- •1. Развитие представлений о природе света.
- •2. Понятие о когерентности электромагнитных волн.
- •3. Интерференция света. Условие интерферентности волн.
- •4. Методы наблюдения интерференции света. Метод Юнга.
- •6. Расчет интерференциоии от 2-х источников света
- •5. Методы наблюдения интерференции света. Зеркала Френеля.
- •7. Интерференция в тонких пленках.
- •8. Ннтерференционные приборы и их применение.
- •9. Принцип Гюйгенса-Френеля.
- •10. Метод зон Френеля.
- •11. Явление дифракции. Дифракция Френеля на круглом отверстии.
- •Дифракция френеля на к руглых отверстиях
- •12. Явление дифракции. Дифракция Френеля на непрозрачном диске.
- •14. Дифракционная решетка. Главные и дополнительные максимумы и минимумы.
- •15. Расчет формулы дифракционной решетки
- •16. Применение дифракционной решетки. Разрешающая способность.
- •Применение явлений д-ии света
- •17. Дифракция рентгеновских лучей.
- •18 .Основы голограмм.
- •19. Дисперсия света.
- •33. Квантовая теория Планка. Формула Планка.
- •20. Электронная теория дисперсии света.
- •21. Поглощение света. Закон Бугера.
- •В прозрачных изотропных средах и в кристаллах куб. Системы может возникать двойной луч преломления под влиянием внеш. Воздейс–й, в частности это происходит при мех. Дифор. Тв. Тел.
- •27. Вращение плоскости поляризации. Эффект Фарадея.
- •28. Тепловое излучение и его характеристики.
- •29. Закон Кирхгофа для равновесного излучения.
- •30 Абсолютно черное тело. Закон Стефана-Больцмана.
- •31. Абсолютно черное тело. Закон смещения Вина.
- •32. Абсолютно черное тело. Формула Релея-Джинса.
- •34. Внешний фотоэффект и его законы.
- •35. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
- •36. Модель атома Резерфорда и ее недостатки.
- •37. Закономерности в спектре излучения атома водорода.
- •39. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества.
- •44. Уравнение Шредингера для стационарных состояний.
- •40. Волны де Бройля и их свойства.
- •41. Соотношение неопределенности Гейзенберга.
- •42. Волновая функция и её статический смысл.
- •43. Общее уравнение Шредингера нерелятивистской квантовой механики
- •45. Прохождение частицы через потенциальный барьер.
- •46. Решение уравнения Шредингера для водородоподобных атомов
- •47. Квантовые числа, их физический смысл.
- •49. Спин электрон. Спиновое квантовое число.
- •48. Пространственное распределение электрона в атоме водорода.
- •50. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям.
- •55. Спонтанное и вынужденное излучение фотонов.
- •51. Периодическая система Менделеева.
- •52. Рентгеновские спектры. Природа сплошного и характеристического рентгеновских спектров.
- •53. Физическая природа химической связи в молекулах. Понятие об энергетических уровнях.
- •54. Колебательные и вращательные спектры молекул.
- •56. Принцип работы квантового генератора.
- •57. Твердотельные и газоразрядные лазеры. Их применение.
- •58. Фононы. Теплоемкость кристаллической решетки.
- •59. Элементы зонной теории в кристаллах.
- •60. Энергетические зоны в кристаллах. Валентная и зона проводимости.
- •62. Понятие о квантовой статистике Ферми-Дирака. Уровень Ферми.
- •1. Развитие представлений о природе света.
58. Фононы. Теплоемкость кристаллической решетки.
Так, А. Эйнштейн, приближенно считая, что колебания атомов кристаллической решетки независимы (модель кристалла как совокупности независимых колеблющихся с одинаковой частотой гармонических осцилляторов), создал качественную квантовую теорию теплоемкости кристаллической решетки. Она впоследствии была развита П. Дебаем, который учел, что колебания атомов в кристаллической решетке не являются независимыми (рассмотрел непрерывный спектр частот гармонических осцилляторов). Рассматривая непрерывный спектр частот осцилляторов, П. Дебай показал, что основной вклад в среднюю энергию квантового осциллятора вносят колебания низких частот, соответствующих упругим волнам. Поэтому тепловое возбуждение твердого тела можно описать в виде упругих волн, распространяющихся в кристалле. Согласно корпускулярно-волновому дуализму свойств вещества, упругим волнам в кристалле сопоставляют фононы, обладающие энергией E=h. Фонон есть квант энергии звуковой волны (так как упругие волны — волны звуковые). Фононы являются квазичастицами — элементарными возбуждениями, ведущими себя подобно микрочастицам. Аналогично тому как квантование электромагнитного излучения привело к представлению о фотонах, квантование упругих волн привело к представлению о фононах. Квазичастицы, в частности фононы, сильно отличаются от обычных частиц (например, электронов, протонов, фотонов), так как они связаны с коллективным движением многих частиц системы. Квазичастицы не могут возникать в вакууме, они существуют только в кристалле. Импульс фонона обладает своеобразным свойством: при столкновении фононов в кристалле их импульс может дискретными порциями передаваться кристаллической решетке — он при этом не сохраняется. Поэтому в случае фононов говорят о квазиимпульсе. Энергия кристаллической решетки рассматривается как энергия фононного газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна (см. § 235), так как фононы являются бозонами (их спин равен нулю). Фононы могут испускаться и поглощаться, но их число не сохраняется постоянным; поэтому в формуле (235.1) для фононов необходимо положить равным нулю.
