最終更新日：2025年12月3日

自由電子：衝突する玉から踊る波へ

なぜ自由電子は自由なのか？

電子殻

原子の電子は、連続した電子殻に分布しており、各殻は最大数の電子を含むことができます（2、8、18、32、50、72電子、殻によって異なります）。 価電子殻は最も外側の殻で、原子核から最も遠い位置にあります。この殻にある電子は、内側の殻の電子よりも静電気的引力によって原子核に弱く結びついています。その結果、これらの電子を原子から引き離したり、原子から原子へ移動させるためには、わずかなエネルギーしか必要としません。

銅（Cu）の例

銅は29個の陽子を持ち、したがって29個の電子を持ち、次のように分布しています：第1殻に2個、第2殻に8個、第3殻に18個、合計28個の電子が原子核に強く結びついています。 29番目の電子は第4殻に単独で存在し、原子核から遠く離れているため、弱く結びついています。外側の殻（価電子殻）にある電子が自由電子となり、容易に移動できるようになります。

自由電子は方向性のある運動をする電子ではない

金属中では、価電子は室温で既に自由です。それらは金属構造全体をランダムかつ無秩序に移動します（ブラウン運動）。熱速度は非常に高い（〜10⁶ m/s）ですが、優先方向がないため、正味の移動速度の平均はゼロです。そのため、統計的に運動が打ち消し合うため、電流は流れません。

N.B.： 電位差（電圧）は電子を自由にしません（既に自由です）、優先方向を与えます。

自由電子の理解の歴史的進化

金属中の自由電子理論における3つの主要なステップ
年	科学者	提案されたモデル	貢献と限界
1900	パウル・ドルーデ	古典的自由電子モデル価電子は金属中で古典的な粒子のガスのように自由に移動する	貢献：オームの法則と電気伝導性を説明限界：金属の比熱を誤って予測し、温度による伝導性の変化を説明できない
1927	アルノルト・ゾンマーフェルト	量子的自由電子モデルフェルミ・ディラックの量子統計を自由電子ガスに適用	貢献：比熱の問題を修正し、なぜ一部の電子のみが熱的性質に関与するかを説明限界：結晶格子の周期的構造を無視
1928	フェリックス・ブロッホ	バンド理論電子は結晶格子の原子によって作られる周期的ポテンシャル内を移動し、イオンが電子に及ぼす静電気力の平均効果を表す	貢献：許容バンドと禁制バンドによる導体、半導体、絶縁体の違いを説明注記：現在の固体物理学で使用されているモデル

ドルーデモデル（1900年）：電子をビリヤードの玉のように

パウル・カール・ルートヴィヒ・ドルーデ（1863-1906）は、自由電子を小さな固体の玉のように想像しました。これらは金属中をガス分子のように移動し、金属格子の原子に衝突します。ビリヤードの玉が障害物のあるテーブル上を転がるようなものです。

メンタルイメージ：金属内部であらゆる方向に飛び回る小さな玉の雲。原子や互いに衝突し、瓶の中のガス分子のように振る舞います。

このモデルが説明すること：オームの法則と基本的な電気伝導性。電場をかけると、玉は乱れた運動を続けながら、優先方向にゆっくりと移動します。

問題点：電子が古典的な玉のように振る舞うならば、金属は実際よりもはるかに多くの熱を吸収するはずです。また、このモデルは電気抵抗の温度変化を正しく予測できません。

ゾンマーフェルトモデル（1927年）：電子が量子波粒子になる

アルノルト・ヨハネス・ヴィルヘルム・ゾンマーフェルト（1868-1951）は、古典的な玉のイメージを捨て、電子ガスに量子力学を適用しました。電子はもはや単純な玉ではありません：パウリの排他原理に従い、2つの電子が同じ量子状態を占めることはできません。

メンタルイメージ：巨大な人間ピラミッドを想像してください。各人は電子を表し、ユニークな位置（パウリの原理）を占めています。下位のレベルは完全に埋まって固定されており、これらの人は動くことができません。上位のレベルにいる人々（フェルミエネルギー近く）のみが、位置を変えるための移動の自由を持っています。室温では、約99%の電子が下位のレベルに「ロック」されており、上位1%のみが熱的および電気的現象に実際に参加できます。

このモデルが説明すること：金属の比熱が非常に低い理由。数十億の自由電子を含んでいるにもかかわらず、わずか1%（室温）の電子のみが熱エネルギーを吸収できます。このモデルは熱伝導性と電気伝導性もよりよく説明します。

問題点：このモデルはまだ金属を空の空間として扱っており、電子が自由に移動し、結晶格子の原子の周期的な存在を完全に無視しています。

ブロッホモデル（1928年）：結晶格子内の電子

フェリックス・ブロッホ（1905-1983）は、電子が空の空間ではなく、結晶格子の原子によって作られる周期的ポテンシャル内を移動すると考え、古典的な視点を革命的に変えました。各電子は組織化された静電場内を「泳ぎ」、移動とエネルギーの特性を根本的に変化させます。

メンタルイメージ：波立つ海を想像してください。その中を魚（電子）が泳いでいます。規則的な波は原子の周期的ポテンシャルを表します。魚は自由に動くことができません：海の波の構造に従わなければならず、一部のゾーンは禁止され、他のゾーンは循環に適しています。このイメージは、金属内の許容バンドと禁制バンドの形成を示しています。

このモデルが説明すること：電気伝導と固体の電子構造、伝導バンドと禁制バンドの存在を含みます。半導体の特性や材料の絶縁など、量子力学と絡み合った多くの現象を説明します。

問題点：このモデルは解析的に扱うのが複雑で、しばしば近似や数値計算を必要とします。電子の個々の振る舞いを直接視覚化するには、理論的で抽象的なままです。