Question

Объясните, почему в отсутствие тока при столкновении свободных электронов с ионами решётки энергия последних не увеличивается.

Answer 1

Если кратко, то потому что свободные электроны не становятся частью ионов - они просто "отскакивают".

Answer 2

При столкновении свободных электронов с ионами решётки в отсутствие тока, энергия ионов решётки не увеличивается из-за сохранения энергии в системе.

Когда свободный электрон сталкивается с ионом решётки, происходит процесс рассеяния, при котором электрон изменяет свою траекторию. В результате столкновения возникают различные процессы, например, упругое рассеяние, при котором энергия электрона сохраняется, или неупругое рассеяние, когда часть энергии может передаться иону в виде тепла, возбуждения электронов или колебаний решётки.

В отсутствие внешнего электрического поля (тока) и системы, обладающей энергией, которая могла бы увеличивать энергию ионов решётки, ионы остаются в состоянии теплового равновесия. Это означает, что статистически средняя энергия ионов в решётке остаётся постоянной, и они ни набирают, ни теряют энергию в результате столкновений с электронами. Это также связано с тем, что электроны, рассеиваясь на ионах решётки, сами теряют и передают энергию, что приводит к общему балансу энергии в системе.

Когда в системе установится электрическое поле (ток), то свободные электроны будут двигаться под его воздействием, что приведёт к сдвигу статистического распределения энергии ионов решётки. В результате ионы могут приобретать или терять энергию в процессе взаимодействия с электронами, и это будет зависеть от характера проводимости материала и условий прохождения тока через него.