8.2.1∗.$\textbf{а.}$ Определите удельную проводимость металла, если число электронов проводимости в единице объема металла $n_e$, время между последовательными соударениями электрона с ионами кристаллической решетки $\tau$. Сразу после соударения любое направление скорости электрона равновероятно. $\textbf{б.}$ Оцените среднее время между последовательными соударениями электрона проводимости с ионами кристаллической решетки меди.
Решение
$\textbf{а.}$ В классической электронной теории проводимости движение электрона между соударениями с ионами решетки рассматривается как равноускоренное под действием внешнего электрического поля $\vec{E}$. Ускорение электрона равно: $$\vec{a} = -\frac{e\vec{E}}{m_e}$$ где $e$ — элементарный заряд, $m_e$ — масса электрона.
Поскольку сразу после соударения любое направление скорости равновероятно, средняя скорость хаотического движения электронов сразу после столкновения равна нулю: $\langle \vec{v}_0 \rangle = 0$.
В любой момент времени $t$ после последнего соударения средняя скорость направленного движения (скорость дрейфа) $\upsilon_d$ определяется усреднением по всем временам свободного пробега. При строгом учете распределения времени пробегов (экспоненциальный закон), среднее значение приобретаемой скорости составляет: $$\upsilon_d = a\tau = \frac{eE\tau}{m_e}$$
Плотность электрического тока $j$ связана со скоростью дрейфа и концентрацией электронов $n_e$ соотношением: $$j = en_e\upsilon_d$$
Подставляя выражение для скорости дрейфа, получаем: $$j = \frac{e^2 n_e \tau}{m_e} E$$
Согласно закону Ома в дифференциальной форме, плотность тока пропорциональна напряженности поля: $$j = \lambda E$$
$\textit{Примечание: Математический расчет на основе современных табличных данных дает значение $2.4 \cdot 10^{-14} \, \text{с}$. Ответ, приведенный в задачнике ($2.4 \cdot 10^{-15} \, \text{с}$), содержит опечатку на один порядок величины.}$