59. Элементы зонной теории в кристаллах.
Используя уравнение Шредингера — основное уравнение динамики в нерелятивистской квантовой механике,— в принципе можно рассмотреть задачу о кристалле, например найти возможные значения его энергии, а также соответствующие энергетические состояния. Однако как в классической, так и в квантовой механике отсутствуют методы точного решения динамической задачи для системы многих частиц. Поэтому эта задача решается приближенно сведением задачи многих частиц к одноэлектронной задаче — задаче об одном электроне, движущемся в заданном внешнем поле. Подобный путь приводит к зонной теории твердого тела.
В основе зонной теории лежит так называемое адиабатическое приближение. Квантово-механическая система разделяется на тяжелые и легкие частицы — ядра и электроны. Поскольку массы и скорости этих частиц значительно различаются, можно считать, что движение электронов происходит в поле неподвижных ядер, а медленно движущиеся ядра находятся в усредненном поле всех электронов. Считая, что ядра в узлах кристаллической решетки неподвижны, движение электрона рассматривается в постоянном периодическом поле ядер.
Далее используется приближение самосогласованного поля. Взаимодействие данного электрона со всеми другими электронами заменяется действием на него стационарного электрического поля, обладающего периодичностью кристаллической решетки. Это поле создается усредненным в пространстве зарядом всех других электронов и всех ядер. Таким образом, в рамках зонной теории многоэлектронная задача сводится к задаче о движении одного электрона во внешнем периодическом поле — усредненном и согласованном поле всех ядер и электронов.
Рассмотрим мысленно процесс образования твердого тела из изолированных атомов. Пока атомы изолированы, т. е. находятся друг от друга на макроскопических расстояниях, они имеют совпадающие схемы энергетических уровней (рис. 313). По мере «сжатия» нашей модели до кристаллической решетки, т. е. когда расстояния между атомами станут равными межатомным расстояниям в твердых телах, взаимодействие между атомами приводит к тому, что энергетические уровни атомов смещаются, расщепляются и расширяются в зоны, образуется так называемый зонный энергетический спектр.
И з рис. 313; на котором показано расщепление уровней как функция расстояния r между атомами, видно, что заметно расщепляются и расширяются лишь уровни внешних, валентных электронов, наибо-лее слабо связанных с ядром и имеющих наибольшую энергию, а также более высокие уровни, которые в основном состоянии атома вообще электронами не заняты. Уровни же внутренних электронов либо совсем не расщепляются, либо расщепляются слабо. Таким образом, в твердых телах внутренние электроны ведут себя так же, как в изолированных атомах, валентные же электроны «коллективизированы» — принадлежат всему твердому телу.
Образование зонного энергетического спектра в кристалле является квантово-механическим эффектом и вытекает из соотношения неопределенностей. В кристалле валентные электроны атомов, связанные слабее с ядрами, чем внутренние электроны, могут переходить от атома к атому сквозь потенциальные барьеры, разделяющие атомы, т. е. перемещаться без изменений полной энергии (туннельный эффект, см. § 221). Это приводит к тому, что среднее время жизни т валентного электрона в данном атоме по сравнению с изолированным атомом существенно уменьшается и составляет примерно 10-15с (для изолированного атома оно примерно 10-8с). Время же жизни электрона в каком-либо состоянии связано с неопределенностью его энергии (шириной уровня) соотношением неопределенностей E~h/ (см. (215.5)). Следовательно, если естественная ширина спектральных линий составляет примерно 10-7эВ, то в кристаллах E1 — 10 эВ, т. е. энергетические уровни валентных электронов расширяются в зону дозволенных значений энергии.
Энергия внешних электронов может принимать значения в пределах закрашенных на рис. 313 областей, называемых разрешенными энергетическими зонами. Каждая разрешенная зона «вмещает» в себя столько близлежащих дискретных уровней, сколько атомов содержит кристалл: чем больше в кристалле атомов, тем теснее расположены уровни в зоне. Расстояние между соседними энергетическими уровнями в зоне составляет приблизительно 10-22эВ. Так как оно столь ничтожно, то зоны можно считать практически непрерывными, однако факт конечного числа уровней в зоне играет важную роль для распределения электронов по состояниям.
Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. В запрещенных зонах электроны находиться не могут. Ширина зон (разрешенных и запрещенных) не зависит от размера кристалла. Разрешенные зоны тем шире, чем слабее связь валентных электронов с ядрами.