Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

физика шпоры 31-40

.docx
Скачиваний:
36
Добавлен:
22.05.2015
Размер:
43.8 Кб
Скачать

31) Атом водорода в квантовой механике.

Атом водорода — физическая система, состоящая из атомного ядра, несущего элементарный положительный электрический заряд, и электрона, несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра может входить протон или протон с одним или несколькими нейтронами, образуя изотопы водорода. Электрон преимущественно находится в тонком концентрическом шаровом слое вокруг атомного ядра, образуя электронную оболочку атома. Наиболее вероятный радиус электронной оболочки атома водорода в стабильном состоянии равен боровскому радиусу a0 = 0,529 Å.

Квантовые числа.

Квантовые числа – энергетические параметры, определяющие состояние электрона и тип атомной орбитали, на которой он находится.

  1. Главное квантовое число n определяет общую энергию электрона и степень его удаления от ядра.

  2. Орбитальное квантовое число L определяет форму атомной орбитали.

  3. Магнитная квантовое число m определяет ориентацию орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля.

Спектральные серии водорода.

Спектральные серии водорода – набор спектральных серий, составляющих спектр атома водорода. Поскольку водород – наиболее простейший атом, его спектральные серии наиболее изучены. Они очень хорошо подчиняются формуле Ридберга.

Где R = 109 677 см-1 – постоянная Ридберга для водорода, n’ – основной уровень серии.

Спектральные линии, возникающие при переходах на основной энергетический уровень, называются резонансными, все остальные – субординатными.

  1. Серия Лаймана – все линии находятся в ультрафиолетовом диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n’ =1 и n = 2, 3, 4, …;

  2. Серия Бальмера – первые четыре линии серии находятся в видимом диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n’ = 2 и n = 3, 4, 5 …;

  3. Серия Пашена – все линии находятся в инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n’ =3 и n = 4, 5, 6, …;

  4. Серия Пфунда – линии серии находятся в ближнем инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n’ = 5 и n = 6, 7, 8, …;

32)Спин электрона.

Спин — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.

Спиновое квантовое число s может принимать лишь два возможных значения +1\2 и -1\2. Они соответствуют двум возможным и противоположным друг другу направлениям собственного магнитного момента электрона, называемого спином.

Распределение электронов в атоме происходит по принципу Паули, который может быть сформулирован для атома в простейшем виде: в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел: nl, m, m’  :

Z (nl, m, m’  ) = 0 или 1,

где Z (nl, m, m’  ) - число электронов, находящихся в квантовом состоянии, описываемых набором четырех квантовых чисел: nl, m, m’  . Таким образом, принцип Паули утверждает, что два электрона, связанные в одном и том же атоме различаются значениями, по крайней мере, одного квантового числа.

Принцип Паули -  в пределах одной квантовой системы, в данном квантовом состоянии, может находиться только один фермион, состояние другого должно отличаться хотя бы одним квантовым числом.

33) Постулаты Бора.

1) Атомная система находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия; в стационарных состояния атом не излучает.

2) Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.

При этом энергия испущенного атомом фотона равна разности энергий стационарных состояний, а частота излучения определяется по формуле:

vkn=(Ek-En)/h 

где,

Ek - энергия атома в более высоком энергетическом состоянии;

Еn - энергия атома в более низком энергетическом состоянии.

Свои постулаты Бор применил для объяснения и поглощения света атомом водорода. Второй постулат позволяет вычислить по известным экспериментальным значениям энергий стационарных состояний частоты излучения атома водорода.

Расчеты Бора привели к согласию с экспериментально определенными частотами.

Поглощения света – процесс, обратный излучению: атом переходит из низших энергетических состояний в высшие. При этом атом поглощает излучение тех же частот, которые излучает при обратных переходах.

Спонтанное излучение.

Спонтанное излучение — процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами (атомами, молекулами) при их переходе из возбуждённого состояния в стабильное.

Вынужденное изучение.

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.

34) Оптически квантовые генераторы (Лазеры).

Ла́зер или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую,электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Виды:

  1. Газовые лазеры

  2. Лазеры на красителях

  3. Лазеры на парах металлов

  4. Твердотельные лазеры

  5. Полупроводниковые лазеры

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризации  и фазу.

