In solid-state physics, the free electron model is a quantum mechanical model for the behaviour of charge carriers in a metallic solid. It was developed in 1927, principally by Arnold Sommerfeld, who combined the classical Drude model with quantum mechanical Fermi–Dirac statistics and hence it is also known as the Drude–Sommerfeld model.
Given its simplicity, it is surprisingly successful in explaining many experimental phenomena, especially
the Wiedemann–Franz law which relates electrical conductivity and thermal conductivity;
the temperature dependence of the electron heat capacity;
the shape of the electronic density of states;
the range of binding energy values;
electrical conductivities;
the Seebeck coefficient of the thermoelectric effect;
thermal electron emission and field electron emission from bulk metals.
The free electron model solved many of the inconsistencies related to the Drude model and gave insight into several other properties of metals. The free electron model considers that metals are composed of a quantum electron gas where ions play almost no role. The model can be very predictive when applied to alkali and noble metals.
In the free electron model four main assumptions are taken into account:
Free electron approximation: The interaction between the ions and the valence electrons is mostly neglected, except in boundary conditions. The ions only keep the charge neutrality in the metal. Unlike in the Drude model, the ions are not necessarily the source of collisions.
Independent electron approximation: The interactions between electrons are ignored. The electrostatic fields in metals are weak because of the screening effect.
Relaxation-time approximation: There is some unknown scattering mechanism such that the electron probability of collision is inversely proportional to the relaxation time , which represents the average time between collisions. The collisions do not depend on the electronic configuration.
Pauli exclusion principle: Each quantum state of the system can only be occupied by a single electron.
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This course covers the metallurgy, processing and properties of modern high-performance metals and alloys (e.g. advanced steels, Ni-base, Ti-base, High Entropy Alloys etc.). In addition, the principle
Ce cours de deux semestres donne une introduction à la Physique du solide, à la structure cristalline, aux vibrations du réseau, aux propriétés électroniques, de transport thermique et électrique ains
Un gaz de Fermi idéal est un état de la matière constitué d'un ensemble de nombreux fermions sans interaction. Les fermions sont des particules ayant un spin demi-entier (1/2, 3/2), comme les électrons, les protons et les neutrons ; la propriété essentielle des fermions est de ne pas pouvoir occuper en même temps le même état quantique, en raison du principe d'exclusion de Pauli.
Un liquide de Fermi est un état quantique de la matière, observé à basse température pour la plupart des solides cristallins bi- et tridimensionnels et dans l'Hélium 3 liquide. Il se caractérise macroscopiquement par des propriétés thermodynamiques, magnétiques, et de transport (ex : conductivité électrique) universelles et correspondant à celles d'un gaz de quasi-particules ayant le même spin-1/2, la même charge, et le même volume sous la surface de Fermi que les électrons (ou les atomes d'Hélium 3), mais une masse renormalisée portant le nom de « masse effective », ainsi que des interactions résiduelles.
vignette|Solide en laiton conçu par Piet Hein prenant la forme d'un superœuf.|alt=Superœuf solide de couleur dorée posé sur une surface indéfinissable. L’état solide est un état de la matière caractérisé par l'absence de liberté entre les molécules ou les ions (métaux par exemple). Les critères macroscopiques de la matière à l'état solide sont : le solide a une forme propre ; le solide a un volume propre. Si un objet solide est ferme, c'est grâce aux liaisons entre les atomes, ions ou molécules composants du solide.
Quantum optics studies how photons interact with other forms of matter, the understanding of which was crucial for the development of quantum mechanics as a whole. Starting from the photoelectric effect, the quantum property of light has led to the develop ...
EPFL2024
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Statistical (machine-learning, ML) models are more and more often used in computational chemistry as a substitute to more expensive ab initio and parametrizable methods. While the ML algorithms are capable of learning physical laws implicitly from data, ad ...