lect7quant (Лекции Огурцова (PDF))

7–27–31Строение атома1. Модели атома Томсона и Резерфорда.Представление об атомах, как о неделимых мельчайших частицахвещества возникло еще в античные времена.Дж. Дж. Томсон, исследуя отклонение в электрических и магнитных поляхчастиц, испускаемых под действием света (фотоэффект) открыл электрон.Поскольку масса электрона оказалась в десятки тысяч раз меньше массатомов, Томсон предложил модель строения атома, согласно которой атомпредставляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шардиаметром ~10–10м в который "вкраплены" электроны ("как изюм в пудинг").Гармонические колебания электронов около положений равновесия(гармонические осцилляции) являются причиной излучения (или поглощения)монохроматических волн атомами.Однако, в экспериментах Ленарда по рассеянию электронов и вэкспериментах Резерфорда по рассеянию α-частиц на тонких металлическихпленках, было показано, чтопучок α-частицэкранпочтивсечастицыисточникмишеньпроходили через фольгу, безрассеяния или отклоняясьнаоченьмалыеуглыпорядка 1–3°.

И тольконекоторые из них (одна из10000)отклонялисьнабольшие углы, порядка 135–180°. Поскольку α-частица в 7300 раз тяжелееэлектрона, то причиной такого рассеяния не может быть ее рассеяние наэлектронах. Резерфорд предположил, что рассеяние α-частицы происходит наположительном заряде большой массы – "ядре" атома, размер которого, оченьмал по сравнению с объемом атома (диаметр ~10–14м). (Например, в 1м3платины "объем" ядер равен 0,3 мм3.)Поэтому в атоме, подавляющая часть которого состоит из пустогопространства, электроны не могут находиться в статическом равновесии.Их устойчивость может быть только динамической, как у планет в астрономии.Резерфорд предложил планетарную модель атома.

СогласноРезерфорду, атом представляет собой систему зарядов, в центре которойрасположено положительное ядро с зарядом Ze , размером 10-15—10-14м имассой, практически равной массе атома, а вокруг ядра, в области слинейными размерами ~10–10м, по замкнутым орбитам движется Zэлектронов, образуя электронную оболочку атома.Второй закон Ньютона для электрона, движущегося по окружности поддействием кулоновской силыZe ⋅ em υ2= e ,2r4πε0 rгде me и υ – масса и скорость электрона на орбите радиуса r , ε0 – электрическая постоянная. При r ≈ 102ускорение υ r ≈ 1022−106м скорость движения электронов υ ≈ 10 м/с, а2м/с .

Согласно классической электродинамике, ускоренноА.Н.Огурцов. Физика для студентов35. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы).Односторонняя (вентильная) проводимость p-n-перехода используетсяв полупроводниковых диодах, содержащих один p-n-переход. По конструкцииони делятся на точечные и плоскостные.В точечных диодах p-n-переход образуется вточке касания металлического контакта 1 и полупроводника 2 (например, в точечном германиевомдиоде диффузия алюминия в n-германий образует вгермании p-слой). Технология изготовления германиевого плоскостного диода описана выше.p-n-Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющимисвойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схемуввести обратную связь, то и для генерации электрических колебаний.

Приборы,предназначенные для этих целей получили название полупроводниковыхтриодов или транзисторов. Изобретение транзисторов в 1949г. считаетсясамым значительным изобретением ХХ века и было отмечено в 1956 годуНобелевской премией.Транзисторы могут быть типа n-p-n и типа p-n-p в зависимости отчередования областей с различной проводимостью. Для примера рассмотримтриод типа p-n-p. Рабочие "электроды"триода, которыми являются база(средняя часть транзистора), эмиттер иколлектор (прилегающие к базе с обеихсторон области с иным типомпроводимости), включаются в схему спомощью невыпрямляющих контактов– металлических проводников.

Междуэмиттером и базой прикладываетсяпостоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой иколлектором – постоянное смещающее напряжение в обратном направлении.Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивлениеRвх , а усиленное – снимается с выходного сопротивления Rвых .Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движениемдырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их"впрыскиванием" – инжекцией – в область базы.

Проникшие в базу дыркидиффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщинебазы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесьдырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются котрицательно заряженному коллектору), вследствие чего изменяется токколлектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызываетизменение тока в цепи коллектора.Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получимв цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении –переменное напряжение.

