
- •Введение в методику экспериментов по физике атома, атомных явлений, ядра и элементарных частиц
- •Хронология экспериментов по исследованию структуры атома
- •1. Научные методы исследования в физике микрочастиц
- •1.1 Спектральный анализ
- •1.1.1 Предмет спектрального анализа. Структура атомных спектров.
- •1.1.2 Источники света
- •1.1.3 Спектральные приборы
- •1.1.4 Регистрация спектров
- •1.2 Рассеяние микрочастиц
- •1.2.1 Постановка экспериментов по рассеянию
- •1.2.2.Источники частиц
- •1.2.3 Детекторы частиц
- •1.3 Определение значений флуктуирующих величин
- •2. Некоторые явления физики микромира
- •2.1 Неопределенность значений отдельных сопряженных величин
- •2.2 Туннельный эффект
- •2.3 Вынужденное излучение. Лазеры
- •2.4 Изотопический сдвиг
- •2.5 Уширение спектральных линий
- •2.6 Радиоактивность
- •2.6.1 Общая характеристика радиоактивности
- •2.6.2 Радиоактивность
- •2.6.5 Взаимодействие ядерных излучений с веществом.
- •Зависимость максимального пробега -частиц от энергии в алюминии, биологической ткани (или воде) и воздухе
- •Зависимость пробега -частиц от начальной энергии в воздухе,
- •3. Модели
- •3.1 Модели атома
- •1. Основные понятия и определения:
- •2. Полуэмпирическая формула Бете-Вайцзеккера (бв):
- •3. Модель энергетических зон в твердых телах.
- •4. Зонная модель проводимости туннельного диода.
- •3.5 Математическая модель движения частиц в силовых полях
- •4. Методика экспериментальных исследований в лабораторном практикуме для студентов
- •Основное задание каждого исследования
- •Охрана труда и техника безопасности в лабораториях физики микрочастиц.
- •Опасность
- •4.1.2. Сериальная структура спектра водорода
- •4.1.3. Исследование спектральной чувствительности фотоэлемента
- •4.1.4 Оптические квантовые генераторы
- •8. Выполнить основное задание данного исследования
- •4.2. Квантовые явления в полупроводниках.
- •4.2.1. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника
- •4.2.3. Особенности вольт-амперных характеристик
- •4.3. Регистрация и количественная оценка ядерных излучений
- •4.3.1. Статистические свойства радиоактивных препаратов
- •4.3.2 Компьютер как элемент экспериментальной установки в исследованиях по физике микрочастиц
- •4.3.3 Счетчик Гейгера-Мюллера и его параметры
- •4.3.4 Исследование b-активности изотопа калия 19к40
- •4.4. Поглощение радиоактивного излучения в газах и твердых телах
- •4.4.1 Свободный пробег a-частиц в воздухе.
- •4.4.2. Исследование явления поглощения b-частиц в металлах
- •4.5. Математическое моделирование
- •4.5.1. Движение микрочастиц в бесконечно глубокой потенциальной яме
- •Творческие задания.
- •4.5.2. Масса и энергия связи атомных ядер
- •Литерарура
8. Выполнить основное задание данного исследования
5. Рассмотрите внимательно лазерное пятно на экране. Обратите внимание на его зернистую структуру. Наблюдая за зернами, покачайте головой справа налево. Что Вы увидели? Если никакого эффекта нет, попросите это сделать Ваших однокурсников, особенно тех, у кого зрение имеет некоторую дальнозоркость или близорукость. Сравните их наблюдения.
Разумеется, что эта зернистость следствие интерференции. Какой? Лазерный луч отражается от шероховатой поверхности экрана. Следовательно, свет, попадающий на сетчатку глаза от разных точек этой поверхности, имеет некоторую разность хода. Таким образом, мы собственными глазами «видим», что лазерное излучение обладает высокой когерентностью.
6. Воспользуйтесь поляризатором и убедитесь, что лазерное излучение поляризовано.
