Вход

Элементарные частицы в виде корпускул и волн и модель атома

Реферат по физике
Дата добавления: 05 июля 2009
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 2.3 Мб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Принцип дейст вия электронных, и полупроводниковых приборов базир у ется на движении свобод ных частиц, которые благодаря своему заряду подве р жены воздействию со стороны электрических и магнитных полей. Различают четы ре группы частиц, используемых в этих пр и борах, а именно: электроны, ионы, нейтральные атомы, или молекулы, и кванты электромагнитного излучения (фотоны, кванты рентгеновского и г- излучения); свойства этих частиц и их пов е дение определяют принцип действия прибора. 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦАХ 1 .1. Электрон. Заряд е=1,6*10 -19 к (в уравнения под ставляется положительная в е личина). Масса m =9,1*10 -28 г . e / m =1,76*10 8 к/г , или (в технической системе еди ниц) e / m ≈1,8*10 15 см 2 /в*сек 2 . m / m H =1/1835 ( m H — масса атома водорода). Радиус r ≈ 10 -13 см . Энергия E k = 1/2 mv 2 = eU . Скорость , км/сек. (1) 1.2. Ионы. В качестве примера приведены данные для иона Н+, иона Не+ и иона Hg +. Скорость иона можно определить из уравнения (1), если вместо m подставить массу иона m i , а вместо эле ментарного заряда е заряд иона q i (положительный). Ион Заряд* q i , к Радиус r i , см Масса m i , г q i/ m i , к/г Н+ Не+ Hg+ 1,6 *10 -19 1,6 *10 -19 1,6 *10 -19 1,09*10 -8 1, 10 *10 -8 1, 80 *10 -8 1,68*10 -24 6,67*10 -24 3 ,31 *10 -24 9,53*10 4 2,4*10 4 0 ,048 *10 4 * Для однозарядных ионов; у многозарядных ионов заряд в кратное число раз бол ь ше. 1.3. Кванты излучения. (Оптическое, рентгеновское и радиоактивное изл у чение) «Масса» m ф = Е ф /с 2 = h /с л , Вт*сек 3 /см 2 *. Энергия E ф = hv = hc / л = eU ф ; отсюда следует: , в ; л[ Е]. (2) Постоянная Планка h = 6,625*10 -34 вт*сек 2 ; v - ча стота, Гц; с - скорость света, см/сек; л - длина волны, см, или Е; vл = c , U ф - вольт-эквивалент энергии фото на, в. Энергия квантов оптического излучения в инфракрас ной области равна примерно 10 -3 – 1,5 эв ** , в видимой области 1,5 — 3,3 эв ; в ультрафиолетовой области 3,3 — 10 2 эв . Энергия квантов рентгеновского излучения равна 0,1 - 1 000 кэв . Энергия в- и г- излучения радиоактивных материалов от 0,01 до 10 Мэв [Со 60 (г): 1,33 Мэв, Sr 90 (в): от 0,6 до 2,2 Мэв, Т 3 (тритий) ( в) : 0,018 Мэв]. Энергия космических лучей от 10 3 до 10 12 Мэв. 2 . ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ В ВИДЕ КОРПУ С КУЛ И ВОЛН Основные сведения об элементарных частицах, приве денные в разделе А, могут быть пол у чены с помощью достаточно простых экспериментальных устройств. 2.1. Некоторые экспериментальные методы определения заряда, массы и длины волны эле к трона Определение заряда электрона е. Заряд электрона (элементарный заряд) е может быть о п ределен посредст вом следующего опыта (опыт Милликена). В микроскоп наблюдают за движением по мещенной между обкладками конденсатора частицы, заряженной одним или несколь кими элеме н тарными заря дами. Как видно из рис. 1, отрицательно заряженная в дуговом разряде капля мас ла помещается в воздухе между обкладками горизон тально расп о ложенного кон денсатора, к которым прило жено напряжение. На каплю действуют сила тяжести М g ( М — масса ма с ляной кап ли, g - ускорение силы тя жести) и в противополож ном направлении с и ла со стороны приложенного поля еЕ и сила сопротивления воздуха 6рз i av , где з i - коэф фициент вязкости воздуха, a - измеренный радиус ча стиц. Отсюда для случая равновесия (когда частица не подвижна, v = 0 ) справедливо соотнош е ние ; ; (3) е [а*сек], М [вт*сек 3 /см 2 ], g [см/сек 2 ], d [см], U [в], Е [в/см] . В этом равенстве g , d и U и з вестны. Рис. 1. Конденсатор Милликена для определения элементар ного заряда. 