Elektron swobodny

Elektron swobodny – pojęcie, które może mieć kilka znaczeń:

• elektron, który nie jest związany z żadnym atomem ani inną cząstką;
• elektron słabo związany z atomem (elektron walencyjny);
• elektron w paśmie przewodnictwa w metalu.

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

Elektrony takie powstają w wyniku jonizacji spowodowanej przykładowo promieniotwórczością naturalną, promieniowaniem kosmicznym lub na skutek jonizacji termicznej. W naturalnych warunkach na Ziemi, elektrony te szybko łączą się z atomami, rekombinując, lub przyłączają do obojętnych atomów lub cząsteczek, tworząc jony ujemne. W próżni kosmicznej występują niemal wyłącznie elektrony swobodne, ponieważ jest tu większe prawdopodobieństwo napotkania cząstki o wysokiej energii powodującej jonizację, niż wolnej cząstki mogącej przyłączyć elektron.

Swobodne elektrony występują również w materii w stanie plazmy, w próżniowych lampach elektronowych (np. kineskopach), w akceleratorach cząstek.

Wolne elektrony uzyskuje się w wyniku emisji elektronów z substancji, najczęściej stosowanymi w technice sposobami są:

• termoemisja,
• zjawisko fotoelektryczne,
• emisja polowa.

W zjawisku Comptona rozpraszania wysokoenergetycznych fotonów promieniowania rentgenowskiego i gamma na elektronach walencyjnych, energia wiązania elektronu 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 taki nie jest związany z żadnym atomem i może swobodnie poruszać się po całej objętości próbki. Jego zachowanie opisuje model prawie swobodnego elektronu Arnolda Sommerfelda. Jest to półklasyczny model, który dobrze wyjaśnia wiele własności metali takich jak np. przewodnictwo elektryczne i cieplne. Energię elektronu swobodnego w tym modelu wyraża wzór

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

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

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

• H. Ibach, H. Lüth, Fizyka ciała stałego, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996, ISBN 83-01-12039-8.