물리학에서 자유 전자는 다음을 가리킬 수 있습니다.
- 자유 입자로서의 전자
- 용매화된 전자
- 전하 운반체, 전하 운반체로서
- 원자와 관련된 외피 전자로서의 원자가 전자
- 원자가 및 전도대, 고체의 전자 띠 구조에 상대적인 전도대 전자로서
- 페르미 가스, 상호 작용하지 않는 전자 가스의 입자
- 금속의 Drude-Sommerfeld 모델의 입자로서의 자유 전자 모델
- 전자빔의 입자로서의 자유 전자 레이저
1. 자유입자로서의 전자
물리학에서 자유 입자는 어떤 의미에서 외력에 의해 구속되지 않거나 위치 에너지가 변하는 영역에 있지 않은 입자입니다. 고전 물리학에서 이것은 입자가 "필드가 없는" 공간에 존재한다는 것을 의미합니다. 양자 역학에서 이는 입자가 균일한 잠재력의 영역에 있음을 의미하며, 전위는 공간의 어느 지점에서나 임의로 0으로 설정될 수 있기 때문에 일반적으로 관심 영역에서 0으로 설정됩니다.
고전적 자유 입자
양자자유입자
측정 및 계산
2. 용매화된 전자
용매화된 전자는 용액 안의 자유 전자(용매화)이며 가능한 가장 작은 음이온입니다. 용매화된 전자는 광범위하게 발생합니다. [1] 종종 용매화된 전자에 대한 논의는 며칠 동안 안정적인 암모니아의 용액에 초점을 맞추지만 용매화된 전자는 물과 기타 용매에서도 발생합니다. 용매화된 전자는 많은 방사선 화학을 담당합니다.
암모니아 용액
용매화된 전자는 알칼리 금속과 물의 반응에 관여하지만, 용매화된 전자는 잠깐 동안만 존재합니다. [9] pH = 9.6 이하에서 수화 된 전자는 원자 수소를 제공하는 히드로 늄 이온과 반응하여 수산화물 이온과 일반적인 분자 수소 H2를 제공하는 수화 된 전자와 반응 할 수 있습니다.
금속 전기 용액의 색상 관찰은 일반적으로 Humphry Davy에 기인합니다. 1807-1809 년에 그는 기체 암모니아에 칼륨 알갱이를 첨가하는 것을 조사했습니다 (암모니아의 액화는 1823 년에 발명되었습니다). [18] James Ballantyne Hannay와 J. Hogarth는 1879-1880년에 나트륨 실험을 반복했습니다. [19] 1864년 W. Weyl과 1871년 C. A. Seely는 액체 암모니아를 사용한 반면 1897년 Hamilton Cady는 암모니아의 이온화 특성을 물의 이온화 특성과 관련시켰습니다. [20][21][22] Charles A. Kraus는 금속 암모니아 용액의 전기 전도도를 측정하고 1907년에 금속에서 방출된 전자에 기인했습니다. [23][24] 1918년 G. E. Gibson과 W. L. Argo는 용매 전자 개념을 도입했습니다. [25] 그들은 흡수 스펙트럼을 기반으로 다른 금속과 다른 용매(메틸아민, 에틸아민)가 일반적인 종인 용매화된 전자에 기인하는 동일한 파란색을 생성한다는 점에 주목했습니다. 1970년대에는 음이온으로 전자를 포함하는 고체 염이 특성화되었습니다.
3. 전하 운반체
물리학에서 전하 운반체는 자유롭게 움직일 수 있는 입자 또는 준입자로 전하를 운반하며, 특히 전기 전도체에서 전하를 운반하는 입자입니다. [1] 전자, 이온 및 정공을 예로 들 수 있습니다. 이 용어는 고체 물리학에서 가장 일반적으로 사용됩니다. [2] 전도성 매질에서 전기장은 이러한 자유 입자에 힘을 가하여 매질을 통해 입자의 순 운동을 일으킬 수 있습니다. 이것이 전류를 구성하는 것입니다. [3] 전자와 양성자는 각각 같은 크기와 반대 부호의 하나의 기본 전하(e)를 운반하는 기본 전하 운반체입니다
지휘자
전도성 매체에서 입자는 전하를 운반하는 역할을 합니다.
- 많은 금속에서 전하 운반체는 전자입니다. 각 원자에서 나오는 원자가 전자 중 하나 또는 두 개는 금속의 결정 구조 내에서 자유롭게 움직일 수 있습니다. [4] 자유 전자를 전도 전자라고 하고 자유 전자 구름을 페르미 가스라고 합니다. [5][6] 많은 금속에는 전자와 정공 밴드가 있습니다. 일부에서는 대부분의 캐리어가 구멍입니다. [ 인용 필요 ]
- 바닷물과 같은 전해질에서 전하 운반체는 이온이며,[6] 전자를 얻거나 잃어 전기적으로 전하를 띠는 원자 또는 분자입니다. 전자를 얻어 음전하를 띤 원자를 음이온이라고 하고, 전자를 잃어 양전하를 띤 원자를 양이온이라고 합니다. [7] 해리된 액체의 양이온과 음이온은 용융된 이온 고체의 전하 운반체 역할도 합니다(예: 용융된 이온 고체의 전기 분해의 예는 Hall-Héroult 공정 참조). 양성자 도체는 양수소 이온을 운반체로 사용하는 전해 전도체입니다. [8]
- 플라즈마에서는 공기, 네온사인, 태양과 별을 통해 전기 아크에서 발견되는 전하를 띤 가스로, 이온화된 가스의 전자와 양이온이 전하 운반체 역할을 합니다. [9]
- 진공 상태에서 자유 전자는 전하 운반체 역할을 할 수 있습니다. 진공관(밸브라고도 함)으로 알려진 전자 부품에서 이동 전자 구름은 열이온 방출이라는 과정에 의해 가열된 금속 음극에 의해 생성됩니다. [10] 전자를 빔으로 끌어당길 정도로 강한 전기장이 가해지면 음극선이라고 할 수 있으며, 2000년대까지 텔레비전과 컴퓨터 모니터에 널리 사용되는 음극선관 디스플레이의 기초가 되었다.[11]
- 트랜지스터 및 집적 회로와 같은 전자 부품을 만드는 데 사용되는 재료인 반도체에서는 두 가지 유형의 전하 캐리어가 가능합니다. p형 반도체에서 양전하를 띤 전자 정공으로 알려진 "유효 입자"는 결정 격자를 통해 이동하여 전류를 생성합니다. "정공"은 사실상 반도체의 원자가 대역 전자 집단의 전자 공극이며 원자 부위에서 원자 부위로 이동하는 이동성이 있기 때문에 전하 운반체로 취급됩니다. n형 반도체에서는 전도대의 전자가 결정을 통해 이동하여 전류가 발생합니다.
