Фундаментальные (бесструктурные) частицы

§ лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10^{− 18} м.

§ кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов.

§ калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

§ фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

§ восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;

§ три промежуточных векторных бозона W ⁺, W ⁻ и Z ⁰, переносящие слабое взаимодействие;

§ гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие

§ Билет №30 «Электропроводность металлов.Сверхпроводимсоть.Температурные зависимости проводимости»

§ теория электропроводности, основы­вающаяся на квантовой механике и квантовой статистике Ферми — Дирака, — пере­смотрела вопрос об электропроводности металлов, рассмотренный в классической физике. Расчет электропроводности металлов, выполненный на основе этой теории, приводит к выражению для удельной электрической проводимости металла

§

§ п — концентрация электронов прово­димости в металле, á l_F ñ — средняя длина свободного пробега электрона, имеющего энергию Ферми, á u_F ñ — средняя скорость теплового движения такого электрона.

§

§ Общность эффектов, наблюдаемых в сверхпроводящем состоянии различных ме­таллов, их соединений и сплавов, указывает на то, что явление сверхпроводимости обусловлено физическими причинами, общими для различных веществ, т. е. должен существовать единый для всех сверхпроводников механизм этого явления.

§ Качественно явление сверхпроводимости можно объяснить так. Между электрона­ми металла помимо кулоновского отталкивания, в достаточной степени ослабляемого экранирующим действием положительных ионов решетки, в результате электрон-фононного взаимодействия (взаимодействия электронов с колебаниями решетки) воз­никает слабое взаимное притяжение. Это взаимное притяжение при определенных условиях может преобладать над отталкиванием. В результате электроны проводимо­сти, притягиваясь, образуют своеобразное связанное состояние, называемое куперовской парой. «Размеры» пары много больше (примерно на четыре порядка) среднего межатомного расстояния, т. е. между электронами, «связанными» в пару, находится много «обычных» электронов.

§

§ Билет №31 «Дырочня проводимость.ПРимесная проводимость.Зпрещенные зоны.Валентная зона.Зона проводимости»

§ Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефек­тами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим составом), тепло­выми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т. д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость.

§, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; воз­никает электронная примесная проводимость (проводимость n -типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n -типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями.

§

§ в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проворность p -типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками p -типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергети­ческие уровни этих примесей — акцепторными уровнями.

§ Энергия внешних электронов может принимать значения в пределах, называемых разрешенными энергетическими зонами. Каждая разрешенная зона «вмещает» в себя столько близлежащих дискретных уровней, сколь­ко атомов содержит кристалл: чем больше в кристалле атомов, тем теснее рас­положены уровни в зоне. Расстояние между соседними энергетическими уровнями в зоне составляет приблизительно 10^–22 эВ. Так как оно столь ничтожно, то зоны можно считать практически непрерывными, однако факт конечного числа уровней в зоне играет важную роль для распределения электронов по состояниям.

§ Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энер­гии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. В них электроны находиться не могут. Ширина зон (разрешенных и запрещенных) не зависит от размера кристалла. Разрешенные зоны тем шире, чем слабее связь валентных электронов с ядрами.

§

§ Билет №32 «Работа выхода.Термоэлектронная эмиссия.Контактная разность потенциалов»

§ Термоэлектро́ нная эми́ ссия явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

§ свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум. Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода. Укажем две вероятные причины появле­ния работы выхода:

§ Разность потенциалов D j в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала, определяется работой выхода (А)электрона из металла:

§ где е — заряд электрона. Так как вне двойного слоя электрическое поле отсутствует, то потенциал среды равен нулю, а внутри металла потенциал положителен и равен D j. Потенциальная энергия свободного электрона внутри металла равна — е D j и является относительно вакуума отрицательной.

§

§ Работа выхода выражается в электрон-вольтах

§ Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверх­ности

§ Вольта экспериментально установил два закона:

§ 1. Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и тем­пературы соприкасающихся металлов.

§ 2. Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, воз­никающей при непосредственном соединении крайних проводников.

§ разность потенциалов, равна

§ Разность потенциалов обусловленная различием работ выхода контактиру­ющих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов. Чаще говорят просто о контактной разности потенциалов, подразумевая под ней внешнюю.

