现代物理的痼疾——自由电子导电理论的破绽
晏成和 曹铭壬
提 要：用几个常见的最基本的物理实验证明，流传了百年的金属自由电子导电理论及其补丁理论——静电平衡理论是错误的。
有些物质之所以是导体，首要的是能够传导电压。金属导电性能好，是其原子的价电子数量较少，在价电子层存在着电子空位，能让电压波在其间穿行、传导，形成了电磁波的通路。在电压的驱动下，电子在其间换位通行形成电流。
关键词：自由电子 静电平衡 价电子数 电磁波 电子空位
痼疾——由来已久不易治愈的疾玻有人会说，现代物理学是植根于实验和自然事实之上的一门科学，何病之有？更哪有痼疾？
是的，现代物理学是建立在自然事实之上，但是囿于历史科技能力的局限，对事实内因的解释、对形成该事实更深层的机理的猜测和假说却难免背离实在。而后来的学者在无力证伪前辈的假说时，往往把前人的猜测奉为圣典，上升成为理论，并一代一代传承扩展。于是，这失实猜想所形成的理论就成了阻滞科学进展的痼疾。例如，金属自由电子导电理论。
一个科班门外的研究者，胆敢对奉行百年人人皆知的物理定律提出置疑，不是靠胆大，而是因为：科学的本质是探索、探索的依据是事实、科学理论的基础是事实、科学必须尊重事实，要评说百年物理的痼疾也只有靠事实。
【实验1】一百年前，人们发明了用电，在测试了数千种材料之后，总结到金属物质的导电性普遍比其他材料好几个数量级。
【问题1】为什么金属材料的导电性能最好？
【假说1】1905年特鲁德等人就金属的导电性能、导热性能好的现实，提出了金属内存在着大量的自由电子，金属由内部的自由电子传热、导电的假说。此假说虽然有许多存疑，但流传多年没人提出更好的解释，于是该假说就上升为理论，写进了教科书，一百年来，成了不容置疑的圣典。金属是靠其内部的自由电子传热、导电。这理论已流传了一百年，同时，也留下了一百年的疑虑：
【置疑1】金属原子有1、2、3个价电子是自由电子，
为什么有4、5、6、7个价电子物质的电子却自由要少些？
自由电子的自由是从何而来？
为什么有二个自由电子的铁比一价的铜导电性能还要差些？
为什么三价的铝又比二价的铁导电性能又要强些？
以上疑虑由来已久，经常由初三的学生问到，显然有许多学生感到了其间逻辑的不通顺。然而疑虑多并不能证明自由电子导电理论有实质错误，该理论仍然屹立、年年传承。
以下我们将要面对几个常见的最基本的物理实验，实验事实是理论的根基是本源，如果理论与基本的实验事实相悖，如果在实验事实面前不能自圆其说，那么这理论就值得反思，值得科学界进一步地探讨、论证。
【实验2】在中学物理实验中，把带电荷的物体与绝缘起来的金属体接触，电荷进入金属，这时外来电荷总是立即在金属导体的平面、柱面上均布、在凸出的表面聚集，同时产生电压，能在尖端放电，这是实验事实。
【置疑2】为什么外来电荷只能分布在表面？
按现有理论，金属内部是充满着自由运动的电子，实验中导入的电子也是电子，性能一样、性质相同，完全应该成为自由电子的新成员，应该与其他的电子一样，在金属内自由分布，舒适地在其间自由运动，为何会被驱赶到表面？如何被挤到凸出部聚集？又如何会形成尖端放电？
面对导体的静电感应和电荷趋附表面、趋尖的事实，自由电子理论难以自圆其说，于是就赶紧打个补丁，提出出了个新的解释——静电平衡理论。
【假说2】在《大学物理教程》导体的静电平衡性质一节中写到：“将一带电棒同导体接触，或将导体放在外电场中发生静电感应，从接触发生的瞬刻到电荷在导体上分布达到稳定，其过程是十分短暂的，通常只经历10-14～10-13秒！在达到稳定之后，自由电子将不再出现宏观的运动，这种状态称为导体的静电平衡状态。”
静电平衡之说很奇特，在平常状态下可以在金属原子间宏观自由运动的 “自由电子”，在移走（来）了几个电子，就使得金属内那么多的自由电子将不再出现宏观的运动，原来在原子间自由长程运动的电子顿时就失去了宏观运动的自由！
静电平衡理论很离奇、也很费解，只要稍微移去（来）几个电子，就能在皮秒（10-12秒）内使几万亿亿个自由电子顿时失去自由，使在300K温度下以每秒1000公里速度运行的自由电子不再有宏观运动，却不能交代此时是什么力、如何使电子的运动瞬间脱离宏观、线路发生改变、电子失去自由。而且这些只是发生在１立方厘米铜材内的故事。（数据摘自《大学物理教程》，吴锡珑主编，第二册，第二版，第12章）
《教程》中引入了一些例题、数据，让人感到它有较强的数学基础，似乎颠扑不破，那么我们也来看几个实实在在的大数据。
一般学生对１立方厘米铜材发生静电平衡，可能没有多大的感触。我们不妨想大点，设想一下，一艘下水前的航母只要轻轻移去（来）几个电子或是由带电的小球感应，这几个电子会在航母的某个凸出部位聚集。
