2.2. Средняя длина свободного пробега частиц в газе

Столкновения молекул друг с другом, происходящие при их хаотическом движении, сопровождаются непрерывным изменением величины и направления скорости молекул. Траектория каждой молекулы – это ломаная линия, длина прямолинейных отрезков которой из-за случайности столкновений различна. Рассчитывается средняя длина этих отрезков – средняя длина свободного пробега молекул :

vz ,

где z – число столкновений молекулы с другими молекулами в течение 1 с.

За 1 секунду молекула проходит путь v и сталкивается с теми молекулами, центры которых расположены от центра движущейся молекулы на расстоя-

нии, равном ее диаметру :
					1							k			T .
							2							2
								n							p
				2							2

Видно, что средняя длина свободного пробега молекул обратно пропорциональна их концентрации и давлению.

Состояние газовой среды характеризуется величиной Q (полное эффективное сечение для столкновений молекул). Она показывает, сколько столкновений претерпевает молекула на единице пути:

Q 1λ .

Важным в кинетической теории газов является уравнение, позволяющее определить, какое число молекул N x из общего числа молекул N , совершая движение в газе, пройдет без столкновений путь x :

N x N e x N e Qx.

Движение электрона в газообразной среде также характеризуется средней длиной свободного пробега е и эффективным сечением Qе . Электрон по

12

сравнению с молекулой можно считать частицей бесконечно малых размеров, при этом электрон движется значительно быстрее молекул. Из кинетической теории газов следует, что

	Qе	Q			;
								e 4	2 .
		4	2

Однако эти соотношения дают приближенную оценку величины Qе и е

.

2.3. Вакуум

Вакуум – состояние газа, имеющего плотность, меньшую его плотности при нормальных физических условиях. Характеристикой вакуума является отношение (средней длины свободного пробега) к расстоянию между электродами d , где движутся молекулы и ускоряются или тормозятся заряженные частицы.

Различают низкий, средний и высокий вакуум. Низкий вакуум – разряженность газа, при которой d , средний вакуум – d , высокий вакуум

– d .

Примерная разбивка по давлениям: 110 1 [Па] – низкий вакуум; 1 10 2 [Па] – средний вакуум; 10 2 10 5 [Па] – высокий вакуум;

10 5 10 7 [Па] – сверхвысокий вакуум.

Вакуум обеспечивается методом откачки объема при помощи насосов. Существует большое количество типов насосов, обеспечивающих вакуум той или иной степени. Степень вакуума измеряется при помощи приборов – манометров, которые тоже образуют отдельный большой класс.

13

2.4. Твердое тело

Твердыми называются тела, которые имеют постоянную форму и объем. Поскольку в электронике применяются только кристаллы и жидкие кри-

сталлы, остановимся только на них.

Кристаллизация. В этом случае в жидкости, охлажденной до определенной температуры, появляются области с упорядоченным расположением прочно связанных между собой частиц (кристаллы), которые при дальнейшем охлаждении вещества разрастаются путем присоединения к ним частиц из жидкой фазы и охватывают в конце весь объем вещества.

При кристаллизации возникновение специфических свойств вещества как твердого тела обусловлено увеличением сил связи между молекулами или атомами не в результате уменьшения расстояния между ними, а вследствие упорядоченного их расположения.

Упорядоченное расположение молекул и атомов в твердом теле приводит к образованию некоторой правильной структуры, которая имеет название «кристаллическая решетка» и представляет собой «объемную сетку», в узлах которой располагаются частицы (атомы, ионы или молекулы). В основе любой кристаллической решетки лежит элементарная кристаллическая ячейка с

характерным для данной решетки расположением атомов.

Доказательством наличия у твердого тела кристаллической решетки являются результаты рентгенографии и электронографии. Только эти методы могут позволить обнаружить кристаллическую решетку. Это обстоятельство объясняется тем, что длина волны (де Бройля в случае e ) сравнима с периодом кристаллической решетки 5 20 Å и дифрагирует на решетке. Период кри-

сталлической решетки является вторым ее параметром.

Характерной особенностью кристалла является анизотропия его свойств, т.е. зависимость его свойств от свойств макроскопического тела, от направления, связанного с некоторой системой координат.

14