자유전자

요약 원자 내 전자들이 핵과의 인력에 의해 고정되어 있는데 반해 일정 영역 내에서 움직임이 자유로운 전자다. 주로 금속 내에 있으며, 진공관 등에서는 열전자 방출로 인해 자유전자가 기체상태로 있기도 한다. 전리층에서도 기체상태의 자유전자가 존재한다. 금속 내부에서 전기 전도성, 열 전도성 등의 성질을 이 자유전자로 기술하는 자유전자모형 이론이 있다.

금속결합에 의한 자유전자
원자모형은 양파껍질처럼 서로 떨어진 껍질들이 있고 한 껍질내의 전자들은 같은 에너지를 갖는다고 설명한다. 그런데 각 껍질 내에 들어갈 수 있는 전자의 수는 정해져 있어 안쪽으로부터 2, 8, 8. 18. 18, 32 등이 된다. 원자핵에서 멀어질수록 전자의 에너지는 높고 원자핵의 인력은 작아진다.

금속결합이란 금속의 양이온과 자유전자 사이에 정전기적 인력(쿨롱의 힘)에 의해 이루어진 결합이다. 금속결합에서 원자내 전자들이 위치하는 껍질들이 다른 원자들의 껍질과 겹쳐 전자들이 위치하는 띠를 형성하게 된다. 원자가 전자들은 가전자대(valence band)에 위치하게 된다. 금속 내에서 자유로이 움직일 수 있는 에너지띠를 전도대(conduction band)라고 한다. 이 전도대에 있는 전자들을 여러 원자핵들이 공유하게 되어 개별적인 원자핵의 인력으로부터 자유롭게 된다. 가전자대에는 원자 안쪽의 궤도들이 서로 겹치면서 만들어진 것으로 연속적인 에너지를 가지는 전자들이 모(母)원자 주위에 구속된 채로 다른 곳으로 이동을 할 수가 없는 곳이다. 이에 반해, 전도대는 원자 바깥쪽의 궤도들이 겹치면서 만들어진 것으로 연속적인 에너지를 가진 전자들이 이 원자 주변에서 저 원자 주변으로 자유롭게 이동할 수 있는 곳으로, 이 전도대에 올라와 있는 전자를 자유전자라고 한다.



도체란, 가전자대와 전도대의 에너지 격차가 아주 작거나 서로 겹쳐 있어서 평상시에도 전도대에 다수의 전자가 존재하는 물질을 말하며, 부도체란 이 에너지 격차가 너무 커서 가전자대의 전자가 전도대로 오르지 못하는 물질이다. 금속결합은 원자가 전자가 1~2개여서 안정된 전자배열이 되기에 전자를 내버리는 쪽이 수월한 원자들이 서로 가전자대에 가깝거나 겹치게 전도대를 형성하여 전자를 서로 공유하므로 자유전자가 생긴다. 자유전자수가 많을수록 금속의 결합력은 커지게 된다. 이렇게 생긴 금속 내 자유전자는 다른 입자와의 상호작용으로 에너지를 얻어 금속을 빠져 나가게 될 때까지 금속 내에서 자유로이 움직이게 된다.

전리층에서 자유전자
전리층은 고도 약 60km~400km에 이르는 구간에 있다. 대양에서 복사된 자외선, 대전된 미립자 등과 우주에서 입사되는 우주선이 질소나 산소원자와 충돌하고 이 충돌에 의한 에너지로 전자가 방출되면서 양이온이 된다. 이러한 전리작용에 의해 자유전자와 양이온이 형성된다. 이 전리층에 의해 지상으로부터의 전파가 반사되기도 한다.

자유전자와 열전도와 관계
보통의 물질의 경우 열에너지는 순전히 분자들끼리 진동하면서 전해진다. 예를 들어 알갱이들이 서로 뭉쳐 있는 상태라고 한다면, 그 가운데 하나가  떨리면 그 떨림이 옆 알갱이에 전파되고, 그 전파된 알갱이는 또 전파하는 식으로 진동이 전체로 퍼지게 된다. 하지만 금속은 자유전자가 어디든 이동할 수 있는 구조여서 열에 대한 효과적인 전파자의 역할을 한다. 금속은 열전도율이 좋게 된다. 

자유전자모형 이론
아놀드 섬머펠트(Arnold Sommerfeld)에 의해 개발된 이론이다. 고체물리학에서 이 이론은 고전 드루드 모형(classical drude model)과 양자역학적 페르미-디락 통계를 통합하여 만들었다. 이 이론으로써 전기 전도성, 열 전도성, 열용량에 관한 온도 의존성, 전자의 상태밀도, 결합에너지 범위 등을 설명한다.