7. Рассмотрите лазерное пятно на экране, устанавливая экран на различных расстояниях от источника. Сделайте вывод о величине угловой расходимости лазерного излучения (о его высокой направленности). Теоретически показано, что на каждый метр пути поперечный размер лазерного пучка увеличивается не более, чем на миллиметр. Проверьте и сравните с излучением других источников света.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Что такое спонтанное и вынужденное излучение? В чем их отличие? Каков физический смысл коэффициентов Эйнштейна?
Какие общие принципы работы оптических квантовых генераторов? Из каких: основных частей состоит лазер? Каково их назначение?
Что такое инверсная населенность? Как осуществляется инверсия в гелий-неоновом лазере?
Каковы свойства лазерного излучения? Чем обусловлены их высокие количественные показатели?
Назовите известные Вам типы оптических квантовых генераторов, приведите возможные их классификации.
4.2. Квантовые явления в полупроводниках.
4.2.1. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника
Цель работы: изучить основы зонной теории твердых тел, освоить метод определения ширины запрещенной зоны собственного полупроводника путем исследования температурной зависимости его проводимости.
Приборы и принадлежности: термистор, водяная баня с нагревателем, термометр, осциллограф С1-112А.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.
ТЕОРИЯ МЕТОДА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Исследуемый
полупроводник и термометр находятся в
стеклянной колбе, которая погружается
в сосуд с водой. Нагревание производится
с помощью электроплитки. Для измерения
сопротивления полупроводника используется
осциллограф С1-112А в режиме работы
омметра. Исследуемый полупроводник
подсоединяется к гнездам “
”
и “кΩ”. На приборе устанавливается
предел 1кОм (для этого отожмите клавишу
“кΩ” и утопите клавишу “х1”).
Пустой сосуд заполняется водой до отметки. В сосуд с водой опускается колб. Нужно проследить, чтобы термометр и полупроводник находились на одном уровне.
По мере нагревания производятся измерения сопротивления полупроводника не менее 6-7 раз. После того, как температура поднимется до 700С, отключается нагреватель, и измерения повторяются по мере остывания воды, но уже при других значениях температуры.
Полученную зависимость R от Т можно представить графически в координатах R(T), однако целесообразнее представить графически зависимость lnR=f(1/T), что позволяет легко рассчитать ширину запрещенной зоны ΔЕ.
ЗАДАНИЯ
Выполнить основное задание данного исследования. При этом указанную в предисловии схему можно дополнить следующим:
Ознакомиться с понятиями:
а) электронная проводимость; б) дырочная проводимость;
в) собственная проводимость, г) примесная проводимость;
д) основные и не основные носители тока.
2. Показать на рисунке механизм дырочной проводимости, как следствие разрыва и восстановления ковалентной связи.
3. Объяснить, как и почему изменяется проводимость полупроводников вследствие изменения температуры.
4. Показать на рисунке механизм образования примесной проводимости р- или n-типа как следствие избытка или недостатка химических связей.
Модель проводимости твердых тел, рассмотренная в пунктах 2 и 4, является простой и наглядной, но в рамках этой модели можно получить только качественные оценки многих явлений. Дело в том, что носители тока (электроны и дырки), которые мы называем “свободными”, таковыми не являются в полном смысле этого слова. Вся совокупность электронов, как связанных с ядром атома, так и потерявших эту связь, образует сложную квантовую систему заряженных частиц, находящихся в электрическом поле, конфигурация которого определяется структурой кристаллической решетки твердого тела. Поэтому количественные соотношения получаются в результате сложных уравнений в рамках более строгих моделей, построенных на основании различных теорий. Одной из них является зонная теория проводимости твердых тел. Поэтому рекомендуем далее:
Ознакомиться с моделью строения атома по Н.Бору и представлениями об энергетических уровнях электронов атома.
Ознакомиться с процессом расщепления энергетических уровней и образования энергетических зон в кристаллах.
Объяснить с точки зрения зонной теории различие в проводимости металлов, полупроводников и диэлектриков.
Объяснить явление примесной проводимости, определив расположении донорных и акцепторных уровней в запрещенной зоне кристалла.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Все приведенное выше дополнение можно считать своеобразным содержанием контрольных вопросов