С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 89

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 89)

Результаты Томсона показали, что частицы в катодных лучах (природа которых в то время была еще неизвестна) не могут быть заряженными атомами газа или материала электродов и впервые привели к заключению, что эти частицы являются элементарными заряженными частицами, общими для всех веществ, свободно существующими в катодных лучах независимо 1 185 циклОтРОнный (диАМАГнитный) РезОнАнс 425 от атомов и обладающими гораздо меньшей массой, нежели атомы. Дальнейшие опыты по измерению отношения е/гп подтвердили этот вывод. Они установили, что такое же значение е/т, как н для частиц катодных лучей, имеют 9-частицы, отрицательные частицы, возникающие прн термоэлектронной эмиссии, фотоэлектрическом эффекте, автоэлектронной эмиссии, а также те частицы, которые обусловливают электрический ток в металлах.

Это показало, что все электроны тождественны между собой и что они являются составной частью атомов всех веществ. Удельный заряд электронов можно определить не только из электрических измерений, но и из оптических Совокупность всех результатов по определению е/гп для электронов приводит к следующему значению: е/гпо = 1,759 10" Кл/кг. Так как заряд электрона е известен из независимых измерений (9 144), то отсюда можно найти массу электрона: тэ = 9,109 .

10 з1 кг, что составляет 1/1835 массы протона. Приведенное значение есть масса покоящегося электрона. Укажем в заключение., что по отклонению в электрических и магнитных полях можно найти удельный заряд не только электронов, ио и ионов. Зная же удельный заряд ионов, можно найти и массу атомов исследуемого вещества, и притом с большой точностью Поэтому измерение е/М для газовых ионов является важным и точным методом определения атомных масс и широко применяется в современной физике. Для этой цели разработаны различные приборы, получившие общее название массспекп1рографов (если положение пучков определяют фотографическим способом) или масс-спекп1рометров (прн регистрации пучков электрическими методами).

9 185. Циклотронный (диамагнитный) резонанс Современная электроника располагает еще одним замечательным методом определения удельного заряда электронов. Особое достоинство этого метода заключается в том, что он применим не только к электронам в вакууме или в разреженных газах, но и к электронам проводимости в твердых телах. Образец исследуемого вещества помещают в постоянное магнитное поле н одновременно подвергают его воздействию переменного электрического поля, перпендикулярного к магнитному полю.

При этом происходит явление, аналогичное процессу ускорения ионов в циклотроне (з 181), но в данном случае ускоряемыми ча- 426 движение 3АРяженных чАстиц В полях Гл. Хчп стицами являются электроны проводимости и роль ускоряющего электрического поля между дуантами играет электрическое поле электромагнитной волны, Рассмотрим качественно поведение свободного электрона в этих условиях.

В постоянном магнитном поле (индукцию кото- рого обозначим через Вс) У электрон движется по ок- ружности, лежащей в плосВе,.~К кости Л (рис. 314), перпен- дикулярной к магнитному А полю, с циклотронной частотой обращения (3 179) шс = (е/т)Вш (185.1) Его круговое движение можно разложить на два $; взаимно перпендикулярных гармонических колебания в плоскости П и рассматриРис. 314.

К объяснению циялотроннаго вать электрон в постоянном резонанса магнитном поле как два гармонических осциллятора, колеблющиеся вдоль осей Х и У с одинаковой частотой ы, и с постоянной разностью фэз, равной и/2. Положим теперь, что на электрон действует еще электрическое поле Е электромагнитной волны, лежащее в плоскости П и изменяющееся с частотой ы (длина волны намного больше радиуса орбиты, так что мгновенное значение Е одинаково во всех точках орбиты). Тогда на каждый из указанных осцилляторов будет действовать периодическая внешняя сила с частотой и, и поэтому они будут совершать вынужденные колебания с той жс частотой ы. Но из механики известно, что при условии ы ыс (185.2) возникает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний осциллятора и его энергия достигают наибольшего значения, а в случае отсутствия затухания (сил трения) неограниченно увеличиваются с течением времени, Поэтому свободный электрон при резонансе будет набирать энергию за счет энергии электромагнитной волны и двигаться по раскручивающейся траектории (рис.