Величина усиления зависит от свойств p-nпереходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Б к . ОбычноRвыхRвх , поэтому U выхU вх (усиление может достигать 10 000). Так какмощность переменного тока, выделяемая в Rвых , может быть больше, чемрасходуемая в цепи эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности.Квантовая физика7–307–3Твердые тела, представляющие собой эффективно люминесцирующиеискусственно приготовленные кристаллы с чужеродными примесями, получилиназвание кристаллофосфоров.На примере кристаллофосфоров рассмотриммеханизмы возникновения фосфоресценции с точкизрения зонной теории твердых тел.

МеждувалентнойзонойизонойпроводимостикристаллофосфорарасполагаютсяпримесныеA . Для возникновенияуровниактиваторадлительного свечения кристаллофосфор долженсодержать центры захвата, или ловушки дляэлектронов (Л1, Л2). Длительность процессамиграции электрона до момента рекомбинации его сионом активатора определяется временем пребывания электронов в ловушках.34. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход).Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеетэлектронную, а другой – дырочную проводимость, называется электроннодырочным переходом (или p-n-переходом).p-n-Переход обычно создается при специальнойобработке кристаллов, например, при выдержке плотноприжатых кристаллов германия (n-типа) и индия при 500°С ввакууме (а) атомы индия диффундируют на некоторуюглубину в германий, образуя промежуточный слой германия,обогащенного индием, проводимость которого p-типа (б).Электроны из n-полупроводника, где их концентрациявыше, будут диффундировать в p-полупроводник.

Диффузиядырок происходит в обратном направлении. В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остаетсянескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В p-полупроводнике из-заухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованныхакцепторов. Эти объемные заряды создают запирающий равновесный контактный слой, препятствующийдальнейшему переходу электронов и дырок.Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнегоэлектрического поля. Если направление внешнего поля E совпадает снаправлением E K поля контактного слоя (а), то запирающий слой расширяетсяи его сопротивление возрастает –такое направлениеназывается запирающим (обратным). Если направление внешнего поля противоположно полю контактного слоя (б), то перемещение электронов и дырокприведет к сужению контактного слоя и его сопротивление уменьшится – такоенаправление называется пропускным (прямым).А.Н.Огурцов.

Физика для студентовдвижущиеся электроны должны излучать электромагнитныеволны и вследствие этого непрерывно терять энергию. Врезультате электрон будет приближаться к ядру и в конечномсчете упадет на ядро.Кроме того, классическая планетарная модель атома необъясняет линейчатого спектра атомов.2. Линейчатый спектр атома водорода.Экспериментальное исследование спектров излучения разреженных газов(отдельных атомов) показали, что характерный линейчатый спектр каждогоэлемента представляет собой серии линий, положение которых может бытьописано простыми эмпирическими формулами.

Так, положение линий атомаводорода в видимой области спектра описываются формулой Бальмера()()()1 = R′ 1 2 − 1 2 , или ν = c для частот: ν = R 1 2 − 1 2 (n = 3, 4, 5,…) ,n22nλλ7 –115 –1где R′ = 1,1 ⋅ 10 м ,R = R′ ⋅ c = 3,29 ⋅ 10 с– постоянная Ридберга.Позднее, в ультрафиолетовой области была обнаруженасерия Лаймана:а в инфракрасной областисерия Пашена:серия Брэкета:серия Пфунда:серия Хэмфри:ν=R((ν = R(ν = R(ν = R(ν=R112−11−1−1−1−111132425262n2n2n2n2n2) (n = 2, 3, 4,…) ,) (n = 4, 5, 6,…) ,) (n = 5, 6, 7,…) ,) (n = 6, 7, 8,…) ,) (n = 7, 8, 9,…) .Все эти серии могут быть описаны обобщенной формулой Бальмера1 ⎞⎛ 1ν = R⎜ 2 − 2 ⎟ ,n ⎠⎝mгде m = 1,2,3,4,5,6 определяет серию, а n = m + 1, m + 2,… определяетотдельные линии этой серии.

С увеличением n линии серии сближаются;значение n = ∞ определяет границу серии, к которой со стороны бóльшихчастот примыкает сплошной спектр.Аналогичные серии были выделены в линейчатых спектрах других атомов.3. Постулаты Бора.Для объяснения закономерностей в линейчатых спектрах Бор объединилпланетарную модель атома Резерфорда с гипотезой Планка о квантовойприроде света. Теория атома Бора основывается на двух постулатах:(I) Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний):существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состоянияатома, находясь в которых он не излучает энергии.