이온 용액 및 플라즈마와 같은 일부 도체에서는 양전하 및 음전하 캐리어가 공존하므로 이러한 경우 전류는 반대 방향으로 움직이는 두 가지 유형의 캐리어로 구성됩니다. 금속과 같은 다른 도체에는 한 극성의 전하 캐리어만 있으므로 그 안의 전류는 단순히 한 방향으로 움직이는 전하 캐리어로 구성됩니다.
반도체
반도체에는 두 가지 유형의 전하 운반체가 있습니다. 하나는 음전하를 띠는 전자입니다. 또한, 원자가 대역 전자 집단 (정공)의 이동 공극을 전자와 동일한 크기의 양전하를 운반하는 두 번째 유형의 전하 운반체로 취급하는 것이 편리합니다.
전자가 정공과 만나면 재결합하고 이러한 자유 운반체는 효과적으로 사라집니다. [13] 방출되는 에너지는 열적이어서 반도체를 가열하거나(열 재결합, 반도체의 폐열 발생원 중 하나) 광자(광학 재결합, LED 및 반도체 레이저에 사용됨)로 방출될 수 있습니다. [14] 재결합은 가전자대에서 전도대까지 여기된 전자가 정공으로 알려진 가전자대의 빈 상태로 떨어지는 것을 의미합니다. 정공은 전자가 에너지 갭을 통과하기 위해 약간의 에너지를 얻은 후 여기될 때 가전자대에 생성되는 빈 상태입니다.
더 풍부한 전하 운반체는 주로 반도체의 전류 수송을 담당하는 다수 운반체라고 합니다. n형 반도체에서는 전자이고 p형 반도체에서는 정공입니다. 덜 풍부한 전하 운반체는 소수 운반체라고 불립니다. N형 반도체에서는 정공이고 P형 반도체에서는 전자입니다. [15]
불순물이 포함되지 않은 진성 반도체에서는 두 유형의 캐리어의 농도가 이상적으로 동일합니다. 고유 반도체가 공여체 불순물로 도핑되면 대부분의 캐리어는 전자입니다. 반도체가 수용체 불순물로 도핑되면 대부분의 캐리어는 구멍입니다. [16]
소수 캐리어는 바이폴라 트랜지스터 및 태양 전지에서 중요한 역할을 합니다. [17] 전계 효과 트랜지스터(FET)에서의 역할은 조금 더 복잡합니다: 예를 들어, MOSFET에는 p형 및 n형 영역이 있습니다. 트랜지스터 동작은 소스 및 드레인 영역의 대다수 캐리어를 포함하지만 이러한 캐리어는 반대 유형의 본체를 가로지르며 여기서 소수 캐리어입니다. 그러나 통과 캐리어는 전송 영역에서 반대 유형보다 훨씬 많기 때문에(실제로 반대 유형의 캐리어는 역전층을 생성하는 인가된 전기장에 의해 제거됨) 일반적으로 캐리어에 대한 소스 및 드레인 지정이 채택되고 FET를 "다수 캐리어" 장치라고 합니다.
자유 캐리어 농도는 도핑된 반도체에서 자유 캐리어의 농도입니다. 이는 금속의 캐리어 농도와 유사하며 전류 또는 드리프트 속도를 계산하기 위해 동일한 방식으로 사용할 수 있습니다. 자유 캐리어는 도핑에 의해 전도대(가전자대)에 도입된 전자(정공)입니다. 따라서 그들은 다른 대역에 정공(전자)을 남겨 이중 캐리어 역할을 하지 않습니다. 즉, 전하 운반체는 전하를 운반하여 자유롭게 움직일 수 있는 입자입니다. 도핑된 반도체의 자유 캐리어 농도는 특징적인 온도 의존성을 보여줍니다
4. 원자가 전자
화학 및 물리학에서 원자가 전자는 원자의 가장 바깥 쪽 껍질에있는 전자이며 가장 바깥 쪽 껍질이 닫히지 않으면 화학 결합 형성에 참여할 수 있습니다. 단일 공유 결합에서 공유 쌍은 결합의 두 원자가 각각 하나의 원자가 전자에 기여하는 두 원자로 형성됩니다.
원자가 전자의 존재는 원자가와 같은 원소의 화학적 특성, 즉 다른 원소와 결합할 수 있는지 여부, 결합할 수 있는 경우 얼마나 쉽게 그리고 얼마나 많은 원소와 결합할 수 있는지 여부를 결정할 수 있습니다. 이러한 방식으로 주어진 요소의 반응성은 전자 구성에 크게 의존합니다. 주족 원소의 경우 원자가 전자는 가장 바깥쪽 전자 껍질에만 존재할 수 있습니다. 전이 금속의 경우 원자가 전자는 내부 껍질에있을 수도 있습니다.
원자가 전자의 닫힌 껍질을 가진 원자 (비활성 기체 구성에 해당)는 화학적으로 불활성인 경향이 있습니다. 닫힌 껍질보다 하나 또는 두 개의 원자가 전자가 더 많은 원자는 양이온을 형성하기 위해 여분의 원자가 전자를 제거하는 상대적으로 낮은 에너지로 인해 반응성이 높습니다. 닫힌 껍질보다 하나 또는 두 개의 전자가 적은 원자는 누락 된 원자가 전자를 얻고 음이온을 형성하거나 원자가 전자를 공유하고 공유 결합을 형성하는 경향으로 인해 반응합니다.