314), а электромагнитная волна при резонансе будет поглощаться (см. Добавление 10). В действительности же электроны испытывают соударения. При соударениях они передают накопленную энергию кристаллическон решетке твердого тела, после чего процесс ускорения электронов начинается снова. Поэтому поглощение энергии электромагнитной волны происходит и в отсутствие резонанса. При резонансе же поглощение достигает максимума. 427 ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА 1 188 Описанное явление получило название циклопгронного резонанса нлн, иначе, доамагнигпного резонанса (так как его происхождение тесно связано с искривлением траектории электронов силой Лоренца, т.е. с тем же эффектом, который обусловливает диамагнитныс свойства, ср.

3 118). Резонансное поглощение выражено тем сильнее, чем большее число полных обращений успеет совершить электрон за среднее время свободного пробега т, т.е. чем больше произведение ыт по сравнению с единицей. Чтобы оно вообще было заметно, необходимо по крайней метпе выполнение условия ыт 1. Обычно это имеет место при частотах ы 10 Гц, что соответствует радиоволнам сантиметрового диапазона. Кроме того, выгодно увеличивать т, для чего исследуемое вещество в некоторых случаях охлаждают до низких температур. Для наблюдения циклотронного резонанса исследуемое вещество (например, небольшой кристалл) помещают внутрь резонансной полости, в которой создают стоячую электромагнитную волну Я 241). Резонатор с образцом помещают между полюсами электромагнита, создающего постоянное однородное магнитное поле, и измеряют поглощение электромагнитной энергии в зависимости от отношения и/и,.

При этом оказывается удобным поддерживать неизменной частоту генератора ы, а изменять ы, изменением индукции Во. На опыте определяют частоту ю„соответствующую резонансу. Тогда по формуле (185.1) можно найти удельный заряд е/гп, а зная еще заряд частиц, можно определить их массу. $ 186. Эффективная масса Исследование циклотронного резонанса в различных кристаллах показало, что получаемая из этих опытов масса электронов проводимости не равна массе свободного электрона в вакууме пт. Эта — так называемая зффектпнвнал масса может быть как больше, так и меньше т. На рис. 315 в качестве примера приведены экспериментальные кривые цнклотропного поглощения для кристаллов германия и-типа.

По горизонтальной осн отложено отношение со,/оз, где ы, вычислено для зпэф = пт. Из рисунка видно, что максимумы поглощения лежат при значениях ис/ы, не равных 1, а значительно меньших, что соответствует тпмр < т. Далее оказалось, что значение эффективной массы зависит от направления Вб (рис. 315). Так как в этих опытах направление электрического поля всегда перпендикулярно к Во, то это значит, что эффективная масса зависит от направления действующей силы (анизотропия эффективной массы). Так, например, в германии для силы, параллельной кристэллографическому направлению (111) (пространственная диагональ куба), эффек- 428 ДВИЖВНИН ЗАР»гЖВННЫХ ЧАСТИЦ В ПОЛЯХ ГЛ. ХУП 0 0,08 0,1б 0,24 гвс/го тивная масса электронов равна т,ф -1,бт, а для силы, действующей в перпендикулярной плоскости, гп,ф = 0,08т.

И, наконец, число различных резонансных частот оказывается в ряде случаев больше, нежели ожидаемое теоре- 6 тически для частиц с одним и Ф и определенным значением гп,ф. Так, например, в кристаллах и ск германия р-типа наблюдаются резонансы, соответствующие двум различным типам положительных дырок с сильно 1= различающимися эффективными массами («тяжелые» и «легкне» дырки). С понятием эффективной массы мы уже встречались в 8 154, рассматривая зависимость энергии электронов Рис 818 Циклотронное пот!!о'пени~ проводимости от импу ьв германии и-го типа при двух различных направлениях магнитного носа.

пыты по пиклотрониом о пи о ро ному ля относительно осей кристалла. Гем- резонансу показывают, что и пература4,2 К. Частота 8,0 Грп движение электронов в кри- сталлах под действием внешних сил (электрического и магнитного полей) определяется не истинной массой электронов, а их эффективной массой. Эти результаты, кажущиеся сначала очень удивительными, имеют простое объяснение.

Общая нх причина заключается в том, что электроны проводимости находятся все время под действием периодического в пространстве электрического поля кристалла и их движение определяетси не только внешними полями, но и полем самого кристалла. Поэтому, пытаясь описать движение электронов и учитывая только внешние силы, мы получаем в законах движения вместо истинной массы электрона т некоторую другую, гораздо более сложную величину (эффективную массу).

Характеристики

Список файлов книги