Билет № 9 Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.

Идеальный газ – модель газа, который по своим свойствам напоминает реальные одноатомные газы. Газ считается идеальным, если:

1) размеры молекул малы по сравнению со средним расстоянием между ними; молекулы можно принимать за материальные точки;

2) силы притяжения между молекулами бесконечно малы и не учитываются, а силы отталкивания возникают только при соударениях;

3) молекулы сталкиваются друг с другом как абсолютно упругие шары, движение которых описывается законами механики.

Газ является идеальным при небольших давлениях и не очень низких температурах. При высоких давлениях молекулы газа настолько сближаются, что между ними возникают силы притяжения. При низких температурах кинетическая энергия уменьшается и становится сравнимой с потенциальной.

Для описания свойств газов можно пользоваться:

1) Микропараметрами (скорость, масса молекулы, её энергия, импульс и т.д.);

2) Макропараметрами (давление, температура, объём).

Существуют модель классического идеального газа, свойства которого описываются законами классической физики, и модель квантового идеального газа, подчиняющегося законам квантовой механики. Обе модели идеального газа справедливы для реальных классических и квантовых газов при достаточно высоких температурах и разряжениях.

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) устанавливает связи между макро- и микропараметрами идеального газа.

В основе МКТ лежат 3 положения:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов, молекул и ионов.

2. Частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом).

3. Между молекулами действуют силы, которые в зависимости от расстояния являются силами притяжения или отталкивания.

МКТ стала одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена целым рядом опытных фактов. Основными доказательствами положений МКТ стали:

1. Диффузия – процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.

2. Броуновское движение— беспорядочное движение микроскопических видимых, взвешенных в жидкости или газе частиц твердого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.

3. Изменение агрегатных состояний вещества.

Основное уравнение МКТ выражает связь давления газа со средней кинетической энергией поступательного движения молекул. Давление газа на стенки сосуда является результатом многочисленных ударов молекул. При каждом ударе стенка получает силовой импульс, величина которого зависит от скорости молекул и, следовательно, от энергии их движения. При огромном числе ударов создается постоянное давление газа на стенку. Число ударов зависит от концентрации молекул n. Таким образом, можно ожидать, что давление газа связано с концентрацией молекул и с энергией их движения.

где n

Это уравнение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа.

Таким образом, давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы. Это утверждение можно считать другой формулировкой основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа.

На основе МКТ развит целый ряд разделов современной физики, в частности, физическая кинетика и статистическая механика. В этих разделах физики изучаются не только молекулярные (атомные или ионные) системы, находящиеся не только в «тепловом» движении, и взаимодействующие не только через абсолютно упругие столкновения. Термин же молекулярно-кинетическая теория в современной теоретической физике уже практически не используется, хотя он встречается в учебниках по курсу общей физики.

Билет № 25 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивность – это явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием частиц, обладающих большой проникающей способностью.

Излучение можно разделить на три вида:  и -лучи.

-излучение – это испускание ядер атомов гелия. Реакции, сопровождаемые -излучением, называются -распадом.

-распад может быть записан следующим образом

_Z^AX_Z-2^A-4Y+₂⁴He

Особенности -распада:

1)наблюдается для тяжёлых ядер с А200;

2)энергия частиц лежит в пределах от 2 до 9 МэВ;

3)энергии и скорости испускаемых -частиц в пучке очень близки друг к другу.

Проникающая способность -частиц мала.

-излучение – это испускание электронов. Реакции, сопровождаемые -излучением, называются -распадом.

-распад может быть записан следующим образом

_Z^AX_Z+1^AY+_-1⁰e

Особенности -распада:

1)наблюдается для тяжёлых и средних ядер;

2)скорости электронов сильно различаются по величине.

Проникающая способность -частиц гораздо больше, чем у -частиц.

-излучение – этофотоны очень большой энергии.

Испускание -излучения не приводит к превращениям элементов

(_Z^AX)*_Z^AY+

Особенности -излучения:

1)очень коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны =10^-10-10^-13 м;

2)энергия -кванта находится в пределах от десятков кэВ до нескольких МэВ.

-излучение обладает очень большой проникающей способностью.

Для каждого радиоактивного вещества существует характерный интервал времени, называемый периодом полураспада.

Период полураспада Т_1/2– это промежуток времени, за который распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер.

Закон радиоактивного распада.

N=N_o2^-t/T1/2

где Nо – количество радиоактивных ядер в начальный момент времени, N – количество нераспавшихся радиоактивных ядер через время t.

Билет № 17 Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости полупроводников.

По значению своего удельного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако деление веществ на группы по их удельным сопротивлениям условно, так как под действием ряда факторов (нагревание, облучение, наличие примесей) удельное сопротивление многих веществ изменяется, причем у полупроводников, весьма значительно. Если у металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается, то у полупроводников уменьшается (см. рисунок).

К полупроводникам относят 12 химических элементов (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.) в средней части периодической системы, многие оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества. Наибольшее применение в науке и технике имеют германий и кремний.

Различают полупроводники:

1. Собственные (т.е. беспримесные)

2. Примесные.

Примесные делят на:

1. донорные

2. акцепторные.

Проводимость собственных полупроводников:

Рассмотрим механизм на примере кремния. Кремний обладает атомной пространственной решеткой с ковалентным типом связи между атомами. При абсолютных температурах, близких к абсолютному нулю, все связи являются заполненными, т.е. свободных заряженных частиц в кристалле нет. При нагревании или облучении некоторые парноэлектронные связи разрываются, появляются свободные электроны и вакантные места, называемые дырками.

У собственных полупроводников число появившихся при разрыве связей электронов и дырок одинаково, т.е. проводимость собственных полупроводников в равной степени обеспечивается свободными электронами и дырками.

Проводимость примесных полупроводников:

Если внедрить в полупроводник примесь с валентностью большей, чем у собственного полупроводника, то образуется донорный полупроводник (Например, при внедрении в кристалл кремния пятивалентного мышьяка, один из пяти валентных электронов мышьяка остается свободным). В донорном полупроводнике электроны являются основными, а дырки неосновными носителями заряда. Такие полупроводники называют полупроводниками n- типа, а проводимость электронной.

Если внедрять в полупроводник примесь с валентностью меньшей, чем у собственного полупроводника, то образуется акцепторный полупроводник. (Например, при внедрении в кристалл кремния трехвалентного индия. У каждого атома индия не хватает одного электрона для образования парноэлектронной связи с одним из соседних атомов кремния. Каждая из таких незаполненных связей является дыркой). В акцепторных полупроводниках дырки являются основными, а электроны неосновными носителями заряда. Такие полупроводники называются полупроводниками p- типа, а проводимость дырочной.

Включаем в цепь полупроводник с n и p переходом: p со знаком +, n со знаком - . В этом случае ток через n/p переход осуществляется из n в р, а из р в n дырками. По этой причине проводимость образца велика, а сопротивление мало, рассмотренный здесь переход называется прямым ( – линия графика). При переключении образца запирающий слой переходит обратно, а переход называется обратным.