Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Бордовский Г.А. Физика учеб. пособие для студентов фак. естествознания пед. ин-тов

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

9.06 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 / 2220 21 22 > Следующая >>>

схема	транзистора представлена на рис.6 .4 0 . Одна из	р -	обла
стей	называется эмиттером, а другая - коллектором,	и -	область

	Рис.6.40				Рис,6 .4 1
носит название			базы.	Одна из возможных схем включения транзи
стора р	- п	-	р типа	изображена на	р и с .6 .4 І . Транзистор вклю
чается	так,	чтобы дырки из эмиттера			легко проникали в базу ,

т .ѳ . эниттерный переход включается в пропускном направлении .

Поскольку база делается очень тонкой ( ~ 1 0 см) , то дырки

быстро оказываются в поле коллекторного р -п перехода и почти

все попадают на коллектор. Иными словами, токи через переход

эмиттер		- база	и база	- коллектор приблизительно равны	друг
другу	(	Іэ ~	1к ) .	Однако сопротивление коллекторного	пере
хода	Вк	во много раз превышает сопротивление эмиттерного пе
рехода		Кэ t	поскольку он включен в запорном направлении.

Допустим, что в змиттерной цепи произошло некоторое изменение

тока	Д Ід . Изменение	падения напряжения в этой цепи соста
вит	ДѴэ =ДІэКэ. Соответственно в		коллекторной цепи			падение
напряжения изменится на		величину	Д Ѵк	=	дГк RK. Поскольку
Д і э	Ä ДІк* можно запиоать, что		ДѴК	*	ДІЭ RK	или
		ЛѴ к	RK			(6 .22)
		ДѴэ	р э

т .е . изменение напряжения в коллекторной цепи будет во столь ко раз больше вызвавшего его изменения напряжения в цепи эмит тер - база, во сколько раз сопротивление коллекторного пере - хода больше сопротивления -эмиттерного перехода. Соответствен но возрастает и мощность в цепи коллектора. Итак, в данном случае транзистор является усилителем напряжения и мощности.

Полупроводники находят исключительно широкое и важное - 190 -

применение. Они используются в различного рода радиотехничес ких и электронных схемах, в автоматике, в вычислительной тех

нике, для измерения освещенности, температуры и т .д . ■	Класс
полупроводниковых материалов очень широк. В последнее	время

созданы органические полупроводники. Кроме того оказалось,что некоторые биологические системы можно рассматривать как полу проводники, в частности, к биополимерам применима зонная тео рия. Биологические исследования показали, что явления, проте кающие в упорядоченных биологических структурах нельзя до конца понять, если не рассматривать биополимер как твердое

тело. Ничего удивительного в этом нет. Ведь молекула белка

состоит из миллионов атомов и представляет подобно кристаллу,

квантовомеханическую систему. Существует несколько			моделей
молекулы	белка: в виде полилептидной	цепочки, с чередованием
связей -	С = 0 . . . Н - № - ; в виде	полипептидной	спирали, в

виде системы, состоящей из полипѳптидных групп, соединенных водородной связью и др. Ширина запрещенной зоны в молекуле белка составляет по различным данным от 3 до 5 зв . Было уста новлено, что белки обладают дырочной проводимостью с энергией активации акцепторов ~ 2 , 5 - 3 эв . Многие факты указывают на т о , что дырки и электроны принимают участие в биологических процессах.

§6 .6 . Упражнения

1. Рассчитайте три первых воровских радиуса электрона в атоме водорода.

2. Рассчитайте три первых боровских радиуса электрона в

однократно ионизированном атоме гелия.
3 . Сколько линий может появиться в		спектре	испускания
водорода, если его атомы возбудили в состояние			о п = 4 ?
4 . Какую, минимальную	энергию нужно	сообщить атому		водо -
рода, чтобы привести его в	возбужденное	состояние?
5 . Рассчитайте ионизационный потенциал атома водорода -
энергию, необходимую для освобождения электрона.
6 . Запишите электронные конфигурации элементов				второго
периода таблицы Менделеева.

- І9І -

7 .	Определите to s	насыщения в вакуумном диоде	при темпе
ратуре	І000°К . Работа	выхода электрона из катода	составил

ѳт 4 ,5 эв . Сколько электронов докидает катод ежесекундно? 8 . Что должно сильнее зависеть от температуры - сопро

тивление	металла или полупроводника? Почему ?
9 .	Ширина запрещенной зоны полупроводника составляет

2.0 эв . Определите длину волны света, способного возбудить электрон из валентно! зоны в свободную.

1 0 . Какой максимальной скорости может	достичь дождевая
капля диаметром 0,2 5 мм? Вязкость воэдуха	принять равной
1 ,5 «ІО− 4 н /и .сек .

