- •295 Основнi уявлення квантової механiки розділ 9. Елементи квантової механiки
- •Основнi уявлення квантової механiки
- •9.1.1. Мiсце квантової механiки в системi наук про рух тiл
- •9.1.2. Гiпотеза де Бройля
- •9.1.3. Спiввiдношення невизначеностей Гейзенберга
- •9.1.4. Основне рiвняння квантової механiки – рiвняння Шредiнгера
- •Знайдемо відповідні частиннi похiднi, а саме:
- •9.1.5. Рiвняння Шредiнгера для атома водню
- •9.1.6. Багатоелектроннi атоми
- •Випромiнювання та поглинання енергiї атомами та молекулами
- •9.2.1. Атомнi спектри
- •9.2.2. Молекулярні спектри
- •Люмiнесценцiя
- •9.3.1. Види люмінесценції
- •9.3.2. Фотолюмiнесценцiя, закон Стокса
- •9.3.3. Механізми люмінесценції
- •Індуковане випромінювання
- •9.4.1. Рівноважна та інверсна заселеність
- •9.4.2. Будова та принцип дiї лазера
- •Електронний парамагнiтний резонанс, ядерний магнiтний резонанс та їх медико-бiологiчнi застосування
- •9.5.1. Метод електронного парамагнiтного резонансу
- •9.5.2. Метод спiнових мiток (спiнових зондiв)
- •9.5.3. Спiн-iмунологiчний метод
- •9.5.4. Метод ядерного магнiтного резонансу
- •Практикум з квантової механіки
- •9.6.1. Практичне заняття “Основні уявлення квантової механіки”
- •Теоретичнi питання, що розглядаються на практичному занятті
- •Додаткова лiтература для пiдготовки до практичого заняття
- •Завдання для самостiйної роботи I самоконтролю
- •Типовi задачi з еталонами розв’язкiв
- •1. Хвильовi властивостi частинок. Формула де Бройля.
- •Розрахуємо довжину хвилi де Бойля для електрона
- •2. Електронний мiкроскоп, його межа розрiзнення.
- •3. Спiввiдношення невизначеностей Гейзенберга.
- •4. Квантовi числа, їх фiзичний змiст
- •5. Атомнi спектри
- •Завдання для перевiрки кiнцевого рiвня знань
- •Порядок виконання
- •Порядок виконання:
- •Контрольні питання
Завдання для перевiрки кiнцевого рiвня знань
Записати рiвняння Шредiнгера для атома водню.
Визначити границi серiї Лаймана i вказати, в якiй областi спектра лежить вказана серiя?
Розрахувати орбiтальний момент iмпульсу електрона в станi 3р.
Знайти межу розрiзнення електронного мiкроскопа з кутовою апертурою = 10–2 рад.
Розрахувати енергiю атома водню, якщо електрон знаходиться в станi 3S.
Середня тривалiсть життя молекули в збудженому станi дорівнює 10–8 с. Система випромiнює світло, яке має довжину хвилi = 610 нм. Чому дорiвнює невизначенiсть довжинi хвилi ?
Розрахувати довжину хвилi де Бройля для електрона, який пройшов прискорюючу напругу = 100 В.
Вказати максимальну кiлькiсть електронiв у багатоелектронному атомi, що може знаходитись на різних пiдрiвнях та шарах атома.
Електрон пролiтає щiлину шириною х = 1 мкм. З якою похибкою може бути визначена складова iмпульса вздовж вiсi х пiд час прольоту щiлини?
Записати електроннi конфiгурацiї для атомiв азота та вуглецю.
Вiдобразити графiчно (в декартових координатах) орбiталi електрона, якi характеризуються значеннями орбiтального квантового числа l = 0, 1, 2.
Знайти проекцiї орбiтального момента електрона на напрямок зовнiшнього магнiтного поля, який характеризується орбiтальним квантовим числом l = 2.
Вказати можливi значення проекцiї спiна електрона на напрямок зовнiшнього магнiтного поля.
Середня тривалiсть життя молекули в збудженому станi дорiвнює 10–8 с. Система випромiнює світло з частотою v = = 0.461015 с–1. Вказати невизначенiсть частоти v.
9.6.2. Лабораторна робота “Застосування фотоелемента для вимiру освiтленостi та визначення його чутливостi”
Мета роботи: Ознайомитись з принципом дiї вентильного фотоелемента. Визначити iнтегральну чутливiсть фотоелемента. Навчитися використовувати фотоелемент для вимiру освiтленостi.
Прилади та обладнання: Лабораторна установка, що вмiщує: селеновий фотоелемент, оптичну лаву, лампу розжарювання, мiкроамперметр.
Питання для підготовки до лабораторної роботи
Зовнішній фотоефект.
Закони зовнішнього фотоефекту.
Застосування зовнішнього фотоефекту.
Фотоефект в напівпровідниках.
Застосування внутрішнього фотоефекту.
Додатковал література
Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1978. – Ч.2
Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1996.
