Описание установки

Лабораторная установка состоит из термистора, помещенного в электронагреватель и соединенного с омметром.

Температура термистора измеряется термометром.

термометр

термистор

Электронагреватель

к омметру

Порядок выполнения работы

1. Измерить сопротивление термистора при комнатной температуре и занести в таблицу.

2. Включив электронагреватель, измерять сопротивление R термистора через каждые 10⁰С до 80⁰С.

3. Данные эксперимента занести в таблицу.

№ опыта	t,0C	T, K	, K-1	R, Ом	lnR

4. Построить график зависимости .

5. Найти тангенс угла наклона графика (график представляет собой прямую) к оси (ось х).

6. По формуле определить энергию активации.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о собственной и примесной проводимости полупроводников на основе классических представлений и зонной теории.

2. Запишите и поясните, по какому закону изменяется сопротивление полупроводников с изменением температуры.

3. Что такое энергия активации?

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 2.

2. Шубин А.С. Курс общей физики.

3. Грабовский Р.И. Курс физики.

4. Яворский Б.М. и др Курс физики, т. 2.

Физика атома и атомного ядра

Любое физическое тело состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Опытами Резерфорда (1911 г.) было установлено, что атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются по круговым орбитам электроны.

Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Нейтрон не имеет заряда, он электрически нейтрален. Протон обладает единичным положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. В нормальном состоянии атома число электронов в его оболочке равно числу протонов в его ядре.

Число положительных зарядов ядра, равное числу протонов, входящих в его состав, называется атомным номером элемента Z. Суммарное число протонов и нейтронов в атомном ядре называют массовым числом А элемента. Так как число протонов в ядре равно Z, то число нейтронов равно А – Z. Массовое число равно ближайшему целому числу, выражающему атомный вес элемента.

Атомы, имеющие один и тот же атомный номер, но разные массовые числа, называют изотопами. Химически они тождественны и представляют собой разновидности одного и того же химического элемента.

Изотопы каждого химического элемента разделяются на стабильные и неустойчивые. Ядра неустойчивых изотопов претерпевают самопроизвольный распад, превращаясь при этом в ядра атомов других элементов. Такие изотопы называются радиоактивными.

В процессе распада ядра атомов испускают радиоактивное излучение трех типов: ,, и- излучение.

- излучение представляет собой поток ядер гелия ;

- излучение – поток электронов или позитронов;

- излучение – электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны, аналогичное жестким рентгеновским лучам.

Рассмотрим электрон, движущийся в поле атомного ядра с зарядом . ПриZ = 1 такая система соответствует атому водорода, при иных Z – водородоподобному иону. Кулоновская сила взаимодействия между ядром и электроном сообщает электрону нормальное ускорение.

или , (1)

где - масса электрона;

- радиус орбиты;

- скорость электрона.

Полная энергия Е электрона складывается из кинетической и потенциальной энергий:

(2)

Подставив выражение (1) в (2), получим выражение для полной энергии электрона:

(3)

Согласно электромагнитной теории вращающийся по орбите электрон возбуждает вокруг себя переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве со скоростью света. Это означает, что вращение электрона должно вызвать непрерывное излучение, на которое электрон затрачивает часть своей энергии. Таким образом, согласно классической теории, энергия электрона все время уменьшается. Из формулы (3) следует, что меньшему значению энергии (с учетом знака) соответствует меньший радиус. В результате электрон должен упасть на ядро. В действительности атом является устойчивой системой. Из формулы (1) следует, что с уменьшением радиуса орбиты, скорость движения электрона возрастает, т. е. период обращения уменьшается. Это должно привести к непрерывному увеличению частоты излучаемых электромагнитных волн, и атом должен излучать сплошной спектр. Однако, в действительности, атом может излучать лишь линейчатый спектр. Выход из создавшегося положения был предложен Бором (1913). Основываясь на гипотезе Планка о квантовом характере излучения и поглощения света, Бор сформулировал законы движения электрона в атоме в виде трех постулатов, которые дали объяснения экспериментальным фактам:

1. Электрон в атоме может вращаться только по таким орбитам, на которых момент количества движения электрона равен целому кратному от (такие орбиты называются стационарными):

, (4)

где - скорость электрона на к – той орбите;

- радиус к –той орбиты;

к = 1, 2, 3, … - квантовые числа, определяющие принадлежность электрона к той или иной орбите;

- постоянная Планка.

2. Вращаясь по стационарной орбите электрон не излучает и не поглощает энергию.

3. Излучение или поглощение энергии происходит лишь при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую стационарную орбиту. Если электрон переходит с внешних орбит не внутренние, то излучается квант света, частота которого определяется из условия:

, (5)

где и- энергии электрона на- ной и к – той орбитах (>).

Найдем выражения для радиусов стационарных орбит и полной энергии электрона. Возводя в квадрат обе части выражения (4) и решая совместно с уравнением (1), получим:

(6)

Подставив выражение (6) в формулу (3), получим выражение для полной энергии электрона:

(7)

Из формулы (7) следует, что квантовое число определяет энергию электрона в атоме, так как остальные величины остаются постоянными.

По третьему постулату Бора при переходе электрона из стационарного состояния, характеризуемого квантовым числом , в состояние с квантовым числом() атом излучает свет с частотой:

или, так как ,

(8)

Множитель, стоящий перед скобкой, называется постоянной Ридберга и обозначается буквой :

(9)

Тогда формула (8) примет простой вид:

(10)

Формула (10) называется обобщенной формулой Бальмера и является одной из наиболее точных формул физики. Из нее следует, что все линии спектра могут быть объединены в серии. Серией называется совокупность линий, описываемых этой формулой, если , т.е. серия возникает при переходе электрона с вышележащих орбит на орбиту с данным квантовым числом. В спектре атома водорода имеется несколько серий:

серия Лаймана к = 1, = 2, 3, 4, ... (ультрафиолетовая часть спектра)

серия Бальмера к = 2, = 3, 4, 5, …(видимая часть спектра)

серия Пашена к = 3,= 4, 5, …

серия Брэкета к = 4, = 5, 6, … инфракрасное излучение

серия Пфунда к = 5, = 6, 7, …

Видимая часть линейчатого спектра водорода (серия Бальмера) состоит из ряда линий, наиболее яркими из которых являются: красная (= 3); голубая (= 4); синяя (= 5); фиолетовая (= 6).

Схематически серии линий показаны на рис. 1.

Несмотря на удачное объяснение спектральных закономерностей водорода и водородоподобных атомов, теория Бора обладает рядом недостатков. В частности, она не может объяснить спектры излучения более сложных атомов и различную интенсивность спектральных линий. Эти трудности были преодолены квантовой теорией, показавшей неприменимость классических представлений к микрообъектам.

E n = 6

n = 5

n = 4

n = 3

n = 2

n = 1

Рис. 1