Drude模型是固体物理最基本的模型之一,由德国物理学家P Drude在1900年提出。同志们,那是1900年,就在这一年的4月27日,我们伟大的开尔文勋爵说:“动力学理论认为热和光都是运动的方式,现在这一理论的优美和明晰,正被两朵乌云笼罩着。”是的,那个时候,相对论和量子力学还没出现,爱因斯坦和玻尔这两位巨人还是名不见经传的新人。然而就在经典力学的框架里,Paul Drude 提出了这个简单而又深刻的模型,在一定程度上成功的解释了金属导电的原理以及一系列相关问题。可惜Drude在这个理论提出6年后就去世了,没能来得及见证Drude模型在量子时代的发展。
Drude模型的基础是一个非常简单的想法:把金属中的电子看做气体。基于此,Drude提出了如下假设。
金属由两部分组成,一是可以自由运动的电子,二是固定不动的离子实,这些可以自由运动的电子使金属导电的成分。
将自由电子看做带电的小硬球,它们的运动遵循牛顿第二定律。在忽略电子-电子和电子-离子间电磁相互作用(内场)的情况下,它们在金属中运动或并发生碰撞。这一假设被称为独立自由电子气假设。事实上,后来的研究证明,忽略电子间的相互作用对实验结果影响并不大,但大多数情况下,电子-离子相互作用是不能忽略的。
Drude模型中的碰撞遵循经典碰撞模型,具有瞬时性的特点。事实上电子在金属中的散射机制非常复杂,但在此我们不考虑这些散射机制的详细原理,只关心电子会发生碰撞并在碰撞瞬间改变速度。接下来的两条假设将会更具体的对碰撞进行描述。
假设电子在金属中的碰撞遵循泊松过程。每个电子在单位时间内碰撞的概率是,即在时间内发生碰撞的概率为,其中被称为弛豫时间(又叫平均自由时间),其意义是在任意一个粒子距离下一次碰撞(或上一次碰撞)发生的时间的平均值。这是Drude模型最中最重要的概念。
假设电子只能通过碰撞才能与周围环境达到热平衡(事实上这也是自由独立粒子假设的必然结果),即是说每次碰撞的结果都是随机的,与碰撞前电子的状态没有任何关系,只于碰撞发生地点的温度有关。