разность потенциалов в этом слое (поверхностный скачок потенциала) зависит от работы выхода электрона из металла: . Если принять потенциал поля среды вне металла равным нулю, то потенциал металла положителен и равен . Потенциальная энергия свободного электрона внутри металла равна и является относительно вакуума отрицательной. Электроны проводимости находятся на дне потенциальной ямы.