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導電原理（導電二）

自由電子導電理論是個百年錯誤

2018/09/25   維加斯新聞報
晏成和

    百年來，從中學到大學，教科書一直說教 “金屬是由其自由電子導電 ”。為什麼金屬有一、二、三個價電子就有自由，價電子多了為什麼就沒有了自由，這個 “自由 ”是誰賦予的、有自由的邏輯原因是什麼？
    自由電子的理論來自哪裡？ 1905年特魯德（Drude）等人就金屬材料的導電、導熱性能良好的現實，提出 “金屬是由內部的自由電子傳熱、導電 ”的猜測，在沒有更恰適解讀的情況下，科學界接受了這個假說。
    不久之後，人們在靜電實驗中發現：外來電荷在金屬球內沒有藏身之地、被驅趕在表面、尖端，同時產生靜電電壓，產生驅趕電荷的場。靜電電荷不能容身的事實表明：金屬內，每個原子的核外電子都有固定的數目、固定的歸宿，金屬內的電子不存在所謂的自由，靜電實驗對自由電子理論發出了挑戰。
    自由電子理論與靜電實驗事實格格不入、面臨破產。於是有人就編造了一個自欺欺人的靜電平衡理論 ——外來電荷（多了或少了幾個電子）立馬產生了靜電，金屬體有了靜電，內部的自由電子頓時失去自由，立即回到原子周圍的平衡位置。我有專門文章評論這個自欺欺人的猥瑣理論 [1]，不想在此費筆墨。必要告誡的是：此系列理論不僅不能解釋靜電是如何產生、也無能解讀靜電電壓是怎樣形成，於是所有的物理教程至今都回避電壓是什麼、電壓如何形成[2]。
    靜電事實說明金屬內沒有自由電子，那麼，金屬憑什麼能夠導電、導電性能好的事實是怎樣形成的？“實驗是我們掌握的唯一知識，其他全是詩意和想像。”我們先來看一個人人都做過、極其普通、熟視無睹的實驗 ——接線板。
當我們往電源插入一個接線板，電壓立即傳輸到接線板的每一組插孔 -電壓直接導通。電壓導通時，並沒有形成回路，在導線全程測不到哪怕是非常微弱的電流，即在沒有任何電子流動前提下，電壓已經傳導到金屬導體各處。
證明：電壓傳導的全過程沒有電子參與、電壓的傳導完全不需要電子的參與。即金屬導體導電首先是能夠傳輸電壓，在電壓的通達、傳導過程中電子不起任何作用。能較好傳輸電壓的確實是金屬，但決不是金屬內電子的作為、絕不是所謂自由電子的作為。如果把橡膠、塑膠、陶瓷等的一端接入電源，在另一端完全測不到電壓，試電筆也沒有顯示，這類物質被定義為絕緣體。說明這些絕緣物質不能導電，首先是連電壓也不能導通。
    導電 -導通電壓不是自由電子的作為，那麼金屬導體是怎樣導通電壓的呢？我們還是來看看身邊熟悉的物理事實：現在人人都使用手機，手機通話的必要條件是必須得要有信號，這信號就是 960MHz左右頻率的電磁波（微米波）。
早年，手機及收音機都必須配有一杆長長的金屬天線，用來收發信號（現在的手機仍然有隱藏的天線）。一定頻率範圍的中、短波、及微米波等電磁波能夠自由暢通地進入金屬天線 —— 金屬體內，說明這些頻率段的電磁波在金屬材料內暢通無阻，電磁波在非金屬體內必定是此路不通。現代物理學並沒有對電磁波能夠順利進入材料、如何在金屬內傳導予以足夠的重視和研究，做科學、搞工程的都不應該忽視這一自然現象。空間傳來的電磁波既不含有電子也不會是電流，金屬天線接收和傳遞的只可能是電磁波。金屬導體在接收和導通電磁波時完全不需要電子的參與，一定頻率的電磁波在金屬導體內暢通無阻，證明金屬導電性能好是因為內部存在著從米 -微米波的電磁波的通路，而不是所謂的自由電子。天線接收和傳遞來的電磁波經過電器元件的檢波、放大，最終成為了推動電子在回路中運動的電流、帶信號的電流才能形成聲音和螢幕上的圖像。
