为何金属与绝缘体在导热性与导电性方面差别这么大？ 第1页

这很大程度上可以用固体物理中的能带理论进行解释。我们先了解一下固体中能带是怎样形成的。首先，量子力学告诉我们，对于单个孤立原子来说，原子中的电子在原子核以及其他电子的共同作用下分布在不同的能级上，能级从小到大用s，p，d等符号来表示。如果多个原子靠在一起会发生什么呢？以两个原子为例，当两个原子互相靠近时，原子中的电子同时受到本身原子势场以及另一个原子的势场的影响，通过量子力学的方法处理可以得到结果就是使每个原子之前的分立能级分裂成两个能级，两个原子靠近的越近，能级分裂地越厉害。越多的原子靠近在一起，能级就会分裂成更多份。我们知道，金属和绝缘体是由大量原子组成的晶体，当如此多的原子靠近在一起时，能级就会无限地分裂，原本的一个能级随之就变成了一条带子，我们称之为能带。当然实际上考虑到轨道杂化的影响，原先的每一个能级不一定与每一条能带一一对应。在能带中电子可以占据的部分称为允带，不能占据的部分称为禁带。

其次，固体能够导电，是因为电子在外加电场的作用下做定向移动，也即是说外加电场改变了电子的能量和动量，从能带的观点来看，就是电子从一个能级跃迁到另一个能级。电子按照能级大小从小到大排布，如果一条能带每一个可以容纳电子态的能级都被占据了，我们称之为满带，电子要改变能级无处可去(因为电子是费米子服从泡利不相容原理)，所以表现出不能自由移动的特征。反之，对于不满带来说，依然有空缺的状态可以让电子跃迁过去，所以不满带的电子是可以导电的。我们常说的金属导电的自由电子就是处于不满带中的电子，而绝缘体因为电子完全占据了价带，价带之上的导带中没有电子，也就是不存在自由电子了。事实上，只要存在温度，绝缘体也是可以导电的，这是因为温度的影响使一小部分电子从价带跃迁到导带变成自由电子，同时又在价带中留下空穴，而绝缘体（或半导体，半导体价带与导带间的间隙相对与绝缘体更小）导电和金属导电的本质区别就是前者存在空穴导电。只是因为这些电子和空穴非常少，所以其导电能力也非常差，生活中我们很难感受到绝缘体中的微弱电流，所以姑且认为它们是不导电的。

至于导热性，固体中传导热流可以由电子(空穴)承载也可以由声子承载，但对于绝缘体前一种方式被极大程度地压制了，导致其导热性也远不如金属。

参考文献：

[1] 刘恩科. 半导体物理学[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008: 9-17.