В океане энергии

Применительно к электрону в кристалле «движется» означает одно: объект обладает кинетической энергией, или, что то же самое, окружен магнитным полем. Обладая кинетической энергией, электрон обязательно должен обладать количеством движения. Зная величину и направление напряженностей магнитного и электрического полей, можно определить величину и направление количества движения (количество движения — величина векторная). Вы хорошо прочувствовали, что для электрона в кристалле двигаться — значит быть окруженным, кроме электрического, еще и магнитным полем? Движение электронов необходимо для существования твердого тела. Между атомными ядрами и неподвижными электронами действовали бы лишь силы электростатического притяжения, и электроны упали бы на ядра. Все точно так, как и в атоме.

Два электрона могут обменяться своими уровнями. В таких случаях говорят о «столкновении» электронов. Не подумайте, что при столкновении электроны касаются друг друга — такое просто невозможно. Применительно к электронам в кристалле «столкнуться» означает обменяться занимаемыми уровнями. Естественно, при столкновении соблюдается закон сохранения количества движения, т. е. сумма (векторная) количеств движения двух электронов после столкновения равна сумме (векторной) их количеств движения до столкновения. Именно из-за возможности столкновений (обмен занимаемыми уровнями) создается впечатление хаотичности движения электронов в кристалле.

В каком-то дополнительном движении, например упорядоченном движении под действием внешнего электрического поля (электрический ток), электроны кристалла участвуют в том случае, если имеются свободные, более высокие энергетические уровни. Когда все уровни в валентной зоне заняты, никакое дополнительное упорядоченное движение электронов невозможно. Что удерживает электроны? В привычном для нас смысле этого слова они абсолютно свободны, но крепче, чем стальные канаты, удерживает электроны подчиненность принципу Паули, согласно которому два электрона ни при каких условиях не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии, т. е. занимать один и тот же энергетический уровень.

По какой-либо причине, например из-за увеличения температуры, отдельный валентный электрон приобретает порцию дополнительной энергии, большую ширины запрещенной зоны. Тогда электрон переходит в свободную зону, занимая там один из свободных уровней. В свободной зоне электроны могут изменять свою энергию — свободных уровней там достаточно — и участвовать в любых движениях, в том числе в упорядоченном движении по переносу электрического тока. При комнатной температуре у проводников в свободной зоне всегда есть какое-то количество электронов. Эти электроны практически не взаимодействуют с валентными электронами.