Los electrones de un átomo están distribuidos en capas electrónicas sucesivas, cada una de las cuales puede contener un número máximo de electrones (2, 8, 18, 32, 50, 72 electrones según la capa). La capa de valencia es la capa más externa, la más alejada del núcleo. Los electrones en esta capa están menos fuertemente unidos al núcleo por atracción electrostática que los de las capas internas. En consecuencia, solo se necesita una pequeña cantidad de energía para desprenderlos del átomo o moverlos de un átomo a otro.
El cobre tiene 29 protones y, por lo tanto, 29 electrones, distribuidos de la siguiente manera: 2 electrones en la primera capa, 8 en la segunda, 18 en la tercera, lo que suma 28 electrones fuertemente unidos al núcleo. El 29º electrón está solo en la cuarta capa, mucho más lejos del núcleo y, por lo tanto, débilmente unido. Son los electrones ubicados en la capa externa (capa de valencia) los que se convierten en electrones libres, por lo tanto, fácilmente móviles.
En un metal, los electrones de valencia ya están libres a temperatura ambiente. Se mueven de manera aleatoria y desordenada en toda la estructura metálica (movimiento browniano). Su velocidad térmica es muy alta (~10⁶ m/s), pero sin una dirección preferida, por lo que la velocidad media de desplazamiento neto es cero. Por lo tanto, no hay corriente eléctrica porque los movimientos se anulan estadísticamente.
N.B.: La diferencia de potencial (voltaje) no libera los electrones (ya lo están), sino que les impone una dirección preferencial.
| Año | Científico | Modelo propuesto | Aportes y límites |
|---|---|---|---|
| 1900 | Paul Drude | Modelo clásico del electrón libre Los electrones de valencia se mueven libremente como un gas de partículas clásicas en el metal | Aportes: Explica la ley de Ohm y la conductividad eléctrica Límites: Predice incorrectamente el calor específico de los metales y no explica la variación de la conductividad con la temperatura |
| 1927 | Arnold Sommerfeld | Modelo cuántico del electrón libre Aplica la estadística cuántica de Fermi-Dirac al gas de electrones libres | Aportes: Corrige el problema del calor específico, explica por qué solo algunos electrones participan en las propiedades térmicas Límites: Aún ignora la estructura periódica de la red cristalina |
| 1928 | Felix Bloch | Teoría de bandas Los electrones se mueven en el potencial periódico creado por los átomos de la red cristalina, lo que representa el efecto medio de la fuerza electrostática ejercida por los iones sobre los electrones | Aportes: Explica la diferencia entre conductores, semiconductores y aislantes a través de las bandas de energía permitidas y prohibidas Nota: Modelo actual utilizado en física del estado sólido |
Paul Karl Ludwig Drude (1863-1906) imaginó los electrones libres como pequeñas bolas sólidas que se mueven a través del metal como moléculas de gas. Estas "bolas electrónicas" rebotan en los átomos de la red metálica, algo así como bolas de billar en una mesa con obstáculos fijos.
Imagen mental: Una nube de pequeñas bolas volando en todas direcciones dentro del metal, chocando con los átomos y entre sí, exactamente como las moléculas de un gas encerrado en una botella.
Lo que explica este modelo: La ley de Ohm y la conductividad eléctrica básica. Cuando se aplica un campo eléctrico, las bolas derivan suavemente en una dirección preferida mientras continúan su movimiento desordenado.
Problema: Si los electrones se comportaran como bolas clásicas, los metales deberían absorber mucho más calor de lo que realmente hacen. El modelo también predice mal cómo varía la resistencia eléctrica con la temperatura.
Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld (1868-1951) abandonó la imagen de las bolas clásicas y aplicó la mecánica cuántica al gas de electrones. Los electrones ya no son simples bolas: obedecen al principio de exclusión de Pauli, que establece que dos electrones no pueden ocupar exactamente el mismo estado cuántico.
Imagen mental: Imagina una pirámide humana gigante donde cada persona representa un electrón y ocupa una posición única (principio de Pauli). Los niveles inferiores están completamente llenos y fijos: es imposible que estas personas se muevan sin desestabilizar toda la estructura. Solo las personas en los niveles superiores, cerca de la cima (la energía de Fermi), tienen la libertad de movimiento necesaria para cambiar de posición. A temperatura ambiente, aproximadamente el 99% de los electrones están "bloqueados" en los niveles inferiores, y solo el 1% superior puede participar realmente en los fenómenos térmicos y eléctricos.
Lo que explica este modelo: Por qué el calor específico de los metales es tan bajo a pesar de contener miles de millones de electrones libres. Solo una pequeña fracción de los electrones (alrededor del 1% a temperatura ambiente) puede absorber energía térmica. El modelo también explica mejor la conductividad térmica y eléctrica.
Problema: Este modelo aún trata el metal como un espacio vacío donde los electrones se mueven libremente, ignorando por completo la presencia ordenada y periódica de los átomos en la red cristalina.
Felix Bloch (1905-1983) revolucionó la visión clásica al considerar que los electrones no se mueven en el espacio vacío, sino en el potencial periódico creado por los átomos de la red cristalina. Cada electrón "nada" por lo tanto en un campo electrostático organizado, lo que cambia profundamente sus propiedades de desplazamiento y energía.
Imagen mental: Imagina un mar ondulante en el que nadan peces (electrones). Las olas regulares representan el potencial periódico de los átomos. Los peces no pueden moverse de cualquier manera: deben seguir las estructuras ondulatorias del mar, algunas áreas están prohibidas, otras favorecen la circulación. Esta imagen ilustra la formación de bandas de energía permitidas y prohibidas en el metal.
Lo que explica este modelo: La conducción eléctrica y la estructura electrónica de los sólidos, incluyendo la existencia de bandas de conducción y bandas prohibidas. Da cuenta de muchos fenómenos entrelazados con la mecánica cuántica, como las propiedades de los semiconductores y el aislamiento de los materiales.
Problema: El modelo es complejo de tratar analíticamente y a menudo requiere aproximaciones o cálculos numéricos. Sigue siendo teórico y abstracto para visualizar directamente el comportamiento individual de los electrones.
El electrón libre resulta ser una entidad cuántica deslocalizada, como una nota musical que llena toda la sala de conciertos, presente en todas partes simultáneamente. Su comportamiento está completamente gobernado por el orden periódico de la red cristalina, donde los átomos se apilan de manera idéntica en las tres dimensiones del espacio.
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