코어 전자와 유사하게 원자가 전자는 광자의 형태로 에너지를 흡수하거나 방출하는 능력이 있습니다. 에너지 이득은 전자가 외부 껍질로 이동(점프)하도록 트리거할 수 있습니다. 이를 원자 여기(atomic excitation)라고 합니다. 또는 전자는 관련된 원자의 껍질에서 벗어날 수도 있습니다. 이것은 양이온을 형성하는 이온화입니다. 전자가 에너지를 잃으면(그로 인해 광자가 방출됨) 완전히 점유되지 않은 내부 껍질로 이동할 수 있습니다.
원자가(원자가 화학적으로 반응하는 방식)를 결정하는 전자는 에너지가 가장 높은 전자입니다.
주족 원소의 경우 원자가 전자는 가장 높은 주 양자 수 n의 전자 껍질에 있는 전자로 정의됩니다. [1] 따라서 가질 수 있는 원자가 전자의 수는 간단한 방법으로 전자 구성에 따라 달라집니다. 예를 들어, 인 (P)의 전자 구성은 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p 3 이므로 분자 PF 5에서와 같이 P의 최대 원자가 3에 해당하는2 개의 원자가 전자 (3s 3 5p5)가 있습니다. 이 구성은 일반적으로 [Ne] 3s2 3p3로 축약되며, 여기서 [Ne]는 비활성 기체 네온의 구성과 동일한 구성을 가진 코어 전자를 의미합니다.
그러나 전이 요소는 ns 수준과 에너지가 매우 가까운 (n−1) d 에너지 수준을 갖습니다. [2] 따라서 주족 원소와 달리 전이 금속의 원자가 전자는 비활성 기체 코어 외부에 있는 전자로 정의됩니다. [3] 따라서 일반적으로 전이 금속의 d 전자는 가장 바깥쪽 껍질에 있지 않지만 원자가 전자로 행동합니다. 예를 들어, 망간(Mn)은 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p6 4s 2 3d5; 이것은 [Ar] 4s2 3d5로 축약되며, 여기서 [Ar]은 비활성 기체 아르곤과 동일한 코어 구성을 나타냅니다. 이 원자에서 3d 전자는 4s 전자와 유사한 에너지를 가지며 3s 또는 3p 전자보다 훨씬 높습니다. 사실상, 아르곤과 같은 핵 외부에는 4 개의 원자가 전자 (2s3 5d7)가있을 수 있습니다. 이것은 망간이 +<>(과망간산염 이온에서: 엠노(MnO)−
4). (그러나 단순히 그 수의 원자가 전자를 갖는다고해서 해당 산화 상태가 존재한다는 것을 의미하지는 않습니다. 예를 들어 불소는 산화 상태 +7에서 알려져 있지 않습니다.)
각 전이 금속 계열에서 오른쪽이 멀어질수록 d 서브쉘에서 전자의 에너지가 낮아지고 이러한 전자가 원자가 특성을 덜 갖습니다. 따라서 니켈 원자는 원칙적으로 4개의 원자가 전자(2s3 8d3)를 갖지만 산화 상태는 4를 초과하지 않습니다. 아연의 경우, 2d 서브쉘은 알려진 모든 화합물에서 완전하지만 일부 화합물에서는 원자가 밴드에 기여합니다. [<>] 내부 전이 금속의 (n−<>)f 에너지 준위에도 유사한 패턴이 적용됩니다.
d 전자 수는 전이 금속의 화학적 성질을 이해하기 위한 대체 도구입니다.
원자가 전자의 수
원소의 원자가 전자의 수는 원소가 분류되는 주기율표 그룹(수직 열)에 의해 결정될 수 있습니다. 그룹 1-12에서 그룹 번호는 원자가 전자의 수와 일치합니다. 그룹 13-18에서 그룹 번호의 단위 숫자는 원자가 전자의 수와 일치합니다. (헬륨은 유일한 예외입니다.)
헬륨은 예외입니다 : 1 개의 원자가 전자가있는 2s 2 구성을 가지고 있음에도 불구하고 ns18 원자가 구성을 가진 알칼리 토금속과 유사성이 있음에도 불구하고 껍질이 완전히 가득 차 있으므로 화학적으로 매우 불활성이며 일반적으로 다른 희가스와 함께 <> 족에 배치됩니다.
화학 반응
원자의 원자가 전자의 수는 결합 거동을 제어합니다. 따라서 원자가 전자의 수가 같은 원소는 특히 동일한 유형의 원자가 궤도를 갖는 경우 원소 주기율표에서 함께 그룹화되는 경우가 많습니다. [10]
가장 반응성이 높은 종류의 금속 원소는 1족의 알칼리 금속(예: 나트륨 또는 칼륨)입니다. 이것은 그러한 원자가 전자가 하나만 있기 때문입니다. 필요한 이온화 에너지를 제공하는 이온 결합이 형성되는 동안 이 원자가 전자는 닫힌 껍질(예: Na+ 또는 K+)을 가진 양이온(양이온)을 형성하기 위해 쉽게 손실됩니다. 2족의 알칼리 토금속(예: 마그네슘)은 각 원자가 닫힌 껍질(예: Mg2+)을 가진 양이온을 형성하기 위해 두 개의 원자가 전자를 손실해야 하기 때문에 반응성이 다소 낮습니다. [ 인용 필요 ]
금속의 각 그룹(각 주기율표 열) 내에서 반응성은 표의 각 아래쪽 행(가벼운 원소에서 더 무거운 원소로)에 따라 증가하는데, 이는 무거운 원소가 가벼운 원소보다 더 많은 전자 껍질을 가지고 있기 때문입니다. 더 무거운 원소의 원자가 전자는 더 높은 주 양자 수에 존재합니다(원자핵에서 더 멀리 떨어져 있으므로 더 높은 위치 에너지에 있으므로 덜 단단히 결합되어 있음을 의미함). [ 인용 필요 ]
비금속 원자는 완전한 원자가 껍질을 얻기 위해 추가 원자가 전자를 끌어당기는 경향이 있습니다. 이것은 두 가지 방법 중 하나로 달성 할 수 있습니다 : 원자는 이웃 원자와 전자를 공유하거나 (공유 결합) 다른 원자에서 전자를 제거 할 수 있습니다 (이온 결합). 가장 반응성이 높은 종류의 비금속 원소는 할로겐(예: 불소(F) 또는 염소(Cl))입니다. 이러한 원자는 다음과 같은 전자 구성을 갖는다 : s2p5; 이것은 닫힌 껍질을 형성하기 위해 하나의 추가 원자가 전자만 필요합니다. 이온 결합을 형성하기 위해 할로겐 원자는 음이온(예: F-, Cl-) 등을 형성하기 위해 다른 원자에서 전자를 제거할 수 있습니다. 공유 결합을 형성하기 위해 할로겐의 전자 하나와 다른 원자의 전자 하나가 공유 쌍을 형성합니다(예: 분자 H-F에서 선은 H와 F에서 하나가 공유된 원자가 전자 쌍을 나타냄). [ 인용 필요 ]
각 비금속 그룹 내에서 원자가 전자가 점진적으로 더 높은 에너지에 있기 때문에 주기율표의 각 하위 행(가벼운 원소에서 무거운 원소로)에 따라 반응성이 감소합니다. 사실, 산소(16족에서 가장 가벼운 원소)는 할로겐이 아니더라도 불소 다음으로 반응성이 가장 높은 비금속인데, 이는 더 무거운 할로겐의 원자가 껍질이 더 높은 주 양자 수에 있기 때문입니다.