§ Если уровни Ферми для двух контактирующих металлов не одинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенци­алов, которая, как следует из рисунка, равна

§

§

§ Билет №33 «Контактные явления в полупроводниках»

§ КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ - неравновесные электронные явления, возникающие при прохождении электрич. тока через контакт полупроводника с металлом или электролитом или через контакт двух различных полупроводников (гетеропереход)либо через границу двух областей одного и того же полупроводника с разным типом носителей заряда и разной их концентрацией.

§ Приведение в контакт двух разл. материалов сопровождается перетеканием носителей (для определённости электронов) из одного в другой и образованием контактной разности потенциалов V_K. Напряжённость поля контактной разности потенциалов плавно убывает в глубь полупроводника, вызывая приконтактный изгиб краёв энергетич. зон (валентной зоны и зоны проводимости). Направление изгиба и его величина зависят от знака и величины V_K, определяемой разностью работ выхода, а также от знака и концентрации локализованных на поверхности раздела зарядов (адсорбированные ионы, заряженные поверхностные дефекты и др., см. ниже).

§ Инжекция становится заметной, если плотность тока

§ (1)

§ где n - концентрация электронов основных носителей заряда в полупроводнике, D - их коэф. диффузии, R_D - дебаевский радиус экранирования, е - элементарный заряд. С ростом тока проводимость полупроводника всё более определяется инжектированными электронами, рост концентрации к-рых ограничивается их объёмным зарядом (токи, ограниченные пространств. зарядом). В результате проводимость образца становится существенно нелинейной. Электрич. сопротивление омич. контакта с обогащённым слоем увеличивается при наличии диэлектрич. прослойки Д между металлом и полупроводником (напр., окисла металла, рис. 3). Из-за туннельной проницаемости прослойки проводимость её при малых толщинах А) становится пренебрежимо большой. В прослойке, а также на границе окисел-полупроводник, как правило, возникают центры захвата носителей заряда, поле к-рых наряду с полем контактной разности потенциалов управляет приконтактным изгибом зон, существенно изменяя его величину, а иногда и знак.Это приводит к нестабильности и невоспроизводимости омич. контактов металл-полупроводник.

§ Билет №34 «Термоэлектрические явления»

§ Согласно второму закону Вольта, в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, находящихся при одинаковой температуре, э.д.с. не возникает, т. е. не происходит возбуждения электрического тока. Однако если температура контактов не одинакова, то в цепи возникает электрический ток, называемый термоэлектрическим. Явление возбуждения термоэлектрического тока (явление Зеебека), а также тесно связанные с ним явления Пельте и Томсона называются термоэлектрическими явлениями.0

§ 1. Явление Зеебека. в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных провод­ников, контакты между которыми имеют различную температуру, возникает элект­рический ток.

§ электродвижущая сила прямо пропор­циональна разности температур в контактах:

§ Эта э.д.с. называется термоэлектродвижущей силой.

§ Причина возникновения термоэлектродвижущей э.д.с. ясна из формулы, определяющей внутреннюю контактную разность потенциалов на границе двух металлов. Сумма скачков потенциала отлична от нуля, это приво­дит к возникновению термоэлектрического тока.

§ Явление Зеебека используется для измерения температуры. Для этого применяются термоэлементы, или термопары—датчики температур, состоящие из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников. Чувствительность термопар выше, если их соединять последовательно.

§ 2. Явление Пельтье при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления помимо джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Таким образом, явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека. В отличие от джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления тока.

§ 3. Явление Томсона при прохожде­нии тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье. Так как в более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если же электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они, наоборот, пополняют свою энергию за счет энергии решетки, в результате чего происходит поглощение теплоты Томсона.

§ Билет №35 «Основные свойства атомного ядра»

§ Э. Резерфорд, атомные ядра имеют размеры примерно 10^–14 — 10^–15 м (линейные размеры атома примерно 10^–10 м).