Лазеры применяются:

  1. Медицина

  2. В Быту

  3. Химия

  4. Наука

  5. Техника

  6. Голография и тд

35) Зонная теория твердых тел. В соответствии с квантовой механикой свободные электроны могут иметь любую энергию — их энергетический спектр непрерывен. Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетический спектр электронов существенно иной, он состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий.

Заполнение зон электронами.

Энергетическая зона имеет большую, но ограниченное количество энергетических уровней, на каждом из которых может находиться по два электрона с противоположными спинами. По характеру заполнения электронами валентной зоны и зоны проводимости, а именно они определяют электрические свойства, все тела делятся на две группы: а) тела с частично заполненными зонами. б) тела с полностью заполненными и вовсе свободными зонами.

Проводни́к — вещество, хорошо проводящее электрический ток; в таком веществе имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри объёма вещества. 

Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных

видов излучения. 

Диэлектрик (изолятор) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле.

Энергия активации  — минимальное количество энергии, которое должны получить электроны донорной примеси, для того чтобы попасть в зону проводимости.

Запрещённая зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном)кристалле.

36) Полупроводники.

Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Дырочная проводимость.

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Электронная проводимость.

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10−19 Дж против 11,2·10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра.

Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная электронами, которые перешли в зону проводимости с донорных уровней Ed, расположенных вблизи Ec, и дырками, которые образовались в валентной зоне при переходе электронов на акцепторные уровни Ea, расположенные вблизи Ev

Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением под действием электрического поля одинакового числа свободных электронов и дырок, образовавшихся вследствие перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости.

37) Зависимость проводимости полупроводников от температуры.

Тепловые колебания кристаллической решетки увеличиваются с ростом температуры, растет и рассеяние носителей, а их подвижность уменьшается. Установлено, что в атомных полупроводниках при рассеянии свободных носителей заряда преимущественно на тепловых колебаниях решетки.

При очень низких температурах, когда тепловые колебания кристаллической решетки малы, а примесные атомы слабо ионизированы, рассеяние свободных носителей в основном происходит на нейтральных атомах примеси. При таком механизме рассеяния подвижность не зависит от температуры, а определяется концентрацией примеси.

38) Термоэлектрические явления.

Эффект Пельтье — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока:

Q = ПАBIt = (ПBA)It

, где

Q —количество выделенного или поглощённого тепла;

I — сила тока;

t — время протекания тока;

П — коэффициент Пельтье, который связан с коэффициентом термо-ЭДС α вторым соотношением Томсона [1]

 П = αT,

где Т — абсолютная температура в K.

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

39)Контактные явления в металлах.

Неравновесные электронные явления, возникающие при прохождении электрич. тока через контакт полупроводника с металлом или электролитом или через контакт двух различных полупроводников (гетеропереход)либо через границу двух областей одного и того же полупроводника с разным типом носителей заряда (см. р - п-переход)и разной их концентрацией.

Контактная разность потенциалов — это разность потенциалов между проводниками, возникающая при соприкосновении двух различных проводников, имеющих одинаковую температуру.

При соприкосновении двух проводников с разными работами выхода на проводниках появляются электрические заряды. А между их свободными концами возникает разность потенциалов. Разность потенциалов между точками находящимися вне проводников, вблизи их поверхности называется контактной разностью потенциалов. Так как проводники находятся при одинаковой температуре, то в отсутствие приложенного напряжения поле может существовать только в пограничных слоях (Правило Вольта).

Различают внутреннюю разность потенциалов (при соприкосновении металлов) и внешнюю (в зазоре). Значение внешней контактной разности потенциалов равно разности работ выхода отнесенной к заряду электрона. Если проводники соединить в кольцо то ЭДС в кольце будет равна 0. Для разных пар металлов значение контактной разности потенциалов колеблется от десятых долей вольта до единиц вольт.

40) Полупроводниковые диоды и триоды.

Выпрямление токов а также усиление напряжений и мощностей можно осуществить с помощью полупроводниковых устройств, называемых полупроводниковыми диодами и триодами. Полупроводниковые триоды называют также транзисторами.

Основным элементом полупроводниковых приборов является так называемый р-п-, переход. Он представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. Для изготовления такого перехода берут например монокристалл из очень чистого германия с электронным механизмом проводимости. В вырезанную из кристалла тонкую пластину вплавляют с одной стороны кусочек индия. Во время этой операции которая осуществляется в вакууме или в атмосфере инертного газа, атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает р-п переход. Существуют и другие способы получения р-п переходов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]