Контрольні питання1)

1 Енергетичні зони в кристалах. Зона провідності, заборонена зона, валентна зона. Метали, напівпровідники, діелектрики з точки зору зонної теорії.

2 Напівпровідники. Власні, домішкові напівпровідники. Рух електронів та дірок. Власна провідність напівпровідників.

3 Домішкова провідність напівпровідників. Донорні рівні, акцепторні рівні.

4 Контакт електронного та діркового напівпровідників. Електричне поле p-n - переходу. Потенціальний бар’єр p‑n‑ переходу. Вольт-амперна характеристика. Напів­провідниковий діод.

5 Транзистор. База, емітер, колектор. Транзисторний підсилювач напруги.

6 Внутрішній фотоефект. Сонячні батареї.

7 Пояснити температурну залежність власного напівпровідника. Записати вираз, що описує цю залежність. Пояснити високу чутливість напівпровідників до зміни температури.

8 Зобразити схему експериментальної установки та пояснити принцип її роботи.

2. Лабораторна робота«Вивчення спектральних закономірностей у спектрі атома водню і визначення сталої Рідберга»

Мета роботи:1) експериментально вивчити спектральні закономірності у спектрі атома водню; 2) визначити сталу Рідберга.

Обладнання:1) монохроматор УМ-2; 2) заповнена воднем газорозрядна трубка; 3) індукційна високовольтна котушка (джерело високої напруги); 4) блок живлення; 5) графік для визначення довжини хвилі за показником шкали барабана монохроматора (дисперсійна крива).

1. Опис експериментальної установки та методу дослідження

Спектр атомарного водню, світіння якого збуджується в розрядній трубці при низькому тиску, є лінійчастим з деякою правильною послідовністю спектральних ліній. Ці закономірності описуються узагальненою формулою Бальмера

. (7.2.1)

Тут – довжина хвилі випромінювання;nтаk– цілі числа (n <k);R– стала Рідберга (1,097·10⁷м^-1). Це співвідношення було отримане як узагальнення експериментальних досліджень. Вираз (7.2.1) описує різні спектральні серії:

• при – серію Лаймана в ультрафіолетовій частині спектра;

• при – серію Бальмера у видимій частині спектра;

• при – серію Пашена в інфрачервоній частині спектра і т. ін.

Уперше теоретичне пояснення спектральних закономірностей у спектрі атома водню дав Н. Бор. Теорія Бора ґрунтується на двох постулатах:

1 Атом може перебувати не у всіх станах, які допускаються класичною механікою, а лише у деяких вибраних (квантових) станах, що характеризуються визначеними дискретними значеннями енергії ,,. У цих станах, усупереч класичній електродинаміці, атом не випромінює електромагнітних хвиль. Такі стани називають стаціонарними.

2 При переході з одного стаціонарного стану в інший атоми випромінюють або поглинають кванти енергії, частоти яких визначаються умовою

, (7.2.2)

де ,– повні енергіїn-го таk-го стаціонарних станів атома;h– стала Планка; ν – частота кванта електромагнітної хвилі.

Для n-го стаціонарного стану момент імпульсу електрона, що обертається навколо ядра, набуває дискретних значень і визначається співвідношенням

, (7.2.3)

де m– маса електрона;u– його швидкість на орбіті;r– радіус орбіти. Співвідношення (7.2.3) називаютьправилом квантування.

Виходячи з постулатів Бора, правила квантування, другого закону Ньютона для електрона, що обертається по коловій орбіті, можна визначити довжини електромагнітних хвиль, які випромінюються атомом водню при переході з n-го стаціонарного стану наk-й. Порівнюючи ці результати з формулою (7.2.1), можна знайти аналітичний вираз [3, 6] для сталої Рідберга:

, (7.2.4)

де e–елементарний заряд;c– швидкість світла;– електрична стала. Значення (7.2.4) виявилося дуже близьким до емпіричного значення сталої Рідберга. Повного збігу теоретичного значення сталої з емпіричним було досягнуто з урахуванням того, що в атомі електрон обертається не навкруги центра ядра, а електрон і ядро обертаються відносно їх спільного центра мас. Тому у формулі (7.2.4) замістьmнеобхідно брати зведену масу системи електрон – ядро

. (7.2.5)

У лабораторній роботі необхідно провести експериментальне вивчення спектральних закономірностей у видимій частині спектра атома водню, тобто серії Бальмера. Для цього використовується установка, наведена на рис. 7.2.1. Основними компонентами її є газорозрядна трубка з воднем та монохроматор УМ-2.

Газорозрядна трубка 6 наповнена воднем під низьким тиском та підключена до джерела 2 високої напруги. Під дією високої напруги в трубці відбувається газовий розряд, унаслідок якого спостерігається атомарне світіння водню. Експериментальне дослідження спектральних закономірностей цього світіння проводять за допомогою монохроматора УМ-2.

Випромінювання від трубки 6 спрямовується до приймальної щілини 7 універсального монохроматора УМ‑2 (рис. 7.2.1). Усередині монохроматора світло проходить спочатку коліматор 8 (систему щілин та лінз), який перетворює падаюче світло в тонкий паралельний пучок. Далі тонкий паралельний пучок світла спрямовується на систему призм 9, на виході яких він розкладається у широкий спектр. Система призм 9 за допомогою барабана 3 може повертатися так, що у вихідний окуляр 5 зі стрілочкою (візиром) 4 потрапляє невелика досліджувана область спектра. На лімбі барабана 3 нанесені поділки, що пов’язані з кутом повороту системи призм 9. Для знаходження довжини спектральної лінії хвилі, яка спостерігається на фоні стрілочки 4, спочатку визначають показання на лімбі барабана 3, а потім використовують спеціальний графік, що встановлює відповідність показань на лімбі з довжиною хвилі.

Таким чином, монохроматор УМ-2 дозволяє експериментально визначити довжини хвиль випромінювання атомів водню у видимому діапазоні хвиль. Використовуючи ці дані, можна перевірити співвідношення (7.2.1) та отримати емпіричне значення сталої Рідберга, яке необхідно порівняти з теоретичним (формули (7.2.4), (7.2.5)). У цьому і полягає сутність лабораторної роботи.

Рисунок 7.2.1 – Схема експериментальної установки: 1 – кнопковий вимикач живлення джерела високої напруги; 2 – джерело високої напруги; 3 – барабан; 4 – стрілочка (візир); 5 – окуляр; 6 – газорозрядна трубка; 7 – приймальна щілина монохроматора УМ-2; 8 – колі­матор; 9 – система призм