В.М. Анисимов, Г.Э. Солохина - Методические указаная к лабораторным работам и темы докладов (1012829), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Учитывая связь частоты света с его длинойволныc,(4.6)постулат Планка (4.4) можно записать в видеchh .Тогда для красной границы фотоэффекта получаемhc.грA вых(4.7)(4.8)97Исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта посвященалабораторная работа № 122.После изучения явлений теплового излучения и фотоэффекта передфизиками встал вопрос о взаимном соответствии учений о квантовой иволновой природе света. Напомним, что волновая природа света ранеебыла экспериментально подтверждена в целом ряде явлений оптики(интерференция, дифракция и т.д.).В результате утвердилось понимание света как совершеннонеобычного для классической физики физического явления – в немсочетаются свойства потока частиц (корпускул, обладающихопределенной энергией и импульсом) и волнового процесса(характеризуемого длиной волны и частотой).Это неразрывное единство принципиально различных свойствстали называть корпускулярно-волновым дуализмом света.4.2.
Квантовая физика и развитие современнойцивилизацииПозже в неклассической физике идея дискретности, квантованияфизических характеристик микрообъектов получила дальнейшееразвитие. В настоящее время эта идея лежит в основе целой науки –квантовой физики, которая дала возможность теоретически объяснить,например, строение и свойства атомов, закономерности ядерныхвзаимодействий и т.д.Постоянную Планка стали рассматривать как величину,определяющую масштаб изменения квантующихся характеристикмикрообъектов, как своеобразную порцию воздействия в микромире.Поэтому часто постоянную Планка называют еще квантом действия.Один из методов экспериментального определения этойпостоянной изучается лабораторной работе № 127.Описание микрообъектов в квантовой механике неоднозначное,вероятностное.
Именно этот вероятностный, статистическийхарактер закономерностей квантово-механического описанияявленийознаменовалпереходотэпохиклассическогоестествознания к неклассическому.Главное отличие статистических законов от динамических – вучете случайного. В динамических законах действительностьогрублена, хотя в области применимости этих законов последствияэтого огрубления практически не заметны.Законы динамического типа в чистом виде не существуют, апроявляютсялишьтам,гдеможнопренебречьмалойнепредсказуемостью. Фундаментальностью же обладают толькостатистические законы.98В громадном перечне технических и технологических примененийквантовой физики следует особо выделить такие направления, какядернаяэнергетика;лазеры;полупроводники,микроинанотехнологии.Физика полупроводниковКвантовая механика объяснила поведение электронов не только ватомах, но и в твердых телах – кристаллах.
Важнейшим свойствомполупроводниковыхкристалловявляетсязависимостьихэлектропроводности от температуры, освещенности, внешнегомагнитного поля и давления. Это позволяет использоватьполупроводники для создания эффективных датчиков, реагирующихна различные воздействия.При повышении температуры полупроводника его удельноеэлектросопротивление уменьшается (см. рис. 4.5), так как электроныотрываются от своих атомов и начинают свободно перемещаться повсему объему кристалла. Наместеэлектронаостаетсявакантное место – дырка, накотороемогутпереходитьэлектроны соседних атомов.Следовательно,вчистомполупроводникеносителямизаряда являются электроны «–» идырки «+».На свойства полупроводникаРис.
4.5сильновлияютпримесиразличных элементов.Полупроводник n-типа образуется при добавлении в видепримеси элемента с валентностью на единицу большую (например, какпоказано на рис. 4.6, если в четырехвалентный германий Ge добавить 5ти валентный фосфор Р). В этом случае образуется избыток электронов,которые уже при комнатной температуре могут свободноперемещаться и создавать ток. Следовательно, в полупроводнике nтипа основными носителями заряда являются электроны.Рис. 4.6Рис.
4.799Полупроводник p – типа образуется при добавлении примеси свалентностью на единицу меньше основного элемента (например, еслив 4-х валентный полупроводник германий Ge добавить 3-х валентныйбор В, как показано на рис.4.7). Тогда образуются дополнительныевакантные места – дырки, которые также могут перемещаться пообъему кристалла.В полупроводнике p-типа дырки являютсяосновными носителями заряда.Современные технологии позволяют в пределах единогополупроводникового кристалла получать области n– и p– типа.Граница раздела между этими областями называется p–n переходом,который является основой создания различных полупроводниковыхприборов и полупроводниковых интегральных микросхем.Так полупроводниковый диод (выпрямитель тока) содержит одинp–n переход, транзистор – два p–n перехода.
В солнечной батарее p–nпереходы превращают световую энергию в электрическую. Всветодиодах и полупроводниковых лазерах идут обратные процессы.Изучению полупроводниковых устройств (диода, фотоэлемента,фотосопротивления и т.д.) посвящены лабораторные работы №№ 132,136/137, 170.В настоящее время активно развивается микроэлектроника –технология создания электронных устройств на основе интегральныхмикросхем. Уровень, достигнутый микроэлектроникой, позволяетсоздавать более 100 миллионов элементов на 1 см2 кристалла.
