[科普中国]-自由电子密度

自由电子就是指不被约束在某一个原子内部的电子。这种电子在受到外电场或外磁场的作用时，能够在物质中或真空中运动。如原子结合成金属晶体主要是靠原子外层的价电子和部分的内层电子。在通常情况下，某些价电子可以脱离原子，而自由地在晶体点阵中运动。这种电子就称为自由电子。1

不仅金属导体中的自由电荷，半导体中的自由电荷及绝缘体中的微量自由电荷都属于自由电子。自由电子的多寡会影响物质的导电性和导热性，自由电子愈多，导电的能力愈强。大部分的金属都有相当数量的自由电子，非金属则相反。（但是亦有例外，如石墨。）

自由电子密度指的是单位体积导体中的自由电子数量。铜的自由电子密度为 。各种金属的自由电子密度有相同的数量级（ ）。铝的自由电子密度比铜的大，铝有三个自由电子，铜有两个自由电子，而且铝的电子云半径比铜的电子云半径更小，因此铝的自由电子密度比铜大。但由于铝对电子的吸引力比铜大，所以通电的时候，铜更易导电。

在Fe-Al合金系中， 和 合金以优良的高温强度、抗氧化性和抗腐蚀性等得到人们的重视，有望成为新一代高温结构材料。但是，在室温下，如何在提高其强度的同时降低其脆性是亟待解决的一项重大课题。研究发现，增加Fe-Al合金中的Al含量会导致塑性降低，而合金化是改变其力学性能的重要方法。刘青宜2等通过分析不同含量Cr和Si的Fe-Al合金的正电子寿命，研究了Cr和Si对二元合金微观缺陷及电子密度的影响。

实验所用合金化学成分如图1所示。按照图中参数配制合金原料，用真空感应电炉进行熔炼，并铸造成锭。合金在1000℃下保温10h做均匀化处理，用线切割切出D=12mm，厚度为1mm的圆片，磨平抛光处理并制作正电子实验试样。正电子寿命谱采用快符合谱仪以“样品一源一样品”的结构排列进行测定，将此“三明治”结构置于起始和终止量道探针之间平行排列，测量温度为25℃。

随着Al元素在合金中含量的增加，微空洞的开空间会增大、空位浓度也会增加。同时Al原子中的电子会和Fe原子中的电子形成共价键，导致电子密度在合金中下降。而Cr元素的进入会升高合金中的电子密度，增强金属键的合力。但是，Si元素在合金中又会降低电子密度，减弱金属键的合力。2

等离子体隐身技术是具有频带宽、效率高、使用方便、对飞行器影响小、价格低等优点的新型隐身技术。正受到世界各军事强国的广泛关注，成为一个热门的研究课题。据报道，俄、美等国的等离子体隐身技术已进入实际应用阶段。20世纪90年代中期，美国体斯实验室进行的实验表明，应用等离子体隐身技术，可使一个13cm长的微波反射器的雷达散射截面在4~14GHz范围内平均降低20dB。1997年美国海军委托田纳西大学等单位开发出了等离子体隐身天线。1999年俄罗斯已将等离子体隐身技术应用到米格喷气战斗机上。

詹康生3等研究了不均匀非磁化等离子体片的自由电子密度与目标隐身的关系，给出不同等离子体自由电子密度分布时，对不同频段的雷达电磁波的衰减。研究发现，等离子体的自由电子密度应与雷达频率相关。雷达在高频、甚高频等低频段工作时，等离子体隐身的效果不理想;雷达工作在L. S, C. X等高频频段时，等离子体隐身效果显著。此外，我们发现对不同的雷达频率，等离子体存在一个最佳碰撞频率使入射电磁波衰减最大，该频率接近入射电磁波的频率。3