고체전자론

요약 고체 내부 전자의 움직임을 연구하는 이론이다. 고체는 주기적 규칙성을 지닌 원자배열을 띄고 있어서 이 배열에 따라 다양한 성질을 갖게 되고 그 원인은 양자역학과 통계역학으로 설명한다.

고체에는 주기적 규칙성을 가진 원자배열에 대응해서 결정격자라는 것이 있다. 원자는 원자핵 둘레에 전자를 가지고 있는데, 고체의 전기적 ·자기적 성질은 이 껍질전자에 의해 결정된다. 이러한 전제 아래 전기전도현상, 광전효과, 자기적 여러 성질 등을 껍질전자, 고체 내의 전자와 포논(음향양자)의 운동에 의해 양자역학 ·통계역학을 바탕으로 설명하는 이론이다. 그런데 고체 속에는 전자의 에너지띠가 형성되며, 전자는 그 에너지띠 안 또는 사이에서 전이한다. 이 결론은 고체론 최초의 성과로서, 종래에는 그 성질이 서로 다른 것으로 여겨졌던 도체(주로 금속) ·반도체 ·절연체의 구별이 이 결론을 바탕으로 설명되었다. 한편 고체전자론에서는 전자스핀도 중요한 역할을 한다.

고체전자론의 발달과정을 보면, 그 선행이론으로 기체분자운동론의 발전을 뒤이은 자유전자기체의 수송현상을 다루는 전도론(傳導論)이 있었는데, 이 이론이 기체의 경우와 본질적으로 다른 점은 전자가 페르미-디랙통계를 따른다는 것이다. 오늘날에도 약한 전기장 ·자기장 및 작은 온도기울기 등의 조건하에서 전자전도현상은 자유전자와 질량이 다른 하전입자(荷電粒子) 가스의 운동으로 잘 설명된다. 그러나 강한 전기장 ·자기장 또는 극저온 등의 조건하에서의 전자전도현상이나 결정격자의 진동과 고체 내 전자의 상호작용 등은 아직 과제로 남아 있다.