- 192 -

Г л а в а	УП
СТРОЕНИЕ ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
§ 7 .1 . Свойства	и строение ядра
Ядерная физика, занижающаяся изучением свойств и строе -
ния атомных ядер, является в	настоящее время передним		краем
физической науки. Несмотря на то, что данный раздел		физики
нельзя считать завершенным,	и перед учеными стоят многие		не
решенные проолѳмы, достижения в этой области огромны и с			ус
пехом используются в медицине, биологии, энергетике		и т .д .
7 . І . І . Свойства ядер
В предыдущей главе ядро рассматривалось как массивная

положительно заряженная часть атома, обладающая исключительно

малыми размерами	С ~	ІО- ^ см ). Однако установлено,	что ядро
является сложным ооразованиѳм. Оно состоит из частиц			двух
сортов: протонов	(р)	и нейтронов ( п ) , называемых	вместе

нуклонами. Протон обладает положительным электрическим заря -

дом, численно равным заряду электрона.			Масса	т р	покоящегося
протона в 1836	раз превышает массу т		е покоя электрона			.
Масса нейтрона	лишь на З т *	превышает	m P	( Hin =	І 8 3 9 т е)	,

но нейтроны не имеют электрического заряда, заряд ядра,а сле довательно, и порядковый номер элемента в периодической таб -

лице определяется числом протонов (		Z	) , входящих в состав
ядра^/, поэтому Z называется зарядовым числом. Обозначим чи-
I /	В ядерной и атомной физике часто	используют		атомную едини
	цу массы (I а .е .м . = 1,66 10-27	к г).	Масса	электрона сос -
	тавляет 5 ,4 9 .ІО− 4 а .е .м .
2 /	Самое простое ядро - ядро атома	водорода -		состоит только
	из одного протона.

- 193 -

ело нейтронов N .Полное число нуклонов в ядре А = N + Z

называется массовым числом. Используя эти понятия, ядро како го-либо элемента (X) обозначают следующим символом - ZXA

(jH *, gO1 6 , 92^		и ДР«)»		Элементы, ядра которых имеют				оди
наковое	число протонов,		но	отличаются количеством нейтронов ,
называются изотопами. Каждый химический						элемент	имеет,	как
правило, по нескольку изотопов. Например, известно четыре
иэотопа	водорода: jH* -		протий,		- дейтерий,		jH3 - третий,
jH^ - четырехнуклонный водород. Самый тяжелый из							естественных
элементов - уран -		имеет	три изотопа:			^ 3 , 9 2 U
9 2U 23 8	и т .д .
	7 .1 .2 .		ирирода		ядерных	сил
Строение ядра		не может		быть объяснено с помощью рассмат

риваемых до сих пор сил (гравитационных или электромагнитных). Действительно, между протонами, находящимися в ядре, на рас - стоянии ~ 1 0 см, возникают колоссальные силы отталкивания,

которые в ІО3^ раз превышают силы гравитационного притяжения. Очевидно, что между протонами и нейтронами действуют специфи ческие, ялерные силы, превышающие по своей величине гравита -


ционныѳ	и электромагнитны е.Установлено,		что на расстоянии,
большем	чем 2 -ІО“ 3 см они практически не		проявляются.На	рас
стоянии	І-ІО −1 3 - 2 »І0 “ 3 см ядерныѳ силы являются силами
притяжения между нуклонами, а на		расстоянии, меньшем,		чем
І* І0 3	см они становятся силами	отталкивания. Поэтому		ядра

"несжимаемы" и обладают огромной плотностью ~ 4,І.ІС г*кг/см 3.

Также установлено, что ядерныѳ силы одинаково действуют между

любыми нуклонами (р - р ,	п - п	, р - п ) .
Природа ядерных сил	весьма	своеобразна. По теории, раз -


работанной			в 1935 году Юкавой, нуклоны связаны в йдре благо -
даря		тому,	что испытывают непрерывное превращение друг в дру
га	с	испусканием и поглощением особых			элементарных частиц -
<Г	-	мезонов (пионов),		существует три	вида пионов ('1Г+, 1ГВ,(Г'").
Масса нейтрального f *				мезона составляет 263 т е , а заряженные

1/ Взаимодействие нуклонов между собой получило название сильного взаимодействия.

- 194 -

пионы имеют массу, равную 273 массам электрона. Процесс вэа - имных превращений нуклонов можно представить следующими соот ношениями: p e r n + Г ; П — р + Т°; П ^ П + Г ; р * р + Ѵ . а взаимодействие между нуклонами может происходить, например/ по такой схеме: р + п ^ п + Т + + п п + р

--мезоны, которые испускаются и поглощаются нуклонами в ядре, не могут быть обнаружены за время их существования, поэтому они называются виртуальными. Виртуальный пион может стать ре

альным, если нуклону сообщить энергию, которая эквивалентна массе (Г - мезона (Е = т т с 2) .