按静电平衡理论的解释，从接触发生的皮秒内，自由电子将不再出现宏观的运动。也就是说就这几个电子在瞬间就能使以每秒1000公里速度运行的自由电子改变运动状态，使这十几万吨钢铁的数亿亿亿个自由电子顿时失去自由。
是什么神奇的力量使这么多高速运动的电子在瞬间急刹车、急转向，其间包含了多大的冲量，多大的动能？真是太神奇了！符合能量守恒定律吗？符合动量守恒定律吗？实在是匪夷所思！
如果我们再想大点，设想一下，有一个地球那么大的金属球，外界只要移去（来）几个电子，这几个电荷会在“金属地球”的某个凸出表面聚集，于是按“假说2”断定：外来电荷使“金属地球”整体发生了静电平衡。就是这几个电子竟然使得这几亿亿吨的金属球内所有的多少亿亿亿亿个自由电子在皮秒内顿时改变运动状态、立即失去自由！真正的天方夜谭。究竟是静电平衡的神奇还是自由电子的子虚乌有？结论大家自己就会得出。
实验2中，外来电荷进入金属后立即在表面或尖端聚集，表明外来电荷在金属内部受到排挤，完全没有容身之地。这事实说明：金属内原子间的排列是紧密有序的，核外电子数是一定的，在一定的轨道稳定运转，金属内部是稳定有序、协调平衡的。没有电子是所谓自由的，当然也不存在什么静电平衡。
静电平衡理论费了好大的劲连唬带混地“解释”了电荷的趋表，可是面对电荷在趋表的同时金属体产生的静电电压，就小心地绕开，缄口不谈。这同时产生的静电电压就是要驱赶这多出的电荷，电荷传导走了，金属体恢复到原来平衡规整的状态，电压也就没有了。
如果按现有理论，金属内充满着自由电子，原子外层的价电子松散，可以脱离原子在导体内自由运动，没有固定的归属，那么在这自由的环境中移来或移走些许电子无关痛痒。多出的外来的电子应该舒适地躺在其间；少几个电子也没有什么关系，何以形成静电电压？
青年朋友们读书要用自己的头脑深入地想一想，不要完全被动地接受。
【实验3】（1）把一段物体（橡胶、塑料、陶瓷等）的一端接入220V电源（火线），在另一端完全测不到电压，这类物质被界定为绝缘体。
这说明这些物质不能导电，首先是连电压也不能导通。
(2)把一根长金属导线的一端接入220V交流电源（火线），立即在金属导线的各个部位都可测量到220V电压，这类金属物质被命名为导体。
【置疑3】实验3-(2)就如同在电源插入一个接线板，这时并没有产生电流，而电压已传达到导线的所有部分。那么金属导体能够导电，首先是能导通电压，在导体内存在让电压传输的通路，这导通电压与自由电子有何相关？
上述两实验说明，导体与绝缘体的本质差异在于能否导通电压，能传导电压的是导体，不能传导电压的是绝缘体，物质的导电性能与导通电压的能力息息相关。
在实验3-(2)中，只是在电源中接上一段导线，并没有形成回路，电压就传输到导体各处，电压导通时，在导线的全程测不到哪怕是非常微弱的电流，即在没有任何电流（电子的宏观流动）运动的前提下，电压已传导到导体各处。证明电压传导的全过程没有电子的参与，电压的传导完全不需要电子的参与。证明电压的传导不是电子的作为，即自由电子在电压的通达、传导过程中不起任何作用。导体的导电首先是传输电压，传输电压不是自由电子的作为。
试验中，导体与绝缘体的界分在于对电压的传导，能导通电压的就是导体，即导电物质不需要电子的参与就已经能通畅地传输了电压，就已经确立了其导体的属性，金属导体能通畅地导通电压与自由电子无关；物质能形成导体不是自由电子的贡献。被说教了一百年的金属内充满“自由电子”，金属靠“自由电子”导电的理论与实验事实格格不入，是一个伪命题。
就像在一场球赛中，队员“自由电子”一直坐在板凳上，“金属”队已经赢了球（已经获得了导体称号），有人说这些球是“自由电子”进的，这种说法显然不能成立。在侦探破案中，常用一种排除法。如果证明张三不在作案现场，或没有作案的时间，那么，张三就不是此案件的嫌疑人，应果断地把张三排除在作案人之外。
电压导通时，导线内外测不到任何微弱的电流。即在电压传导的全过程中，电子“不在作案现潮，没有由自由电子促成导体的证据，那么，由自由电子形成导体的结论就应该排除。电压的传导不是电子的作为，自由电子在电压的通达、传导中不起作用。自由电子在界分导体或绝缘体中根本不起作用，导体的导电显然不是自由电子的作为。
这个人人能做的简单的试验说明，导电——电子在导体内的流动经历了三个过程：首要条件是物质内有能让电压导通的通路，其二是接上电源，导通电压，其三是连成回路，才能形成电流。在微观领域这二、三过程在瞬间完成，而给人造成自由电子导电的假象。
