金属自由电子导电理论是个百年错误

                                              晏成和

百年来，从中学到大学，教科书一直说教“金属是由其自由电子导电”。为什么金属有一、二、三个价电子就有自由，价电子多了为什么就没有了自由，这个“自由”是谁赋予的、逻辑原因是什么？

自由电子的理论来自哪里？ 1905年特鲁德（Drude）等人就金属材料的导电、导热性能良好的现实，提出“金属是由内部的自由电子传热、导电”的猜测，在没有更恰适解读的情况下，科学界接受了这个假说。

不久之后，人们在静电实验中发现：外来电荷在金属球内没有藏身之地、被驱赶在表面、尖端，同时产生静电电压，产生驱赶电荷的场。静电电荷不能容身的事实表明：金属内，每个原子的核外电子都有固定的数目、固定的归宿，金属内的电子不存在所谓的自由，静电实验对自由电子理论发出了挑战。

自由电子理论与静电实验事实格格不入、面临破产。于是有人就编造了一个自欺欺人的静电平衡理论——外来电荷（多了或少了几个电子）立马产生了静电，金属体有了静电，内部的自由电子顿时失去自由，立即回到原子周围的平衡位置。我有专门文章评论这个自欺欺人的猥琐理论[1]，不想在此费笔墨。必要告诫的是：此系列理论不仅不能解释静电是如何产生、也无能解读静电电压是怎样形成，于是所有的物理教程至今都回避电压是什么、电压如何形成[2]。

静电事实说明金属内没有自由电子，那么，金属凭什么能够导电、导电性能好的事实是怎样形成的？“实验是我们掌握的唯一知识，其他全是诗意和想象。”我们先来看一个人人都做过、极其普通、熟视无睹的实验——接线板。

当我们往电源插入一个接线板，电压立即传输到接线板的每一组插孔-电压直接导通。电压导通时，并没有形成回路，在导线全程测不到哪怕是非常微弱的电流，即在没有任何电子流动前提下，电压已经传导到金属导体各处。

证明：电压传导的全过程没有电子参与、电压的传导完全不需要电子的参与。即金属导体导电首先是能够传输电压，在电压的通达、传导过程中电子不起任何作用。能较好传输电压的确实是金属，但决不是金属内电子的作为、绝不是所谓自由电子的作为。

如果把橡胶、塑料、陶瓷等的一端接入电源，在另一端完全测不到电压，试电笔也没有显示，这类物质被定义为绝缘体。说明这些绝缘物质不能导电，首先是连电压也不能导通。

导电-导通电压不是自由电子的作为，那么金属导体是怎样导通电压的呢？我们还是来看看身边熟悉的物理事实： 现在人人都使用手机，手机通话的必要条件是必须得要有信号，这信号就是960MHz左右频率的电磁波（微米波）。

早年，手机及收音机都必须配有一杆长长的金属天线，用来收发信号（现在的手机仍然有隐藏的天线）。一定频率范围的中、短波、及微米波等电磁波能够自由畅通地进入金属天线——金属体内，说明这些频率段的电磁波在金属材料内畅通无阻，电磁波在非金属体内必定是此路不通。现代物理学并没有对电磁波能够顺利进入材料、如何在金属内传导予以足够的重视和研究，做科学、搞工程的都不应该忽视这一自然现象。

空间传来的电磁波既不含有电子也不会是电流，金属天线接收和传递的只可能是电磁波。金属导体在接收和导通电磁波时完全不需要电子的参与，一定频率的电磁波在金属导体内畅通无阻，证明金属导电性能好是因为内部存在着从米-微米波的电磁波的通路，而不是所谓的自由电子。

天线接收和传递来的电磁波经过电器元件的检波、放大，最终成为了推动电子在回路中运动的电流、带信号的电流才能形成声音和屏幕上的图像。

接线板和手机两个熟悉的事例告诉我们：金属内存在着电磁波和电压的通路，在此我们我们可以推论：导线内的电压与电磁波有相同的性质——都是能够推动电子运行的波。

两个熟悉的事例证明：金属导电性能好是因为内部存在着电磁波的通路，而不是所谓的自由电子。导体导通电流的一个必要前提是：必须连成回路。这也证明在电子流动时系统（回路）内电子的总数必须稳定，物质每个原子的核外电子数也随时保持动态稳定，不存在什么自由。

金属中1价的银、铜导电性能最好，2、3价的金属导电能力很好，4价的石墨导电能力也很好，4价的硅是半导体的主体材料，价电子越多物体的导电能力越差。

这是大自然在告诉我们：物质的价电子少，外电子层不饱满，不饱满就是空，空能够容纳一定频率范围的电磁波进入、并且在其间传导，形成流通。

金属能够传导电流，首先是能够导通电压、导通电磁波。是因为金属物质的原子的价电子较少，外电子层不饱满，存在着电子空位、存在着电压波能够在其间传导的通路，在电压波作用下，物质内的电子在连成回路的通路间换位移动，形成电流。

金属导体的导电能力好，是因为价电子层空，存在着电压波传导的通路，这也是金属导体导电的物理机理；绝缘体难以导电是因为价电子多、通道阻塞。有公路才能行车，现代物理把这种能使电子运行的通路说成是载流子，给人的感觉就好像是把公路说成是汽车。

所有物质不管是金属导体、半导体还是液体、超导体，只要是能够导电，都是因为有了电子空位在物质内形成通路，电压波在电子空位通路间传导，形成闭合通路后，电子才能在其间按电压波的指令（直流、交流、正弦波、方波、信号波）换位运动形成电流。

近代物理学为了解读晶体导电，研发了以单电子近似法的能带理论。该理论的进步在于绕开了测不准、电子云的束缚、回避了自由电子理论，回到了元素周期表，提出了共有化电子理论。无厘头是按需要任意赋予共有电子能量，构成能带。定义：价电子少的成为导带，价电子多的是满带。论述导带的电子导电能力好；满带的电子不能导电，却不能说明这是为什么？

饶了一大圈，还是自然事实：价电子少的导电能力好，价电子多的是绝缘体。多了导带、满带，能隙、等效势场等等新名词，还是没有能力解释价电子数量与导电性能形成反差的原因。仍然没有“流通”的哲学观点，能带理论多了一些公式和计算，结果牵强，其理论基础还是载流子，大自然崇尚简单，不会不厌其烦去制作“自由电子”“离子”“空穴”“库伯对”等等名目繁多载流子。

自由电子导电理论与静电实验的事实相悖、与静电电压的形成格格不入、与接线板导通电压的事实不符，不能面对手机信号的接收、发射的事实。所以，自由电子导电只是一个错误的猜想、不是自然事实，不能让它继续误导我们的孩子，应该告诉孩子建立“通则流”的自然哲学思想。

在现行教材中，经常把已经证实的理论和大多学者认同的假说（自由电子假说）混为一谈，贴上同样漂亮的标签。这种鱼目混珠使学子良莠难辨，只能全盘接受，丧失了思辨开拓的机会。形成了对科学的亵渎，对学子的蒙蔽。

百年物理学在这些方面不能光明正大（回避电压的形成、编造“静电平衡”骗人的理论等），这些虽然是探索过程中难以避免的曲折，也不是当代物理学者的责任，但是它毕竟蒙骗了人民，阻碍了科学的进展。当代物理学者应该为传承和强化“自由电子载流子”而自责，召开一个世界物理电学会议，勇敢地站出来给人民一个道歉。

                               2018/8/18整理发表 

 参考文献：

[1]晏成和，静电实验提示-可耻的静电平衡理论，科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-867865.html

[2] 晏成和，物理源头的错误——自由电子理论。科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-867541.html