量子力学が導く物質の導電性への理解 ①

大学で習う量子力学は直感的に理解できるものではないとても難しい感じイメージの学問。
量子力学ではじめに出てくるのは、シュレディンガー方程式であり粒子を波として考えていく。
シュレディンガー方程式は古典力学的にはニュートンの運動方程式に該当するものだ。

量子力学は物質の中の電子の動きやエネルギー状態を説明できる。
一つの水素原子の周りを回る電子軌道については、比較的簡単に数学的に(もちろん難しいけど)解くことができる。次に2つの水素原子が近づくと軌道は重なり合ってエネルギーが低い状態と高い状態の2つに分かれる。このエネルギー状態が低いものは、一つの水素原子の軌道より安定になる。

電子が一つの原子に束縛されているときには、光速に近い速度で動き回っている。そのためエネルギー的に高い状態になっている。
金属のように原子が結合すると電子はその金属内を自由に動き回ることができるようになる。
その時の原子の速度は一つの原子に束縛されているときに比べて格段に遅くなり、エネルギー状態は低くなる。つまり、電子は自由に動き回ることができると安定化する。

ただ、単純に金属のように原子が結合すれば安定化して導電性が上がるというわけでない。
それは、結合している軌道に空きがあるかどうかに関わってくる。
変な喩えになるが、荷物(電子)を運ぶ人が多ければ早く動くことができるだろう。しかし、狭い空間に運ぶ人をギュウギュウに詰めると逆にうごけなくなり遅くなるのだ。

そのため、導電性にはキャリアとなる電子の数と電子が通る道とそのエネルギー状態が大切になるのだ。

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