Билет№35

1.Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора. (ок2, ок3, ок6)

2.Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводнико­вые приборы. (ок2, ок3, ок6)

№1 Большие успехи в исследовании структуры атомов были достигнуты в опытах Резерфорда по изучению рассеяния быстрых заряженных частиц при прохождении через тонкие слои вещества.

О пыт заключался в следующем: Свинцовый контейнер содержал радиоактивный элемент, излучающий α-частицы. В то время было уже известно, что α-частица имеет положительный заряд, равный удвоенному элементарному заряду, и что при потере этого заряда (при присоединении двух электронов) α-частица превращается в атом гелия. Суть опыта: Исследование распределения α-частиц после прохождения золотой плёнки (толщина плёнки 10^-6÷ 10^-7м). Анализируется, сколько α-частиц попало в каждую точку сферического экрана в трёхмерном пространстве.

Результаты опыта: – подавляющее количество α-частиц прошло через плёнку металла и попадало на экран непосредственно по ходу α-частиц; – однако, в любых других точках экрана также регистрировались α-частицы вплоть до 180° отражения.

Анализ привёл к следующему представлению модели атома:

1. атом по Резерфорду очень рыхл;

2. атом имеет ядро – малое по сравнению с размерами атома (R_ядра≈ 10^-15м, R_атома≈ 10^-10м);

3. в ядре сосредоточены положительные заряды;

4. окружение ядра составляет электроны, так как атом в целом нейтрален;

5. вся масса атома сосредоточена в ядре ( ∑ m_e≈ 10^-4m_ядра).

Представленная Резерфордом модель атома была названа планетарной моделью.

Недостаток: Атомы по Резерфорду неустойчивы. Со временем, в результате Кулоновского взаимодействия электроны должны были упасть на ядро. Постулаты Бора заключаются в следующем: Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Обозначив запас энергии атома при положении электрона на более удаленной от ядра орбите через Е, а на более близкой через Е и разделив потерянную атомом энергию Е - Е на постоянную Планка, получим искомую частоту.

В начале 20 века в результате изучения катодных лучей были обнаружены отрицательные частицы – электроны с зарядом 1,6^.10‾¹⁹ Кл, массой 9,11^.10‾³¹ кг, открыто рентгеновское электромагнитное излучение. Обобщив эти открытия, Дж.Томсон в 1897 году предложил свою модель атома – это положительно заряженная сфера, в которую вкраплены отрицательные электроны (подобно изюму в пудинге). Если эта модель верна, тогда металлическая фольга – это пленка положительного электричества, содержащая электроны и поток α- частиц должен легко проникать через нее, не меняя направление.

В 1909 г. сотрудники англ. ученого Э. Резерфорда это проверили. 1 из 100000 α - частиц при прохождении через золотую фольгу рассеивались на большие углы и даже поворачивали обратно. Анализируя результаты эксперимента, Резерфорд сделал вывод, что масса и заряд атома сконцентрированы в малой части объема, называемой ядром. Отклоняются те α - частицы, которые сталкиваются с ядрами. Большинство же α - частиц проходит через пространство между ядрами. Модель строения атома, предложенная Э. Резерфордом, напоминала солнечную систему. Ее называют планетарной моделью. Согласно ей, в центре атома находится положительное ядро, в котором сосредоточена вся масса атома. Вокруг ядра по круговым орбитам движутся электроны. Заряд ядра и число электронов одинаковы, т.е. атом нейтральная частица.

№2. 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.^[1]

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом 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 температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков. Собственная проводимостьПолупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Примесная проводимость. Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристалы с примесной проводимостью.Такие кристалы используются с помощью внесения примесей с атомами трёхвалентного или пяти