Elektron swobodny

Elektron swobodny– pojęcie, które może mieć kilka znaczeń:

• elektron,który nie jest związany z żadnymatomemani inną cząstką;
• elektron słabo związany z atomem (elektron walencyjny);
• elektron wpaśmie przewodnictwawmetalu.

Elektrony swobodne niekoniecznie są więccząstkami swobodnymi,jak na przykład elektrony wykorzystywane wlaserze na swobodnych elektronach,które znajdują się w polu magnetycznym.

Elektron niezwiązany z atomem

Elektrony takie powstają w wynikujonizacjispowodowanej przykładowopromieniotwórczością naturalną,promieniowaniem kosmicznymlub na skutekjonizacji termicznej.W naturalnych warunkach na Ziemi, elektrony te szybko łączą się z atomami,rekombinując,lub przyłączają do obojętnych atomów lub cząsteczek, tworzącjonyujemne. Wpróżnikosmicznej występują niemal wyłącznie elektrony swobodne, ponieważ jest tu większeprawdopodobieństwonapotkania cząstki o wysokiej energii powodującej jonizację, niż wolnej cząstki mogącej przyłączyć elektron.

Swobodne elektrony występują również w materii w stanieplazmy,w próżniowychlampach elektronowych(np.kineskopach), wakceleratorach cząstek.

Wolne elektrony uzyskuje się w wynikuemisji elektronówz substancji, najczęściej stosowanymi w technice sposobami są:

• termoemisja,
• zjawisko fotoelektryczne,
• emisja polowa.

Elektron słabo związany z atomem

Wzjawisku Comptonarozpraszania wysokoenergetycznychfotonówpromieniowania rentgenowskiegoigammana elektronach walencyjnych,energia wiązaniaelektronu z atomem jest dużo mniejsza od energii, jaką ma foton i jaką uzyskuje w zderzeniu elektron. Dlatego energię wiązania elektronu można pominąć i traktować go jako swobodny. Dotyczy to również zderzenia elektronów walencyjnych z innymi wysokoenergetycznymi cząstkami.

Elektron swobodny w metalu

Elektron taki nie jest związany z żadnym atomem i może swobodnie poruszać się po całej objętości próbki. Jego zachowanie opisujemodel prawie swobodnego elektronuArnolda Sommerfelda.Jest to półklasyczny model, który dobrze wyjaśnia wiele własności metali takich jak np.przewodnictwo elektryczneicieplne.Energię elektronu swobodnego w tym modelu wyraża wzór

$E={\frac {\hbar ^{2}k^{2}}{2m^{*}}},$

gdzie$m^{*}$jestmasą efektywną($k$oznacza liczbę falową elektronu). Masa ta może przyjmować nawet wartości ujemne, co odpowiada zjawisku odbicia elektronu od sieci krystalicznej.

Zobacz też

• cząstka swobodna
• model Drudego-Sommerfelda
• pasmowa teoria przewodnictwa

Bibliografia

• H. Ibach, H. Lüth,Fizyka ciała stałego,Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996,ISBN83-01-12039-8.