Drude模型是固體物理最基本的模型之一,由德國物理學家P Drude在1900年提出。同志們,那是1900年,就在這一年的4月27日,我們偉大的開爾文勛爵說:“動力學理論認為熱和光都是運動的方式,現在這一理論的優美和明晰,正被兩朵烏云籠罩著。”是的,那個時候,相對論和量子力學還沒出現,愛因斯坦和玻爾這兩位巨人還是名不見經傳的新人。然而就在經典力學的框架里,Paul Drude 提出了這個簡單而又深刻的模型,在一定程度上成功的解釋了金屬導電的原理以及一系列相關問題。可惜Drude在這個理論提出6年后就去世了,沒能來得及見證Drude模型在量子時代的發展。
Drude模型的基礎是一個非常簡單的想法:把金屬中的電子看做氣體。基于此,Drude提出了如下假設。
金屬由兩部分組成,一是可以自由運動的電子,二是固定不動的離子實,這些可以自由運動的電子使金屬導電的成分。
將自由電子看做帶電的小硬球,它們的運動遵循牛頓第二定律。在忽略電子-電子和電子-離子間電磁相互作用(內場)的情況下,它們在金屬中運動或并發生碰撞。這一假設被稱為獨立自由電子氣假設。事實上,后來的研究證明,忽略電子間的相互作用對實驗結果影響并不大,但大多數情況下,電子-離子相互作用是不能忽略的。
Drude模型中的碰撞遵循經典碰撞模型,具有瞬時性的特點。事實上電子在金屬中的散射機制非常復雜,但在此我們不考慮這些散射機制的詳細原理,只關心電子會發生碰撞并在碰撞瞬間改變速度。接下來的兩條假設將會更具體的對碰撞進行描述。
假設電子在金屬中的碰撞遵循泊松過程。每個電子在單位時間內碰撞的概率是,即在時間內發生碰撞的概率為,其中被稱為弛豫時間(又叫平均自由時間),其意義是在任意一個粒子距離下一次碰撞(或上一次碰撞)發生的時間的平均值。這是Drude模型最中最重要的概念。
假設電子只能通過碰撞才能與周圍環境達到熱平衡(事實上這也是自由獨立粒子假設的必然結果),即是說每次碰撞的結果都是隨機的,與碰撞前電子的狀態沒有任何關系,只于碰撞發生地點的溫度有關。