옥텟 규칙을 따르는 이러한 간단한 경우, 원자가의 원자가는 안정적인 옥텟을 형성하기 위해 획득, 손실 또는 공유되는 전자의 수와 같습니다. 그러나 예외적이고 원자가가 덜 명확하게 정의되는 분자도 많이 있습니다.
전기 전도도
원자가 전자는 또한 순수한 화학 원소의 결합과 전기 전도도가 금속, 반도체 또는 절연체의 특성인지 여부를 담당합니다.
금속 원소는 일반적으로 고체 상태일 때 높은 전기 전도성을 갖습니다. 주기율표의 각 행에서 금속은 비금속의 왼쪽에서 발생하므로 금속은 비금속보다 가능한 원자가 전자가 적습니다. 그러나 금속 원자의 원자가 전자는 작은 이온화 에너지를 가지며 고체 상태에서이 원자가 전자는 근처의 다른 원자와 결합하기 위해 한 원자를 떠나는 것이 상대적으로 자유롭습니다. 이 상황은 금속 결합을 특징으로합니다. 이러한 "자유로운"전자는 전기장의 영향으로 움직일 수 있으며 그 운동은 전류를 구성합니다. 금속의 전기 전도성을 담당합니다. 구리, 알루미늄, 은 및 금은 좋은 전도체의 예입니다.
비금속 원소는 전기 전도성이 낮습니다. 절연체 역할을 합니다. 이러한 원소는 주기율표의 오른쪽에서 발견되며 적어도 절반이 채워진 원자가 껍질을 가지고 있습니다 (예외는 붕소입니다). 이온화 에너지가 큽니다. 전자는 전기장이 가해지면 원자를 쉽게 떠날 수 없으므로 그러한 원소는 매우 작은 전류만 전도할 수 있습니다. 고체 원소 절연체의 예로는 다이아몬드(탄소 동소체)와 황이 있습니다. 이들은 공유 결합 구조를 형성하며, 전체 구조에 걸쳐 확장되는 공유 결합(예: 다이아몬드) 또는 분자 간 힘에 의해 서로 약하게 끌어당기는 개별 공유 분자(예: 황)가 있습니다. (희가스는 단일 원자로 남아 있지만, 그들은 또한 그룹이 내려갈수록 더 강해지는 분자 간 인력을 경험합니다. 라돈은 -61.7 °C에서 끓습니다.)
금속을 포함하는 고체 화합물은 금속 원자의 원자가 전자가 이온 결합을 형성하는 데 사용되는 경우 절연체가 될 수도 있습니다. 예를 들어, 원소 나트륨 은 금속이지만 고체 염화나트륨은 나트륨의 원자가 전자가 염소로 전달되어 이온 결합을 형성하여 전자가 쉽게 이동할 수 없기 때문에 절연체입니다.
반도체는 금속과 비금속의 중간 전기 전도성을 가지고 있습니다. 반도체는 또한 반도체의 전도도가 온도에 따라 증가한다는 점에서 금속과 다릅니다. 전형적인 원소 반도체는 실리콘과 게르마늄이며, 각 원자에는 4개의 원자가 전자가 있습니다. 반도체의 특성은 가전자대(절대 영도에서 원자가 전자를 포함함)와 전도대(원자가 전자가 열 에너지에 의해 여기됨) 사이의 작은 에너지 갭의 결과로 띠 이론을 사용하여 가장 잘 설명됩니다.
5. 원자가 및 전도대
고체 물리학에서 가전자대와 전도대는 페르미 준위에 가장 가까운 띠이므로 고체의 전기 전도도를 결정합니다. 비금속에서 원자가 밴드는 절대 영도에서 전자가 일반적으로 존재하는 가장 높은 범위의 전자 에너지이고 전도대는 빈 전자 상태의 가장 낮은 범위입니다. 반도체 물질의 전자 밴드 구조 그래프에서 가전자대는 페르미 준위 아래에 위치하고 전도대는 그 위에 위치합니다.
원자가와 전도대 사이의 구별은 금속에서 의미가 없는데, 전도는 원자가대와 전도대 모두의 특성을 취하는 하나 이상의 부분적으로 채워진 띠에서 발생하기 때문입니다.
반도체와 절연체에서 두 대역은 밴드 갭으로 분리되는 반면 도체에서는 대역이 겹칩니다. 밴드 갭은 에너지의 양자화로 인해 전자 상태가 존재할 수 없는 고체의 에너지 범위입니다. 밴드의 개념 내에서 가전자대와 전도대 사이의 에너지 갭은 밴드 갭입니다. [1] 비금속의 전기 전도도는 가전자대에서 전도대까지 여기되는 전자의 민감도에 의해 결정됩니다.
