Билет № 24

1. Законы отражения и преломления света. Абсолютный показатель преломления. Полное отражение света и его применение.

Световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия световых волн. В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Световые лучи при пересечении не интерферируют и распространяются после пересечения независимо друг от друга.

На границе раздела двух сред свет может частично отразиться и распространяться в первой среде по новому направлению, а также пройти через границу раздела и распространяться во второй среде. В большей или меньшей степени свет отражается от любых поверхностей. Именно поэтому мы видим все освещенные тела. Отражение света от гладких полированных поверхностей называют зеркальным. Падающие на такие поверхности параллельные лучи, отражаясь, сохраняют свою параллельность.

Поверхности большинства окружающих нас предметов шероховаты, падающие на них параллельные лучи свою параллельность не сохраняют. В этом случае отражение называют диффузным, т.е. рассеянным.

Законы отражения:

Изменение скорости и направления распространения света на границе раздела двух прозрачных сред различной оптической плотности называют преломлением света.

Законы преломления света также установлены экспериментально, но гораздо позднее законов отражения.

n_{21 –} относительный показатель преломления; V₁ – скорость света в первой среде;V₂ – скорость света во второй среде.

Если свет переходит в некоторую вещественную среду из вакуума, то отношение синусов углов падения и преломления называют абсолютным показателем преломления данной среды, n= , где с – скорость света в вакууме, V- скорость света в данной среде. Для двух сред с абсолютными показателями преломления n₁ и n₂ относительный показатель преломления n₂₁ равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды, т. е. n₂₁= . Закон преломления примет вид: . Среда с меньшим абсолютным показателем преломления называется оптически менее плотной средой.

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (n₂<n₁), например, из воды в воздух, то угол преломления Y больше угла падения . В этом случае при некотором угле падения ₀ угол преломления станет равным 90 ⁰.

Закон преломления примет вид: если вторая среда - воздух. Опыт показывает, что при достижении Y=90 ⁰ интенсивность преломленного луча становится равной нулю: свет, падающий на границу раздела сред, полностью отражается от неё. Угол падения ₀, при котором наступает полное отражение света, называется предельным углом полного внутреннего отражения, sinα₀= . При всех углах падения больших ₀ будет происходить полное отражение света. Для каждого вещества существует собственный предельный угол полного отражения, для воды он равен 49⁰, для алмаза 24⁰.

На явлении полного внутреннего отражения основано появление нового раздела оптики – волоконной оптики, в которой изучается формирование изображений при распространении света по световодам. В применяемом стеклянном волокне основная световедущая жила окружена оболочкой с меньшим показателем преломления. На границе раздела двух сред происходит полное отражение света. За счет этого световой пучок практически без потерь проходит от источника к освещаемой поверхности.

Применение различных устройств волоконной оптики очень широко: от медицины до техники. Например, одножильные световоды или жгуты из волокон много лет применяют для освещения внутренних органов при диагностике и проведении операций.

Такой прибор называется эндоскопом. Широкое применение находят световоды для передачи информации от ЭВМ. Высокопрозрачные световоды изготавливают, вытягивая световод из расплава кварцевого стекла; наружная оболочка из того же кварца легируется примесями, снижающими показатель преломления ( бор, германий, фосфор).

Законы отражения и преломления света получены первоначально экспериментально, исходя из представлений о световом потоке как совокупности световых лучей.

В действительности распространение света представляет собой волновой процесс.

2. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Существует большая группа веществ, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества называют полупроводники. К ним относятся кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, селен, оксиды некоторых металлов, сульфиды, теллуриды.

От металлов полупроводники отличаются концентрацией свободных зарядов, в полупроводниках при нормальных условиях концентрация свободных электронов в миллиард раз меньше, чем в металлах. Поэтому удельное сопротивление полупроводников на несколько порядков выше, чем у металлов. Если при нагревании металла сопротивление проводника увеличивается, то при нагревании полупроводника сопротивление значительно уменьшается. Проводимость некоторых полупроводников значительно возрастает при их освещенности. Примеси в металлах значительно снижают их электропроводимость, примеси в полупроводниках могут повысить электропроводимость в отдельных случаях в десятки тысяч раз. Электропроводимость неметаллических кристаллов существенно зависит от давления, при давлении 3-4 атм. Она может стать равной проводимости металлических кристаллов.

Электропроводимость полупроводников объясняется особенностью их кристаллического строения. Рассмотрим кристаллическую решетку германия. Германий – типичный полупроводник (z=32 ). Четыре электронных оболочки германия содержат 32 электрона-2, 8, 18, 4. Три внутренних оболочки устойчивые, т. е. в химических реакциях не участвуют, их электроны имеют сильную связь со своим ядром. Во внешней оболочке атомов германия имеется 4 валентных электрона. При сближении данного атома с соседними валентные электроны соседних атомов взаимодействуют друг с другом. Каждый атом германия находится на одинаковом расстоянии от четырех соседних атомов и образует с ними ковалентные связи, т. е. такие связи, при которых каждый из валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам. Валентные электроны могут переходит из одной ковалентной связи в другую, перемещаться по всему кристаллу. Такое перемещение хаотичное, поэтому тока не создает.

Собственная проводимость полупроводников.

Энергия ионизации атомов германия сравнима с энергией теплового движения уже при комнатной температуре. Поэтому часть внешних электронов обобществляется соседними атомами и легко переходят от одного атома к другому, становясь блуждающими частицами ( Электроны стали свободными ). Число таких электронов значительно увеличивается при нагревании или освещении. Под действием электрического поля свободные электроны станут двигаться направленно и создадут электрический ток, называемый электронным током. Одновременно с появлением блуждающего (свободного) электрона у атома полупроводника возникает свободное место в ковалентной связи, которое принято называть дыркой. Эту дырку может занять электрон из ковалентной связи соседнего атома, у которого в свою очередь образуется дырка. Таким образом блуждание электронов в кристаллической решетке влечет за собой блуждание дырок.

« Перемещение» дырок от одного атома к другому подобно движению положительного заряда, т. е. дыркам приписывается положительный заряд. Под действием электрического поля « дырки» будут перемещаться в направлении, противоположном движению электронов, создавая дырочную проводимость. Ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. В химически чистых полупроводниках электронный ток равен дырочному, а проводимость чистых полупроводников называют собственной.

Примесная проводимость полупроводников.

Проводимость полупроводников зависит не только от внешних условий, в частности от температуры и давления. Проводимость увеличивается при наличии специально подобранных примесей. Тогда наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость. Обычно основным полупроводником являются германий или кремний.

Если к четырехвалентному кремнию в качестве примеси добавить пятивалентное вещество, например, мышьяк, то для образования ковалентной связи атомов кремния и мышьяка достаточно четырех валентных электронов от каждого атома. При этом пятый валентный электрон мышьяка оказывается свободным, т.е. электроном проводимости. Примесь, валентность которой больше валентности основного полупроводника, называется донорной (отдающей электрон ). Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками n-типа. В полупроводниках – типа электронная проводимость преобладает над дырочной. Электроны называют основными носителями заряда, дырки - неосновными носителями .

Если к кремнию в качестве примеси добавить трехвалентное вещество, например, индий, то при образовании ковалентной связи атомов кремния и индия не будет хватать одного электрона. Поэтому на каждый атом индия образуется одна лишняя дырка Примесь, валентность которой меньше валентности основного полупроводника, называется акцепторной ( принимаюшей). Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками р- типа. В полупроводниках р- типа дырочная проводимость преобладает над электронной. Дырки- основные носители заряда.