    接線板和手機兩個熟悉的事例告訴我們：金屬記憶體在著電磁波和電壓的通路，在此我們我們可以推論：導線內的電壓與電磁波有相同的性質 ——都是能夠推動電子運行的波。
    兩個熟悉的事例證明：金屬導電性能好是因為內部存在著電磁波的通路，而不是所謂的自由電子。導體導通電流的一個必要前提是：必須連成回路。這也證明在電子流動時系統（回路）內電子的總數必須穩定，物質每個原子的核外電子數也隨時保持動態穩定，不存在什麼自由。
    金屬中 1價的銀、銅導電性能最好，2、3價的金屬導電能力很好，4價的石墨導電能力也很好，4價的矽是半導體的主體材料，價電子越多物體的導電能力越差。
    這是大自然在告訴我們：物質的價電子少，外電子層不飽滿，不飽滿就是空，空能夠容納一定頻率範圍的電磁波進入、並且在其間傳導，形成流通。
    金屬能夠傳導電流，首先是能夠導通電壓、導通電磁波。是因為金屬物質的原子的價電子較少，外電子層不飽滿，存在著電子空位、存在著電壓波能夠在其間傳導的通路，在電壓波作用下，物質內的電子在連成回路的通路間換位移動，形成電流。
    金屬導體的導電能力好，是因為價電子層空，存在著電壓波傳導的通路，這也是金屬導體導電的物理機理；絕緣體難以導電是因為價電子多、通道阻塞。現代物理把這種能使電子運行的通路說成是載流子，給人的感覺就好像是把公路說成是汽車。
    所有物質不管是金屬導體、半導體還是液體、超導體，只要是能夠導電，都是因為有了電子空位在物質內形成通路，電壓波在電子空位通路間傳導，形成閉合通路後，電子才能在其間按電壓波的指令（直流、交流、正弦波、方波、信號波）換位元運動形成電流。
    近代物理學為瞭解讀晶體導電，研發了以單電子近似法的能帶理論。該理論的進步在於繞開了測不准、電子雲的束縛、回避了自由電子理論，回到了元素週期表，提出了共有化電子理論。無厘頭是按需要任意賦予共有電子能量，構成能帶。定義：價電子少的成為導帶，價電子多的是滿帶。論述導帶的電子導電能力好；滿帶的電子不能導電，卻不能說明這是為什麼？饒了一大圈，還是自然事實：價電子少的導電能力好，價電子多的是絕緣體。多了導帶、滿帶，能隙、等效勢場等等新名詞，還是沒有能力解釋價電子數量與導電性能形成反差的原因。仍然沒有 “流通 ”的哲學觀點，能帶理論多了一些公式和計算，結果牽強，其理論基礎還是載流子，大自然崇尚簡單，不會不厭其煩去製作 “自由電子 ”“離子 ”“空穴 ”“庫伯對 ”等等名目繁多載流子。自由電子導電理論與靜電實驗的事實相悖、與靜電電壓的形成格格不入、與接線板導通電壓的事實不符，不能面對手機信號的接收、發射的事實。所以，自由電子導電只是一個錯誤的猜想、不是自然事實，不能讓它繼續誤導我們的孩子，應該告訴孩子建立“通則流”的自然哲學思想。
在現行教材中，經常把已經證實的理論和大多學者認同的假說（自由電子假說）混為一談，貼上同樣漂亮的標籤。這種魚目混珠使學子良莠難辨，只能全盤接受，喪失了思辨開拓的機會。形成了對科學的褻瀆，對學子的蒙蔽。
百年物理學在這些方面不能光明正大（回避電壓的形成、編造“靜電平衡”騙人的理論等），這些雖然是探索過程中難以避免的曲折，也不是當代物理學者的責任，但是它畢竟矇騙了人民，阻礙了科學的進展。當代物理學者應該為傳承和強化“自由電子載流子”而自責，召開一個世界物理電學會議，勇敢地站出來給人民一個道歉。