전기 전도도
고체에서 전하 운반체 역할을 하는 전자의 능력은 빈 전자 상태의 가용성에 따라 달라집니다. 이를 통해 전기장이 가해질 때 전자가 에너지를 증가(즉, 가속)할 수 있습니다. 유사하게, 거의 채워진 원자가 대역의 구멍(빈 상태)도 전도성을 허용합니다.
따라서 고체의 전기 전도도는 원자가에서 전도대로 전자를 흐르게 하는 능력에 따라 달라집니다. 따라서 중첩 영역이 있는 반금속의 경우 전기 전도도가 높습니다. 작은 밴드 갭(E, g)이 있는 경우 원자가에서 전도대로의 전자 흐름은 외부 에너지(열 등)가 공급되는 경우에만 가능합니다. 작은 Eg를 가진 이 그룹을 반도체에게 불린다. Eg가 충분히 높으면 원자가에서 전도대로의 전자 흐름은 정상적인 조건에서 무시할 수 있습니다. 이러한 그룹을 절연체라고 합니다.
그러나 반도체에는 약간의 전도성이 있습니다. 이것은 열 여기 때문인데, 일부 전자는 밴드 갭을 한 번에 뛰어넘을 수 있는 충분한 에너지를 얻습니다. 일단 전도대에 들어가면 가전자대에 남겨둔 구멍과 마찬가지로 전기를 전도할 수 있습니다. 정공은 원자가대의 전자가 어느 정도의 자유도를 가질 수 있도록 하는 빈 상태입니다.
6. 페르미 가스, 상호 작용하지 않는 전자 가스의 입자
페르미 가스는 이상화된 모델로, 상호작용하지 않는 많은 페르미온의 앙상블입니다. 페르미온은 전자, 양성자, 중성자와 같이 페르미-디랙 통계를 따르는 입자이며 일반적으로 반 정수 스핀을 가진 입자입니다. 이 통계는 열 평형 상태에서 페르미 가스에서 페르미온의 에너지 분포를 결정하며 수 밀도, 온도 및 사용 가능한 에너지 상태 집합으로 특징 지어집니다. 이 모델은 이탈리아 물리학자 엔리코 페르미(Enrico Fermi)의 이름을 따서 명명되었습니다. [1][2]
이 물리적 모델은 페르미온이 많은 특정 시스템에 유용합니다. 몇 가지 주요 예로는 금속의 전하 운반체, 원자핵의 핵자, 중성자별의 중성자, 백색 왜성의 전자의 거동이 있습니다.
이상적인 페르미 가스 또는 유리 페르미 가스는 일정한 전위 우물에서 상호 작용하지 않는 페르미온의 집합을 가정하는 물리적 모델입니다. 페르미온은 반 정수 스핀을 갖는 기본 또는 복합 입자이므로 페르미-디랙 통계를 따릅니다. 정수 스핀 입자에 대한 등가 모델은 보스 가스(상호 작용하지 않는 보손의 앙상블)라고 합니다. 충분히 낮은 입자 수 밀도와 높은 온도에서 페르미 가스와 보스 가스는 모두 고전적인 이상 기체처럼 행동합니다. [3]
Pauli 배제 원리에 따라 동일한 양자 수 집합을 가진 둘 이상의 페르미온이 양자 상태를 차지할 수 없습니다. 따라서 상호 작용하지 않는 페르미 가스는 Bose 가스와 달리 에너지당 적은 수의 입자를 집중시킵니다. 따라서 페르미 가스는 보스-아인슈타인 응축수로 응축되는 것이 금지되어 있지만 약하게 상호 작용하는 페르미 가스는 쿠퍼 쌍과 응축수(BCS-BEC 교차 영역이라고도 함)를 형성할 수 있습니다. [4] 절대 영도에서 페르미 가스의 총 에너지는 파울리 원리가 페르미온을 분리하고 이동시키는 일종의 상호 작용 또는 압력을 의미하기 때문에 단일 입자 바닥 상태의 합보다 큽니다. 이러한 이유로 페르미 가스의 압력은 기존 이상 기체의 압력과 달리 <> 온도에서도 <>이 아닙니다. 예를 들어, 이른바 퇴화 압력은 중성자별(중성자의 페르미 기체)이나 백색왜성(전자의 페르미 기체)을 중력의 안쪽으로 끌어당기는 힘에 대항하여 안정화시키는데, 이 중력은 표면상으로는 별을 블랙홀로 붕괴시킬 것입니다. 별이 퇴화 압력을 극복할 수 있을 만큼 충분히 무거울 때에만 특이점으로 붕괴될 수 있다.
가스가 퇴화한 것으로 간주될 수 있는 페르미 온도를 정의할 수 있습니다(압력은 거의 독점적으로 Pauli 원리에서 파생됨). 이 온도는 페르미온의 질량과 에너지 상태의 밀도에 따라 달라집니다.
금속의 비편재화된 전자를 설명하기 위한 자유 전자 모델의 주요 가정은 페르미 가스에서 파생될 수 있습니다. 스크리닝 효과로 인해 상호 작용이 무시되기 때문에 이상적인 페르미 가스의 평형 특성과 역학을 처리하는 문제는 단일 독립 입자의 거동 연구로 축소됩니다. 이러한 시스템에서 페르미 온도는 일반적으로 수천 켈빈이므로 인간 응용 분야에서 전자 가스는 퇴화된 것으로 간주될 수 있습니다. 0 온도에서 페르미온의 최대 에너지를 페르미 에너지라고 합니다. 역수 공간의 페르미 에너지 표면은 페르미 표면으로 알려져 있습니다.
거의 자유 전자 모델은 페르미 가스 모델을 채택하여 금속과 반도체의 결정 구조를 고려하며, 여기서 결정 격자의 전자는 해당 결정 운동량을 가진 블로흐 전자로 대체됩니다. 따라서 주기적 시스템은 여전히 비교적 다루기 쉬우며 모델은 섭동 이론을 사용하는 것과 같이 상호 작용을 다루는 고급 이론의 출발점을 형성합니다.
