Физика ядра.Дефект массы. Энергия связи атомного ядра.

Энергия, которую надо затратить, чтобы, преодолев ядерные силы, расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи атомного ядра. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра M_я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: M_я < Zm_p + Nm_n. Разность масс ΔM = Zm_p + Nm_n – M_я.

Из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что

Есв=Dm·c^2, где Dm-дефект массы ядра.

Что такое дефект массы? Рассчитаем суммарную массу покоя нуклонов, входящих в ядро какого-либо элемента: (Z·m_p+(A-Z)·m_n ). Сравним получившееся число с массой ядра M_я. Оказалось, что для всех элементов таблицы Менделеева масса ядра меньше суммарной массы частиц, входящих в состав ядра. Разница этих значений и называется дефектом массы: Dm=Z·m_p+(A-Z)·m_n-M_я

Итак, формула, по которой можно вычислить энергию связи, имеет вид: Есв=(Z·m_p+(A-Z)·m_n-M_я)·c^2

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи: dЕ=DЕ/А. Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.

Удельная энергия связи равна энергии, которую необходимо затратить. чтобы удалить из ядра 1 нуклон. Вычисление dЕ проведены для всех химических элементов

у ядер с массовым числом 40<А<100 удельная энергия связи максимальна;

у ядер с массовыми числами А>100 удельная энергия связи с ростом А плавно убывает;

у ядер с массовыми числами А<40 с уменьшением А удельная энергия связи скачкообразно убывает.

На основании этого анализа сделан вывод о том, что практически можно осуществить два способа высвобождения внутриядерной энергии:

деление тяжелых ядер (цепная реакция)

синтез легких ядер (термоядерная реакция).

Примесная проводимость полупроводников. Проводники р-типа и n-типа.

Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков.Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. В зависимости от того, отдаёт ли атом примеси электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. Примесная проводимость полупроводников — электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных или акцепторных примесей.

Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей.

Полупроводник n-типа - этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырехвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.Проводимость N-полупроводников приблизительно равна: , где μ_n — подвижность электронов, N_n — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602×10−19 Кл).

Дырочные полупроводники (р-типа) - этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырехвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвертым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники p-типа, называются акцепторными.

Проводимость P-полупроводников приблизительно равна: