La teoria degli elettroni liberi, nota anche come modello DRUDE, è un modello semplificato utilizzato per spiegare la conduttività elettrica e termica dei metalli. Fa diverse ipotesi, che sono:
1. Elettroni gratuiti:
* Si presume che gli atomi di metallo abbiano elettroni esterni vagamente legati, che possono facilmente staccarsi dall'atomo e spostarsi liberamente in tutto il metallo. Questi elettroni sono chiamati "elettroni liberi".
* Gli ioni positivi del metallo sono considerati fissati in una struttura reticolare. Ciò presuppone che l'interazione tra gli ioni sia abbastanza forte da mantenerli in un accordo stabile.
2. Motion classico:
* Gli elettroni liberi sono trattati come particelle classiche, obbedendo alle leggi del movimento di Newton. Ciò implica che la loro mozione è governata dalla fisica classica e non dalla meccanica quantistica.
* Si presume che gli elettroni si muovano in modo casuale, senza direzione preferita, in assenza di un campo elettrico esterno.
3. Collisioni:
* Gli elettroni liberi si scontrano con gli ioni positivi del reticolo. Si presume che queste collisioni siano perfettamente elastiche, il che significa che non si perde energia. Questa è una semplificazione, poiché le collisioni reali non sono perfettamente elastiche.
4. Percorso libero medio:
* Si presume che gli elettroni viaggino in linee rette tra collisioni, con una distanza media costante percorsa tra collisioni. Questa distanza è chiamata percorso libero medio.
5. Equilibrio termico:
* Si presume che gli elettroni siano in equilibrio termico con il reticolo. Ciò significa che l'energia cinetica media degli elettroni è uguale all'energia cinetica media degli ioni.
6. Campo elettrico:
* In presenza di un campo elettrico, gli elettroni sono accelerati dal campo e si muovono in una direzione opposta al campo. Questo porta alla conduzione dell'elettricità.
Limitazioni della teoria degli elettroni liberi:
* La teoria degli elettroni liberi non prevede accuratamente la capacità termica specifica dei metalli.
* Non riesce a spiegare l'effetto della sala, che è l'aspetto di una tensione attraverso un conduttore che trasporta corrente in un campo magnetico.
* La teoria non tiene conto della natura quantistica degli elettroni.
Nonostante i suoi limiti, la teoria degli elettroni gratuiti fornisce un quadro semplice e utile per comprendere le proprietà elettriche e termiche di base dei metalli. Costituisce la base per modelli più sofisticati che tengono conto della natura quantistica degli elettroni e delle interazioni tra elettroni e reticolo.