7. 자유 전자 모델
고체 물리학에서 자유 전자 모델은 금속 고체에서 전하 운반체의 거동에 대한 양자 역학 모델입니다. 1927년에 개발되었으며,[1] 주로 Arnold Sommerfeld에 의해 개발되었으며, 그는 고전 Drude 모델과 양자 역학적 Fermi-Dirac 통계를 결합하여 Drude-Sommerfeld 모델이라고도 합니다.
그 단순성을 감안할 때, 그것은 많은 실험 현상을 설명하는 데 놀라울 정도로 성공적입니다.
- 전기 전도도와 열전도율을 관련시키는 Wiedemann-Franz 법칙;
- 전자 열용량의 온도 의존성;
- 상태의 전자 밀도의 모양;
- 결합 에너지 값의 범위;
- 전기 전도도;
- 열전 효과의 Seebeck 계수;
- 벌크 금속의 열 전자 방출 및 전계 전자 방출.
자유 전자 모델은 Drude 모델과 관련된 많은 불일치를 해결하고 금속의 다른 여러 특성에 대한 통찰력을 제공했습니다. 자유 전자 모델은 금속이 이온이 거의 역할을하지 않는 양자 전자 가스로 구성되어 있다고 가정합니다. 이 모델은 알칼리 및 귀금속에 적용할 때 매우 예측할 수 있습니다.
자유 전자 모델에서는 네 가지 주요 가정이 고려됩니다.
- 자유 전자 근사: 이온과 원자가 전자 사이의 상호 작용은 경계 조건을 제외하고는 대부분 무시됩니다. 이온은 금속의 전하 중성만 유지합니다. Drude 모델과 달리 이온이 반드시 충돌의 원인은 아닙니다.
- 독립 전자 근사: 전자 간의 상호 작용은 무시됩니다. 금속의 정전기장은 스크리닝 효과 때문에 약합니다.
- 완화 시간 근사: 전자의 충돌 확률이 완화 시간에 반비례하는 알려지지 않은 산란 메커니즘이 있습니다 �는 충돌 사이의 평균 시간을 나타냅니다. 충돌은 전자 구성에 의존하지 않습니다.
- Pauli 배제 원리: 시스템의 각 양자 상태는 단일 전자에 의해서만 점유될 수 있습니다. 사용 가능한 전자 상태의 이러한 제한은 페르미-디랙 통계에 의해 고려됩니다(페르미 가스 참조). 자유 전자 모델의 주요 예측은 페르미 준위 주변의 에너지에 대한 페르미-디랙 점유의 좀머펠트 확장에 의해 파생됩니다.
모델의 이름은 각 전자가 에너지와 운동량 사이의 각각의 2차 관계를 가진 자유 입자로 취급될 수 있기 때문에 처음 두 가지 가정에서 비롯됩니다.
결정 격자는 자유 전자 모델에서 명시 적으로 고려되지 않았지만 1928 년 후 (<>) 블로흐의 정리에 의해 양자 역학적 정당화가 주어졌습니다 : 결합되지 않은 전자는 전자 질량 m e가 m e에서 상당히 벗어날 수있는 유효 질량 m *이되는 것을 제외하고는 진공 상태에서 자유 전자로 주기적 전위로 움직입니다 (전자 정공에 의한 전도를 설명하기 위해 음의 유효 질량을 사용할 수도 있습니다.) 유효 질량은 원래 자유 전자 모델에서 고려되지 않은 밴드 구조 계산에서 파생될 수 있습니다.
8. 자유 전자 레이저
자유 전자 레이저(FEL)는 매우 밝고 짧은 방사선 펄스를 생성하는 (1세대) 광원입니다. FEL은 레이저와 같은 다양한 방식으로 기능하고 작동하지만 원자 또는 분자 여기의 유도 방출을 사용하는 대신 상대론적 전자를 이득 매개체로 사용합니다. [2][<>] 방사선은 자기 구조(언듈레이터 또는 위글러라고 함)를 통과하는 전자 다발에 의해 생성됩니다. FEL에서 이 방사선은 방사선이 전자 다발과 재상호 작용하여 전자가 일관성 있게 방출되기 시작함에 따라 더욱 증폭되어 전체 방사선 강도가 기하급수적으로 증가할 수 있습니다.
전자 운동 에너지와 파동기 매개변수를 원하는 대로 조정할 수 있기 때문에 자유 전자 레이저는 조정 가능하며 다른 유형의 레이저보다 더 넓은 주파수 범위에 맞게 제작할 수 있으며,[3] 현재 마이크로파에서 테라헤르츠 방사선 및 적외선을 통해 가시 스펙트럼, 자외선 및 X선에 이르기까지 파장에 걸쳐 있습니다. [4]
자유 전자 레이저의 핵심에 있는 언듈레이터의 개략도 표현.
최초의 자유 전자 레이저는 1971년 스탠포드 대학의 존 매디에 의해 개발되었으며[5] 1953년 스탠포드에서 기복판을 만든 한스 모츠와 그의 동료들이 개발한 기술을 사용하여 [6][7] 위글러 마그네틱 구성을 사용했습니다. Madey는 신호를 증폭하기 위해 43MeV 전자빔[8]과 5m 길이의 흔들기를 사용했습니다.
FEL을 생성하기 위해 전자 빔은 거의 빛의 속도로 가속됩니다. 빔은 빔 경로를 가로질러 교류 극이 있는 자석의 주기적인 배열을 통과하여 좌우 자기장을 생성합니다. 빔의 방향을 세로 방향이라고 하고 빔 경로를 가로지르는 방향을 가로라고 합니다. 이 자석 배열은 파동기 또는 위글러라고 하는데, 이는 자기장의 로렌츠 힘이 빔의 전자가 파동체의 축을 중심으로 정현파 경로를 따라 이동하면서 가로로 흔들리도록 하기 때문입니다.