—■классической шизике нет аналога ядерных сил, некоторой весьма грубой моделью этого взаимодействия может служить при

мер очень быстрого перебрасывания мяча двумя близко стоящими людьми. В среднем оба человека какое-то время одновременно

держат мяч, и таким ооразом оказываются связанными друг с дру гом.

7 .1 .3 . Энергия связи нуклонов в ядре Энергией связи называется работа, которую нужно совѳр -

шить для того, чтобы разложить ядро на отдельные составляющие его нуклоны. Чем выше энергия связи, тем более устойчиво яд — ро. Энергия связи нуклонов в ядре1обусловлена так называемым

дефектом м асс. Дефект масс заключается в		том,	что	масса	ядра
всегда меньше	суммы масс нуклонов, образующих ядро. Для при -
мера рассмотрим ядро гелия. Оно состоит из двух нейтронов						и
двух протонов. Точные измерения показывают, что т р = 1 ,0 0 7						5 8
а .е .м ., а т п	= 1,00893 а .е .м . Сумма масс	двух	протонов			и
двух нейтронов	составляет 4,03302 а .е .м .	Масса	же	ядра	гелия
равна 4,00280	а .е .м . Дефект масс составляет Д т =			0 ,0 3 0 2 2		а .е л

Это означает, что при образовании ядра гелия выделяется энер

гия эквивалентная 0,03022 а .е .м . ( д Е = д т с 2 >. Следоватѳдь-

но, полная энергия ядра меньше, чем полная энергия нѳвзаимо - действующих нуклонов. Разница в этих энергиях и составляет энергию связи..

В общем случае энергию связи можно выразить так:
ДЕ = [(Мр + Мп) ~ M « ]cz	( 7 . 1 )

- ІУ5 -

Где Mp.* Mn » Мя - соответственно масса протонов .нейт ронов и ядра. Обычно ядро характеризуют энергией связи, при -

холящейся на один, нуклон ( ) . На рис.7 Л представлена

зависимость удельной энергии связи от массового числа ядер

Видно, что наиболее

прочными являются ядра элементов, находя

щихся в

средине

таблицы Мендѳлеѳ -

ва,

и наоборот

очень легкие

очень

тяжелые

ядра

менее

стабильны .

Кроме

общей тенден

ции,

отраженной

рис.7 .1 , обнаруже

но также, что осо

рип

о т

бой

устойчивостью

обладают

ядра,

нов, или

которых

число

про-

„„„

протонов

•х

тонов

или нейтро

и нейтронов

вместе равно 2 , 8 ,

2 0 , 28,

и 126. Эти числа получили название магических. Магическим’

числом нуклонов обладают, например, ядра Не, о ,

Рв и др.

Су -

ществованиѳ магических чисел можно пояснить следующим обра

зом. Нуклоны, как и электроны, обладают полуцѳлым спиновым

квантовым числом (

± 1/2;

и к ним применим

принцип Пау

ли. Следовательно,

нуклоны в ядре должны занимать различные

энергетические

уровни.

Подобно тому, как в атомах два

элект

рона полностью

заполняют

К - слой, 8 электронов

сдой

и т.д.,определенное число нуклонов заполняет соответствующие слои в ядре. Потенциальная яма для нейтронов в ядре схемати - чески представлена на р и с .7 .2 . Полную аналогию между строени ем атома и ядра провести нельзя, поскольку в ядре нет единого силового центра. В силу этого задача о расположении нуклонов

в ядре очень усложняется. Стройной теории ядра в		настоящее
время не существует. Создано несколько приближенных теорий
объясняющих те или иные свойства атомных	ядер’. Дискретные энер
гетические состояния нуклонов, о которых	сказано	выие, рас -

сматриваются в оболочечной модели. То обстоятельство,что ядер-

- 1 9 6 -

ные силы имеют очень малый

L r

'С действия, а удельная энер

гия связи у большинства ядер почти одинакова, учитывается

в капельной модели	ядра,	по
которой нуклоны в	ядре упо -
добляются молекулам в		капле

жидкости. При помощи капель - ной модели можно приблизитель

но вычислить	энергию	связи
в различных	ядрах и т .п .

§ 7 .2 .Радиактивность ядер

Рис.7 .2	' Каждый химический элемент
	имеет несколько изотопов, но

не все из них устойчивы. Некоторые изотопы нестабильны и са -

мопроизвольно превращаются в изотопы других элементов	с и с
пусканием элементарных частиц или легких ядер. Это	явление

называется радиактивностью. Радиактивный распад ядер был отк

рыт в 1896 году А.Бѳккѳрелем (1852 - ІУ 08). Огромный вклад в решение проблемы радиактивности внесли Э.Резерфорд (І87І-ІУ 31/), П.Кюри (1859-1906) и М.Кюри-Скдадовская (1867-1934).