Приэтом характерные размеры элементов микросхемы – это десятые долимикрометра.Интегральные схемы являются элементной базой современнойкомпьютерной техники, а, следовательно, технической базойинформационныхтехнологий.Развиваетсяследующийэтапмикротехнологий – наноэлектроника, то есть создание микросхем,размеры которых измеряются нанометрами (10–9 м). На этом этапеуправление структурой кристалла должно реализоваться на уровнеотдельных атомных слоев и индивидуальных атомов.Вопросы по разделу 41. Что2.3.4.5.такое тепловое излучение тел? Дайте определениеэнергетическойсветимостииспектральнойплотностиэнергетической светимости тела.Изобразите спектр излучения абсолютно черного тела.Сформулируйте законы теплового излучения для абсолютночерного тела.В чем заключаются гипотеза и постулат Планка?Дайте определение явлению внешнего фотоэффекта.1006.
Объяснитевольт ампернуюхарактеристикувакуумногофотоэлемента.7. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.8. Напишите и объясните уравнение Эйнштейна для внешнегофотоэффекта.9. Что такое красная граница фотоэффекта, как ее можно определить?10. В чем заключается квантово-волновой дуализм света.11. В чем физический смысл постоянной Планка?12. Каково основное отличие фундаментальных законов микромира отдинамических закономерностей?13.
Как зависит электросопротивление полупроводников от температуры?Что является носителями тока в чистом полупроводнике?14. Как влияют примеси на свойства полупроводников? Что такоеполупроводники р- и n-типа?15. Охарактеризуйте основные области применения полупроводниковв современной цивилизации.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 120Исследование излучения абсолютно черного телаЦель работы: проверка закона Стефана – Больцмана дляэнергетической светимости абсолютно черного тела.Методика измеренийВ данной работе исследуется зависимость энергетическойсветимости M e модели абсолютно черного тела от температуры,которая выражается законом Стефана – Больцмана (4.3):MeT4 ,(4.9)т.е.
энергетическая светимость M e пропорциональна абсолютнойтемпературе тела в четвертой степени.Моделью абсолютно черного тела может служить печь снебольшимотверстием.Напротивотверстияпомещаетсяизмерительный прибор, ток i в цепи которого пропорционаленмощности падающего на него излучения, которая, в свою очередь,пропорциональна энергетической светимости M eизлучения,исходящего из отверстия печи. Исходя из этого, можно записатьi kM e ,(4.10)где k - коэффициент пропорциональности.Подставляя M oe из закона Стефана - Больцмана (4.9), получаем:101i k T4 .Логарифмируя это выражение, имеемln i ln k ln4 ln T .(4.11)Заменяемln k lnconstи окончательно записываемln i 4 ln T const .(4.12)Из выражения (4.12) следует, что зависимость ln i от ln Tизображается прямой линией с угловым коэффициентом, близким к 4.Экспериментальная установкаДля изучения излучения абсолютно черного тела предназначенаэкспериментальная установка, общий вид которой приведен на рис.4.8.123456мкА987Рис.
4.8Моделью абсолютно черного тела служит электрическая печь смаленьким отверстием 2. Нагрев печи осуществляется нагревательнойспиралью 3. Степень нагрева можно изменять с помощью рукоятки 8.При крайнем левом положении рукоятки 8 мощность нагревательнойспирали минимальна, при повороте рукоятки по часовой стрелкемощность нагрева возрастает.Для измерения температуры в печи в нее помещается термопара 5.Термопара представляет собой две проволочки из разных материалов,которые спаяны с двух концов. Один спай 4 находится в печи, другойспай 6 – в комнате. Если температуры спаев различны, то по термопаребудет течь ток, пропорциональный разности температур спаев(разности температур в печи и в комнате).102Эта разность температур измеряется стрелочным прибором 7,подключенным к термопаре 5.
Для определения абсолютнойтемпературы Т в печи к показанию прибора t 1 нужно прибавитьтемпературу t2 холодного спая (которая измеряется термометром вкомнате) и выразить результат в абсолютной шкале:(4.13)T t1 t 2 273[K] .Напротив отверстия печи устанавливается термостолбик 1, которыйпредставляетсобойнесколькотермопар,соединенныхпоследовательно. Один ряд спаев (например, нечетный) нагреваетсяпод действием излучения из отверстия печи, другой ряд спаевзащищен от действия излучения диафрагмой.Ток i, протекающий через термостолбик пропорционаленэнергетической светимости печи. Величина этого тока измеряется спомощью микроамперметра 9.Порядок выполнения работы1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