이 경로를 가로지르는 전자의 횡가속도는 무작위로 분포된 전자의 전자기파가 시간에 건설적이고 파괴적으로 간섭하기 때문에 단색이지만 여전히 일관성이 없는 광자의 방출을 초래합니다. 결과 복사 전력은 전자의 수에 따라 선형적으로 확장됩니다. 언듈레이터의 양쪽 끝에 있는 미러는 광학 공동을 생성하여 방사선이 정상파를 형성하도록 하거나 외부 여기 레이저가 번갈아 제공됩니다. 방사선은 방사선 빔의 횡방향 전기장이 정현파 흔들림 운동에 의해 생성된 횡방향 전자 전류와 상호 작용할 만큼 충분히 강해져서 일부 전자는 상승하고 다른 전자는 연못력을 통해 광학장에 대한 에너지를 잃게 합니다.
이 에너지 변조는 하나의 광 파장 주기를 가진 전자 밀도(전류) 변조로 진화합니다. 따라서 전자는 세로로 마이크로 다발로 뭉쳐져 축을 따라 하나의 광학 파장으로 분리됩니다. 파동기만으로는 전자가 독립적으로(일관성 없이) 방사되는 반면, 뭉친 전자에서 방출되는 방사선은 위상이 같고 자기장이 일관성 있게 함께 추가됩니다.
방사선 강도가 증가하여 전자의 추가 미세 다발을 유발하며, 전자는 서로 위상적으로 계속 방사됩니다. [9] 이 과정은 전자가 완전히 미세뭉치가 되고 방사선이 파동체 복사보다 몇 배 더 높은 포화 전력에 도달할 때까지 계속됩니다.
방출되는 방사선의 파장은 전자빔의 에너지 또는 파동기의 자기장 강도를 조정하여 쉽게 조정할 수 있습니다.
FEL 건설
자유 전자 레이저는 가속 전자가 제대로 포함되지 않으면 방사선 위험이 될 수 있기 때문에 관련 차폐와 함께 전자 가속기를 사용해야 합니다. 이러한 가속기는 일반적으로 고전압 공급이 필요한 클라이스트론으로 구동됩니다. 전자빔은 진공 상태에서 유지되어야 하며, 이를 위해서는 빔 경로를 따라 수많은 진공 펌프를 사용해야 합니다. 이 장비는 부피가 크고 비싸지만 자유 전자 레이저는 매우 높은 피크 전력을 달성할 수 있으며 FEL의 조정 가능성으로 인해 화학, 생물학 분자 구조 결정, 의료 진단 및 비파괴 검사를 포함한 많은 분야에서 매우 바람직합니다.
적외선 및 테라헤르츠 FEL
베를린의 프리츠 하버 연구소는 2013년에 중적외선 및 테라헤르츠 FEL을 완성했습니다.
엑스레이 FEL
극자외선 및 X선을 반사할 수 있는 거울 재료가 부족하다는 것은 X선 자유 전자 레이저(XFEL)가 공진 캐비티 없이 작동해야 한다는 것을 의미합니다. 결과적으로, X선 FEL(XFEL)에서 빔은 파동기를 통한 단일 방사선 통과에 의해 생성됩니다. 이를 위해서는 적절한 빔을 생성하기 위해 단일 패스에 충분한 증폭이 있어야 합니다.
따라서 XFEL은 수십 또는 수백 미터 길이의 긴 기복이 있는 섹션을 사용합니다. 이를 통해 XFEL은 인간이 만든 X선 소스 중 가장 밝은 X선 펄스를 생성할 수 있습니다. X선 레이저의 강렬한 펄스는 마이크로번칭을 유발하는 SASE(Self-Amplified Spontaneous Emission) 원리에 있습니다. 처음에는 모든 전자가 고르게 분포되어 일관성 없는 자연 방사선만 방출합니다. 이 방사선과 전자의 진동의 상호 작용을 통해 전자는 하나의 방사선 파장과 동일한 거리로 분리된 마이크로 다발로 표류합니다. 이 상호 작용은 모든 전자가 간섭성 방사선을 방출하기 시작하도록 합니다. 방출된 방사선은 파동과 파골이 서로 최적으로 겹쳐지는 것을 통해 완벽하게 강화될 수 있습니다. 그 결과 방출되는 방사선 전력이 기하급수적으로 증가하여 높은 빔 강도와 레이저와 같은 특성을 갖게 됩니다. [15]
SASE FEL 원칙에 따라 운영되는 시설의 예는 다음과 같습니다.
- 함부르크의 자유 전자 LASer (FLASH)
- SLAC National Accelerator Laboratory의 Linac Coherent Light Source(LCLS)
- 함부르크의 유럽 X선 자유 전자 레이저(EuXFEL)[16]
- 스프링링-8 일본의 소형 SASE 소스(SCSS)
- 스위스 Paul Scherrer Institute의 SwissFEL
- 일본 RIKEN Harima Institute의 SACLA
- PAL-XFEL (포항가속기연구실 X선 자유전자레이저) 국내
2022년 스탠포드 대학의 Linac Coherent Light Source(LCLS-II)로 업그레이드하여 초전도 니오븀 공동을 사용하여 광속에 가까운 전자의 초당 27110펄스를 생성하기 위해 약 -6°C의 온도를 사용했습니다
자가 파종
SASE FEL의 한 가지 문제는 시끄러운 시작 프로세스로 인해 시간적 일관성이 부족하다는 것입니다. 이를 피하기 위해 FEL의 공명에 맞게 조정된 레이저로 FEL을 "시드"할 수 있습니다. 이러한 시간적으로 코히어런트 시드는 광학 레이저 펄스를 사용하는 고고조파 생성(HHG)과 같은 보다 통상적인 수단에 의해 생성될 수 있다. 그 결과 입력 신호의 일관된 증폭이 발생합니다. 실제로, 출력 레이저 품질은 시드에 의해 특징지어집니다. HHG 종자는 극자외선까지의 파장에서 사용할 수 있지만 기존 X선 레이저가 없기 때문에 X선 파장에서는 파종이 불가능합니다.
2010년 말, 이탈리아에서는 트리에스테 싱크로트론 연구소(Trieste Synchrotron Laboratory)에서 시드 FEL 소스 FERMI@Elettra[18]가 시운전을 시작했다. FERMI@Elettra는 100nm(12eV)에서 10nm(124eV)의 파장 범위를 포괄하는 단일 패스 FEL 사용자 시설로, 이탈리아 트리에스테의 <>세대 싱크로트론 방사선 시설 ELETTRA 옆에 있습니다.