Короткi теоретичнi вiдомостi
Вентильний фотоелемент (фотоелемент iз запираючим шаром) становить основу люксметра – приладу для вимiрювання освiтленостi. Розглянемо принцип його дiї. Як вiдомо, у мiсцi контакту напiвпровiдникiв p- та n-типiв виникає область p-n переходу завтовшки 0.1 мкм. Для цiєї областi характерними є мала концентрацiя носiїв заряду (вiльних електронiв і дiрок) та наявнiсть контактної різницi потенцiалiв (мал. 9.35). При освiтленнi p-n переходу та прилеглих до нього областей у напiвпровiдниках вiдбувається явище внутрiшнього фотоефекту, тобто утворюються пари дiрка-електрон. Якщо народження такої пари вiдбувається поряд з областю p-n переходу, то i електрон, i дiрка можуть уникнути рекомбiнацiї на шляху до p-n переходу. Пiд дiєю електричного поля p-n переходу заряди, що утворились, роздiляються. Так, наприклад, дiрка, що утворилася пiд дiєю свiтла в областi напiвпровiдника n-типу i досягла областi p-n переходу, буде втягнута електричним полем p-n переходу в область напiвпровiдника p-типу, в той час як електрон залишається в областi напiвпровiдника n-типу. Таким чином, роздiлення зарядiв, що утворилися, вiдбувається внаслiдок односторонньої (“вентильної”) провiдностi p-n переходу для неосновних носiїв (дiрок – для напiвпровiдникiв n-типу та електронiв – для напiвпровiдникiв p-типу).
В результатi роздiлення зарядiв мiж напiвпровiдниками p- та n-типiв виникає електрорушiйна сила. Її величина досягає 0.1–15 В i визначається кiлькiстю електронно-дiркових пар, що утворилися в результатi внутрiшнього фотоефекту. Кiлькiсть цих пар, в свою чергу, пропорцiйна кiлькостi фотонiв, що падають на фотоелемент, тобто освiтленостi фотоелемента.
|
|
|
Мал. 9.35. Розділення зарядів, що утворилися під дією світла, у вентильному фотоелементі. |
|
Мал. 9.36. Схема селенового фотоелемента із запираючим шаром. |
Вентильнi фотоелементи виготовляють на основi селена, германiя, кремнiя, сiрчастого срiбла. У нашiй роботi ми маємо справу з селеновим фотоелементом (мал. 9.36). На полiровану залiзну пластинку, яка є одним з електродiв фотоелемента, наносять шар селена з провiднiстю р-типу (основнi носiї - дiрки). Зверху на шар селена напиляють тонкий, прозорий для світлових променiв шар срiбла, котрий виконує роль другого електрода. За рахунок дифузiї атомiв срiбла в шар селена останнiй набуває провiдностi n-типу (основнi носiї – електрони). Мiж чистим селеном та селеном з домiшками срiбла виникає область p-n переходу. Свiтло легко проходить крiзь прозору плiвку i викликає явище внутрiшнього фотоефекту в шарi селена (в основному, в шарi селена n-типу). В результатi роздiлення зарядiв – електронiв та дірок – електричним полем p-n переходу виникає електрорушiйна сила, при цьому залiзна пластинка має додатний заряд. Якщо плiвку срiбла з’єднати з залiзною пластинкою провiдником, пiдключивши в коло гальванометр, то останнiй покаже присутнiсть електричного струму, що тече в зовнiшньому колi вiд залiза Fe (+) до верхнього електрода М (–).
Таким чином, вентильний фотоелемент поводить себе при освiтленнi як генератор ЕРС, причому величина фотоструму iФ виявляється пропорцiйною до величини свiтлового потоку Ф, який падає на активну поверхню фотоелемента: iФ = kФ. Коефiцiєнт пропорцiйностi k зветься iнтегральною чутливiстю. Вiн чисельно дорiвнює силi струму в колi фотоелемента, який виникає при умовi освiтлення активної поверхнi свiтловим потоком в 1 люмен:
k = iФ /Ф мкА / лм.
Чутливiсть селенових фотоелементiв досить значна i може досягти 500 мкА/лм.
Якщо активна поверхня S фотоелемента освiтлюється потоком свiтла Ф, то
Ф = ES,
де Е – освiтленiсть поверхнi фотоелемента. Отже, маємо
iФ = kФ = kES.
Оскiльки iнтегральна чутливiсть фотоелемента k та його активна поверхня S – величини сталi, то величина фотоструму iФ виявляється пропорцiйною до освiтленостi Е. Освiтленiсть фотоелемента у випадку точкового джерела свiтла (коли вiдстань мiж лампою та фотоелементом значно бiльше за розмiри нитки розжарювання лампи) розраховується за формулою:
E = I / R2,
де R – вiдстань мiж джерелом свiтла та поверхнею фотоелемента, а I – сила свiтла джерела (значення І вказане на приладі).
Завдання 1. Виконати градуювання вентильного фотоелемента.
Порядок виконання:
1. Ознайомитися з лабораторною установкою для градуїровки фотоелемента (мал. 9.37).
2. Пiдключити джерело свiтла до джерела струму.
3. Для 5-6 вiдстаней R мiж фотоелементом та джерелом свiтла визначити силу фотоструму.
4. Для кожної з цих вiдстаней розрахувати освiтленiсть Е за формулою E = I / R2 в люксах (лк).
Мал. 9.37. Установка для градуювання фотоелемента.
5. Результат занести до таблицi.
№ |
Освiтленiсть Е, лк |
Фотострум iФ, мкА |
1 2 3 4 5 |
|
|
6. За даними таблицi побудувати графiк iФ = f(E).
7. Одержаний графiк може бути використаний для вимiру освiтленостi будь-якої поверхнi. Для цього досить розташувати фотоелемент на цiй поверхнi i визначити iФ. Значення освiтленостi поверхнi, що вiдповiдає одержаному значенню iФ, визначається за допомогою графiка iФ = f (E).
Завдання 2. Визначити iнтегральну чутливiсть фотоелемента.