1 — нейтральная капля масла (за ряжается в дуге); 2 — падающая положительно заряженная капля масла (заряжается положительно в дуговом разряде или в р е зульта те фотоэффекта); 3 — отрицательно заряженная капля масла (отрица тельный ион или электрон); 4 - положительно заряженная капля масла (полож и тельный ион); 5 — дуга; 6 — обкладка конденсатора; 7 — источник света. Масса М частицы может быть найдена, если знать скорость падения частицы v в незаряженном ко н денса торе: M = 6 рз i av / g ; Таким образом, из (3) может быть найдена величина элементарного заряда е . Если каплю масла, находящуюся в равновесии, подвергнуть облучению ультрафиолетовым св е том, то вследствие внешнего фотоэффекта она может отдать свой заряд. При этом внезапный подъем или внезапное падение такой частицы в ко н денсаторе является дока зательством квантовой природы заряда, освобожденного светом, и тем самым атомист и ческой природы электри чества. Определение массы электрона m по давлению электронного луча. Вели чину массы эле к трона можно определить путем измерения силы, с кото рой действует электрон ный луч на электрод в в а кууме . Этой силе противодействует из меряемая на опыте сила закруч и вания нити, на ко торой подвешен бомбар дируемый электронами электрод (рис. 2). При равновесии нити обе силы ура в новешиваются. Сила F , с которой действует поток электронов на электрод, равна изменению полн о го импульса всех электронов, ударяющихся в единицу времени об электрод. Если mv - импульс одного электрона и он полностью пере дается эле к троду, то , откуда (4) где I – электронный ток на электрод, U - анодное на пряжение и I /е - число электронов, достига ю щих элек трода в единицу времени. Рис. 2. Схема установки для определения массы электрона по давлению электронного л у ча. 1 — катод; 2 — анод; 3 — бомбардируе мый электрод; 4 - электронный луч. Если в уравнение (4) подставить численные значения для e и m , то получим: [Г]*, I [ a ], U [в] (4 a ) Примеры и применения. Определение силы, с которой действует электронный луч на анод в рентгеновской трубке, применяемой в медицине (с электрическими пара метрами I = 1 а, U = 250 кв); с о гласно равенству (2.4а) сила F = 0,175 Г. Определение силы воздействия протонов в космотроне (масса m H ; m / m H = 1835) при I = 1 а и U = 3*10 9 в сила F = 800 Г (в течение 10 -7 сек). Определение силы тяги космического корабля (с плазменным ионным двигателем на ионах ц е зия ( m Cs / m = 5*10 2 ); при токе I = 10 3 а и напряжении U = 10 4 в сила тяги F s ≈ 17 кГ . Если F известно, то, подставляя осталь ные данные в уравн е ние (4), можно определить неизве стную массу атома. Методы определения удельного заряда электрона е/ m . а) Метод торможения вращающейся проволочной катушки. Согласно Толману и Стюа р ту в движу щемся твердом теле (например, в катушке из проволо ки, вращающейся вокруг оси с большой скоростью, рис. 3) при его внезапном затормаживании вследствие инерции электронов возн и кает импульс тока. Изменение механического импульса электронов проводимости M e v , возникающее при торможении тела до полной остановки в течение времени t 2 – t 1 приводит к п о явлению импульса тока . Так как , то или , (4б) где R , ом - сопротивление проволочной катушки; l , см - ее длина; v , см/сек = 2 р rn - линейная скорость враще ния катушки; n , 1/сек - число оборотов катушки в с е кунду; e , а*сек - заряд электрона; М e , вт*сек 3 /см 2 - полная масса всех движ у щихся электронов; I , а - мгно венный ток; F e , вт*сек/см - сила инерции всех эле к тро нов в катушке. Измеряя баллистическим методом величину , можно рассчитать значение е/М e и, зная полное число квазисвободных электронов в катушке, найти величину отн о шения e / m . Рис.3. Схема метода определения отноше ния заряда электрона к его массе (е/ m ) при резком то р можении вращающейся проволочной катушки. 