【实验4】上世纪50年代，许多青少年从制作矿石收音机走上了科技之路。一根长长的天线接收着电磁波（中波、短波），一粒矿石检波，不用任何电源，接收来的电磁波到机内通过线圈与电容的谐振放大后形成了驱动耳机的电流，耳机才能发出美妙的播音。
驱动耳机的肯定是电流，能源来自电磁波，这些都没有问题。
【置疑4】矿石收音机必须有一根长的金属天线，接收着空间传来的电磁波，空间传来的电磁波既不含有电子也不会有电流，金属天线接收和传递的只可能是电磁波。假若你用麻绳或橡胶皮做天线，肯定接收不到电磁波。
金属导线——天线接收电磁波的事实说明：金属导体具有良好的接收和导通电磁波的能力，金属导体与绝缘体的界分首先是在于能否接收和传递一定频率（中波、短波）的电磁波。
这样，实验1——检验物质导电能力的导通电流实验完全可以由实验４——导通电磁波来替代，由材料能否顺畅地接收和传递电磁波来揭示或界定材料的导电性能。电磁波不含有电子也不是电流，金属导体在导通电磁波时完全没有电子的参与，证明金属的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。
其实现代人们用的手机也有天线，其接收电磁波原理与矿石收音机、半导体收音机的天线完全一样，不过它还能发射电磁波。
【实验5】就在人们对百年自由电子导电理论习以为常之时， 2007年6月，美国麻省理工学院的一个物理研究小组宣布，他们成功地试制了无线电力传输装置。这个装置向相隔2米外的灯泡送电，并成功点亮这个60瓦的灯泡。
这个叫做“磁耦合共振器”的装置由两个直径50厘米的铜线圈构成，一个线圈接电源，向相隔2米外的另一线圈送电，这2米空间不管有任何障碍物都能成功点亮了另一线圈所接的灯泡。
在相距2米空间送电，金属自由电子导电的理论在此目瞪口呆。
上述几个实验，事实铮铮如铁，自由电子导电理论的破绽暴露痼疾显现。
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，物质的核外电子数也随时保持动态稳定。
在实验3中我们注意到导线导通的首先是电压，在实验4中我们关注导线接收和导通的是电磁波。（实际上电压也是一定频率的电磁波，另题讨论。）
实验2证明，金属内没有自由电子。然而一百年来教科书中都是讲的金属靠自由电子导电，人们的思想还难得转弯，有人会问，金属内若是没有了自由电子，那么，在金属导体内传导电流的不是自由电子又是什么？
金属能够导传导电流，首先是能够导通电压、导通电磁波。
金属原子只有少量的价电子不是所谓自由电子，而正是因为金属原子的最外层价电子数量少，在价电子层存在着较多的电子空位，能让电压波在其间穿行、传导，形成通路。在电压波的驱动下，电子在其间换位运动形成电子的宏观流动——电流。
导电原理是： 某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、存在着电压波传导的通路，电压波能够在其间快速地传导，在电压波作用下，电子在连成回路的电子空位间换位移动，形成电流。
有了电子空位，才能形成通路，各种电压波才能在其间传导，电子才能在电压波的驱使下在其间换位运动形成各种电流。直流，交流，各种频率、各种波形的电流都必须在电子空位间传导。
所有的物质，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，电压波才能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、方波、正弦波）换位运动形成电流。所有物质的导电共存此一理。
大自然就是这样，用最简原则构成自己，不会一时用自由电子，一时用离子，一时用空穴，一时用库伯对来导电，大自然不会不厌其烦去搞那些各种各样的载流子。
金属之所以是良好的导体，是因为金属物质的每个原子的外层仅有一、两个价电子运转围绕：如铜、银等仅有一个价电子运转；铁、铬等原子则有两个价电子围绕，原子的外层存在较多的电子空位，能畅通地传导电压波，在电压波的作用下，电子在回路中换位移动形成电流，因而易于导电。
在绝缘体内，因原子的价电子多，每个原子由多个价电子包围着，使原子的外电子层趋近饱和，没有电子空位，不能形成通路，电压传输受阻，不能形成导电。
如果把电流比喻为公路上的车流，那电子空位所形成的通路就是公路，而电压就是指令——公路上的红绿灯，电子是按指令自动运行的汽车。有了这三者，才能形成通畅的导电。
2008-3-12
参考文献
晏成和 著 《物理新视点》 湖北人民出版社 2006、10、
唯 实 《向电线说再见 》 《科学画报》 2007年11期
吴锡珑 《大学物理教程》第一、二、三册 第二版 高等教育出版社 1999