自由電子についてネットで調べた所、「ポテンシャルが0、つまり何ら束縛を受けていない電子のこと」と書かれてありました。
しかし、ポテンシャルの意味も分からないので、その意味も調べてみました。そしたら次のように書かれてありました。

ポテンシャル・・・直訳すると「潜在性」を意味する物理用語。

ますます意味が分かりません。潜在性が0の電子ってどういう意味でしょうか?

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A 回答 (2件)

難しくいうと難しいので簡単に言います。


ポテンシャルエネルギーは、運動の法則でいうところの位置エネルギーのことです。(厳密にはちょっと違うらしいですが。)
電子の場合は、原子核のプラスの電荷の束縛(引力)を受けており、近いほど強い束縛を受けており、電子は自由に動くことができません。価電子帯などと呼ばれています。
この原子核による電界の強さ(あるいは電位)は距離によって変わり、そのその束縛する力も変わってきます。
すなわち、
F=-qE=-q^2/(4πεr^2)
という式で表されます。
この引力に逆らって、電子を位置rから無限遠点まで運ぶのに必要な仕事は、
W=∫Fdr=∫-q^2/(4πεr^2)dr 積分範囲r~∞
=W(∞)-q^2/(4πεr)
となり、これがポテンシャルエネルギーとなります。
ここで、ポテンシャルエネルギーは相対的な意味しか持たないため、基準はどこにおいてもよいので、無限遠点を基準にすると、W(∞)=0
W=-q^2/(4πεr)
となります。
ここで、自由電子は、原子核より充分遠く離れ、原子核の束縛を受けなくなる距離r=∞のときW=0、ポテンシャルエネルギーがゼロということになります。

※無限遠点を基準にしたので、結晶内の電子は、通常、負のポテンシャルエネルギーを持つことになります。
※無限遠点は、宇宙の彼方という意味ではなく、金属の結晶の外(真空中に飛び出る)という意味です。
※電子のエネルギーは、ポテンシャルエネルギー(負)と運動エネルギー(正)の和で表され、ポテンシャルエネルギーより運動エネルギーのほうが大きくなったとき、真空に飛び出すことができます。
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この回答へのお礼

なるほど、原子核から遠く離れてる為に、束縛されずに自由に動ける電子が自由電子なのですね。
回答有難うございました。

お礼日時:2011/04/12 17:14

それは調べ方の問題でしょう。


ポテンシャルだけでは意味が分からず、ポテンシャルエネルギーなら意味が通じます。
電子は電場の中ではクーロンポテンシャルエネルギーを持ちますが電場が無い場所、実際には他の電荷から充分離れた場所では電荷を持っていても自分自身の作る電場以外の影響を受けません。
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この回答へのお礼

ポテンシャルはポテンシャルエネルギーの事なんですね。
回答有難うございました。

お礼日時:2011/04/12 17:06

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