2012년, LCLS를 연구하는 과학자들은 다이아몬드 모노크로메이터를 통해 필터링된 후 자체 빔으로 레이저를 자체 파종하여 X선 파장에 대한 파종 한계를 극복했습니다. 빔의 강도와 단색성은 전례가 없었으며 원자 조작 및 이미징 분자와 관련된 새로운 실험을 수행할 수 있었습니다. 전 세계의 다른 실험실에서도 이 기술을 장비에 통합하고 있습니다.
기초 연구
연구원들은 단백질 결정학 및 세포 생물학의 주력 제품인 싱크로트론 광원의 대안으로 X선 자유 전자 레이저를 탐구해 왔습니다. [21]
매우 밝고 빠른 X선은 X선 결정학을 사용하여 단백질을 이미지화할 수 있습니다. 이 기술은 기존 기술로 이미징을 허용하는 방식으로 적층되지 않는 단백질의 최초 이미징을 가능하게 합니다(전체 단백질 수의 25%). 0.8 nm의 분해능은 30 펨토초의 펄스 지속 시간으로 달성되었습니다. 선명한 시야를 얻으려면 0.1–0.3nm의 분해능이 필요합니다. 펄스 지속 시간이 짧기 때문에 분자가 파괴되기 전에 X선 회절 패턴의 이미지를 기록할 수 있습니다. [22] 밝고 빠른 X선은 SLAC의 Linac Coherent 광원에서 생성되었습니다. 2014년 현재 LCLS는 세계에서 가장 강력한 X선 FEL입니다. [23]
유럽 XFEL과 같은 차세대 X선 FEL 광원의 반복률이 증가함에 따라 예상되는 회절 패턴의 수도 크게 증가할 것으로 예상됩니다. [24] 회절 패턴의 수가 증가하면 기존 분석 방법에 큰 부담이 가해집니다. 이를 방지하기 위해 일반적인 X선 FEL 실험에서 생성되는 방대한 양의 데이터를 분류하기 위한 몇 가지 방법이 연구되었습니다. [25] [26] 다양한 방법이 효과적인 것으로 나타났지만, 전체 반복률에서 단일 입자 X선 FEL 이미징을 향한 길을 닦기 위해서는 다음 해상도 혁명을 달성하기 전에 몇 가지 과제를 극복해야 한다는 것이 분명합니다. [27] [28]
대사 질환에 대한 새로운 바이오마커: 적외선 이온 분광법과 질량 분석법을 결합할 때 선택성과 감도를 활용하여 과학자들은 혈액이나 소변과 같은 생물학적 샘플에서 작은 분자의 구조적 지문을 제공할 수 있습니다. 이 새롭고 독특한 방법론은 대사 질환을 더 잘 이해하고 새로운 진단 및 치료 전략을 개발할 수 있는 흥미롭고 새로운 가능성을 창출하고 있습니다.
수술
1994년 밴더빌트 대학의 FEL 센터에서 글렌 에드워즈(Glenn Edwards)와 동료들의 연구에 따르면 피부, 각막 및 뇌 조직을 포함한 연조직은 인접 조직에 대한 부수적 손상을 최소화하면서 약 6.45마이크로미터의 적외선 FEL 파장을 사용하여 절단하거나 제거할 수 있습니다. [29][30] 이로 인해 인간에 대한 수술이 이루어졌는데, 이는 최초로 자유 전자 레이저를 사용한 것이었다. 1999년부터 코플랜드와 콘라드는 뇌수막종 뇌종양을 절제하는 세 번의 수술을 집도했다. [31] 2000년부터 Joos와 Mawn은 시신경초 창호의 효능을 테스트하기 위해 시신경초의 창을 자르는 32번의 수술을 수행했습니다. [1] 이 여덟 번의 수술은 표준 치료에 부합하는 결과를 낳았으며 부수적 피해를 최소화하는 추가 이점이 있었습니다. 의료용 FEL에 대한 검토는 Tunable Laser Applications의 33판에 나와 있습니다.
연조직에 있는 최소 부수적인 손상을 주기 위하여 맥박 구조 및 에너지를 가진 6개에서 7개 마이크로미터 범위에서 조정가능한 몇몇 작은, 임상 레이저는 창조되었습니다. [ 인용 필요 ] 밴더빌트(Vanderbilt)에는 알렉산드라이트 레이저(Alexandrite laser)로 펌핑되는 라만 이동 시스템이 있습니다. [34]
록스 앤더슨(Rox Anderson)은 피부를 손상시키지 않고 지방을 녹이는 데 자유 전자 레이저를 의학적으로 적용할 것을 제안했습니다. [35] 적외선 파장에서 조직 내의 물은 레이저에 의해 가열되었지만 915, 1210 및 1720nm에 해당하는 파장에서는 표면 아래 지질이 물보다 더 강하게 차등적으로 가열되었습니다. 이 선택적 광열분해(빛을 사용하여 조직 가열)의 가능한 응용 분야에는 여드름을 치료하기 위한 피지 지질의 선택적 파괴뿐만 아니라 셀룰라이트 및 체지방과 관련된 다른 지질뿐만 아니라 동맥 경화증 및 심장 질환을 치료하는 데 도움이 될 수 있는 동맥에 형성되는 지방 플라크를 표적으로 하는 것이 포함됩니다.
군사
FEL 기술은 미 해군에 의해 대공 및 미사일 지향성 에너지 무기의 후보로 평가되고 있습니다. Thomas Jefferson National Accelerator Facility의 FEL은 14kW 이상의 전력 출력을 입증했습니다. [37] 소형 멀티 메가와트급 FEL 무기가 연구 중이다. [38] 9년 2009월 100일 해군 연구실은 Raytheon과 39kW 실험용 FEL 개발 계약을 체결했다고 발표했습니다. [18] 2010년 40월 2018일 Boeing Directed Energy Systems 는 미 해군 사용을 위한 초기 설계 완료를 발표했습니다. [41] 프로토타입 FEL 시스템이 시연되었으며 <>년까지 최대 출력 프로토타입이 예정되어 있습니다