§ Атомное ядро состоит из элементарных частиц — протонов и нейтронов

§ Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя т_р= 1, 6726× 10^–27кг» 1836 т_e, где т_e — масса электрона. Нейтрон (n) — нейтральная частица с массой покоя т_п= 1, 6749× 10^–27кг»1839 т_e. Протоны и нейтроны называют­ся нуклонами (от лат. nucleus — ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре называ­ется массовым числом А.

§ Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева

§ Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме. Заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т.е. определяет число электро­нов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутри­атомного электрического поля.

§ Ядра с разными числами нейтронов N=A–Z называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z —изобарами. Радиус ядра задается эмпирической формулой

§

§ где R ₀ = (1, 3¸ 1, 7)10^–15 м. Однако при употреблении этого понятия необходимо со­блюдать осторожность (из-за его неоднозначности, например из-за размытости гра­ницы ядра). Из формулы вытекает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (»10¹⁷ кг/м³).

§ Билет №36 «Масса и энергия связи.Дефект массы.Деление тяжелых и синтез легких ядер»

§ Массу ядер очень точно можно определить с помощью масс-спектрометров — из­мерительных приборов, разделяющих с помощью электрических и магнитных полей пучки заряженных частиц (обычно ионов) с разными удельными зарядами Q/m. Масс-спектрометрические измерения показали, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов.

§ Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра.

§ для энергии связи ядра пользуются формулой

§

§ где m _H — масса атома водорода. Так как m _H больше m_p на величину m_e, то первый член в квадратных скобках включает в себя массу Z электронов. Но так как масса атома т отличается от массы ядра т _я как раз на массу Z электронов, то вычисления по формулам приводят к одинаковым результатам.

§ Величина

§ называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра.

§ Часто вместо энергии связи рассматривают удельную энергию связи dE _св — энер­гию связи, отнесенную к одному нуклону. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т. е. чем больше dE _св, тем устойчивее ядро.

§ наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы.

§ Билет №37 «Ядерные силы.Модели ядра.Мезоны»

§ ядерные силы - особые, специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами.

§ Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий.

§ Перечислим основные свойства ядерных сил:

§ 1) являются силами притяжения;

§ 2) являются короткодействующими — их действие проявляется то­лько на расстояниях примерно 10^–15 м.

§ 3) свойственна зарядовая независимость: ядерные силы имеют неэлектрическую природу;

§ 4) свойственно насыщение,

§ 5) зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов.

§ 6) не являются центральными

§ Капельная модель ядра основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. Существенное отличие ядра от капли жидкости в этой модели заключается в том, что она трактует ядро как каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядер­ной), подчиняющуюся законам квантовой механики.

§ 2. Оболочечная модель ядра Оболочечная модель пред­полагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, и связывает устой­чивость ядер с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполнен­ными оболочками являются наиболее устойчивыми.

§ обобщенная модель ядра (синтез капельной и оболочечной моделей),

§ оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налетающими частицами)

§ Нейтральный пион распадается на два g -кванта:

§ Существуют положительный (p⁺), отрицательный (p^–) (их заряд равен элементар­ному заряду е) и нейтральный (p⁰) мезоны.

§ Распад заряженных пионов происходит в основном по схемам

§

§ Билет №38 «Радиоактивность.Постоянная распада.Альфа, бета и гамма-излучения»

§ Радиоактивность - способность некоторых атом­ных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную и искусственную. Принципиального различия между этими двумя типами радиоактив­ности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.

§ Радиоактивное излучение бывает трех типов: a -, b- и g -излучение.

§ a -Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью

§ b -Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше, а проникающая способ­ность гораздо больше, чем у a -частиц. b -Излучение представляет собой поток быстрых электронов

§ g -Излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает от­носительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей спо­собностью g -Излучение представляет собой корот­коволновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны l< 10^–10 м и вследствие этого — ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц — g -квантов (фотонов).

§ Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что радиоак­тивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики:

§ где l — постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радиоак­тивных ядер в процессе распада уменьшается.

§ Суммарная продолжительность жизни d N ядер равна t|dN|=lNt d t. Проинтег­рировав это выражение по всем возможным t (т. е. от 0 до ¥) и разделив на началь­ное число ядер N ₀, получим среднее время жизни t радиоактивного ядра:

§

§ Таким образом, среднее время жизни t радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада l.