Радиактивность обусловлена тем, что ядерные силы облада

ют очень коротким радиусом действия. Они связывают друг с другом только ближайшие нуклоны, поэтому с ростом числа нук - лонов их связь ослабевает и ядра становятся радиактивными. На рис.7.3 представлена нейтронно-протонная диаграмма стабильных

изотопов, йидно, что в легких устойчивых ядрах число протонов

и нейтронов одинаково, но стабильные изотопы тяжелых элѳмѳн -

тов	содержат		большее число нейтронов. Самым тяжелым из ста					-
бильных		элементов является		свинец.
			7 .2 .1 .	Виды радиактивности
	При радиактивном распаде ядра могут испускать радиактив-
ное	излучение		трех сортов: ot - ,		ß - и •		у - лучи. В соответ	-
ствии с		этим	рассматривают	оС	- ,	ß -	и ^ - распад.
	При	оС -	распаде рэдиактивное			ядро	испускает оС - части	-
				-	ІУ7	-	.

Р и с.7.3

ЦУ« которая является ядром изотопа гелия gHe . Схема оС - распада такова:

ZX A — 2 . 2 У А - 4 -V 2Нв4 (7 .2 )

т .ѳ . образуется ядро нового элемента, порядковый номер которого на две еди ницы, а массовое число на четыре еди ницы меньше исходного. Примером do - распада может служить распад

238	234		(7 .3 )
92 U	Th' +	Ж

ос - распад характеризуется следую - щей осооенностью. Вылетающие оі-- час тицы обладают дискретной энергией,ко торая значительно меньше, чем потен -

циалышй барьер для o L - частиц в ядре. Выход JL - частиц осуществляется посредством тунельного эффекта. Графически ту -

нѳлирование oL - частиц через потенциальный барьер представ лено на р и с .7 . 4 .

.ß	- распад сопровождается испусканием электронов ( ß		-
лучей),	которые	имеют при этом огромные скорости, близкие	к
скорости	света.	Образующийся при J3 - распаде изотоп сохраня-

-»198 -

ѳт массовое число исходного элементе, но в таблице Менделеева


стоит на одну клетку правее. При			ß -	распаде энергия, содер
жащаяся в конечных ядрах, на Е0 меньше				энергии,	содержащейся
в исходных ядрах. Естественно ожидать,				что эту	энергию уносят
ß	- частицы. Тогда из закона сохранения энергии следует,					что
все электроны должны иметь энергию EQ. Этот ожидаемый резуль
тат	представлен на рис. 7 . 5а. На самом			же деле большинство
электронов имеет меньшую		энергию	(р и с ,7 .5 6 ). Поначалу			даже
высказывались идеи, что		при ß -	распаде закон		сохранения

энергии нарушается. Однако впоследствии было установлено, что помимо ß - частицы вылетает еще одна элементарная частица - антинейтрино ( V )• Эта частица не имеет электрического за -

ряда и обладает колоссальной проникающей способностью и чрез вычайно слабым взаимодействием с другими частицами, поэтому

долгое

время

ее не удавалось обнаружить

экспериментально.

итоге

схема

рад«активного

ß - распада

такова:

У А

+ V

(7 Л)

может служить распад полученного

при

Примером такого распада

Z+1

оС

- распаде

урана (см . (7 .3 ) ) радиактивно.го тория:

оС

—и ß

25+

Р а 234+

е°

+ N

(7 .5 )

-1

—распады сопровождаются

излучением

- квантов,

ко

торые представляют собой электромагнитное излучение

дли -

ной

волны ~

ІО−1 2 м. Возникновение

- квантов

объясняет

ся следующим образом. Ядро, образовавшееся в результате ради-

активного распада, обладает избытком энергии, т .ѳ . находится в возбужденном состоянии. При переходе его в основное состоя ние и выделяется квант электромагнитного излучения ( "ft -квант)

(см .р ис.7 . 6 ) . Этот процесс в некотором смысле аналогичен	излу
чению света возбужденными атомами. Энергия у" - квантов	в

миллионы раз превышает энергию квантов света, поскольку энер гия связи нуклонов в ядре пршерно в КЗ** раз выше энергии связи электрона в атоме.

Установлено, что все существующие в природе радиактивныѳ элементы являются продуктами распада четырех исходных элемен

тов: 9 2 U ^ » 92 U ^ "*• 93 U ^	* и 90	‘. Процесс радиактив-
-	199 -

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 / 2220 21 22 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