1 — гальванометр; 2 - вращающаяся катушка. б) Метод электроннолучевой трубки, помещенной в поле земного магнетизма. На электронный луч с силой тока I действует со стороны магнитного поля с индукцией В отклоняющая (центрострем и тельная) сила, равная F ц = [ I x B ] . При сечении электронного луча, равном 1 см 2 , концен трации электронов n и скорости эле к тронов v 0 , выражение для плотности тока j имеет вид: (5) ( j [а/см 2 ], n [1/см 2 ], e [а*сек], v 0 [см/сек]). Сила, действующая на один электрон ( n =1 ), равна: F ц = e [ v 0 x B ] или F ц = e v 0 B sin б (6) ( F ц [ вт*сек/см ], е [ а*сек ], v 0 [ см/ сек ], В [ в*сек /см 2 ], б - угол между векторами v 0 и В ). Направление силы сов падает (в случае положительно заряженной частицы) с н а правлением поступательного движения винта с правой резь бой, когда напра в ление его вращения совпадает с направле нием поворота вектора v 0 по кратчайш е му пути к вектору В . Направление силы, действующей на отрицательно заряжен ную частицу, будет противополо ж ным. В однородном магнитном поле ( B 0 = const ) при v 0 = const сила F ц будет постоя н ной. Если, кроме того, векторы v 0 и В взаимно перпендикулярны, то частица будет дв и гаться по кругу. Радиус круга может быть найден из условия, что “магнитная” центростремительная сила F ц равна центробе ж ной силе F z : . Отсюда (7) ( R [см], m [вт/сек 3 /см 2 ], v 0 [см/сек], е [а*сек], В [в*сек/см 2 ]) С помощью равенства (7) можно рассчитать то отклонение у , которое испытывает электродный луч в трубке Брауна при действии магнитного поля (напри мер, ма г нитного поля земли). Как видно из рис. 4, для малых отклоняющих углов (малые у ) справедливо соо т ношение и (8) Если в трубке Брауна измерить отклонение у , то по соотношению (8) можно определить в е личину отношения е/ m (9) Величина e / m имеет размерность см 2 /в*сек 2 , если в формулу для е/ m подставить U 0 (анодное напряжение в трубке Брауна) в вольтах, D (протяжен ность действия ма г нит ного поля) в см и В в в*сек/см 2 . Магнит ная индукция В может быть определена, на пример, по измерениям периода к о лебаний стрелки компаса. Рис.4. Определение е/ m с помощью электроннолучевой трубки, помещенной в магнитное поле зе м ли. 1 - магнитное поле земли (индукция В ); 2 - электронный луч. Указанный метод измерений применяется и как «электронный» компас, так как в е ли чина отклонения у достигает максимума, когда ось трубки перпендикулярна к г о ризонтальной компоненте поля земного магнетизма, и тем самым перпенд и кулярна к направлению север - юг. (На магнитном полюсе показания будут ош и бочными.) Для быстрых электронов отношение е/ m может быть определено с помощью камеры Вил ь сона, помещенной в магнитное поле. ЛИТЕРАТУРА 1. Достанко А.П. Технология интегральных схем.— Мн: Вышэйшая школа, 200 2 -- 206 с. 2. Гурский Л.И., Степанец В.Я. Проектирование микросхем.— Мн.: Навука i тэхнiка, 200 1 -- 295 с. 3. Гурский Л.И., Зеленин В.А., Жебин А.П., Вахрин Г.Л. Структура, топология и свойства пленочных резисторов.— Мн.: Навука i тэхнiка, 200 7 -- 250 с. 4. Гурский Л.И., Румак Н.В., Куксо В.В. Зарядовые свойства МОП-структур.— Мн.: Навука i тэхнiка, 200 0 -- 200 с.
© Рефератбанк, 2002 - 2017