Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра електронної техніки і технології
РЕФЕРАТ
На тему:
«Елементарні частинки У ВИГЛЯДІ корпускул і ХВИЛЬ І МОДЕЛЬ АТОМА»
МІНСЬК, 2008
Введення
Принцип дії електронних, іонних і
напівпровідникових приладів базується на русі вільних часток, які завдяки своєму заряду піддаються впливу з боку електричних і магнітних полів. Розрізняють чотири групи частинок, що використовуються в цих приладах, а
саме: електрони, іони, нейтральні атоми, або молекули, і кванти електромагнітного
випромінювання (фотони, кванти рентгенівського і γ-випромінювання); властивості цих частинок і їх поведінка визначають принцип дії приладу.
1.1. Електрон.
Заряд
е = 1,6 * 10 -19 до (в рівняння підставляється позитивна величина).
Маса m = 9,1 * 10 -28 г. e / m = 1,76 * 10 8 к / г, або (в технічній системі одиниць)
e / m ≈ 1,8 * 10 15 см 2 / в * сек 2. m / m H = 1 / 1835 (m
H -
маса атома водню).
Радіус
r ≈ 10 -13 см. Енергія E k = 1 / 2 mv 2 = eU. Швидкість
, Км / сек. (1)
1.2. Іони
Як приклад наведено дані для іона Н +, іона Не + та йону Hg +.
Швидкість іона можна визначити з рівняння (1), якщо замість
m підставити масу іона
m i, а замість елементарного заряду
е заряд іона
q i (позитивний).
Іон
| Заряд * q i, до
| Радіус r i, см
| Маса m i, г
| q i / m i, к / р
|
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 однозарядних іонів; у багатозарядних іонів заряд у кратне число разів більше.
1.3. Кванти випромінювання
(Оптичне, рентгенівське і
радіоактивне випромінювання)
«Маса»
m ф = Е ф / с 2 = h / сλ, Вт * сек
3 / см
2 *.
Енергія E ф = hv = hc / λ = eU ф; звідси випливає:
,
В; λ [Е]. (2)
Постійна Планка h = 6,625 * 10 -34 вт * сек 2; v - частота, Гц;
с - швидкість світла, см / сек; λ - довжина хвилі, см, або Е;
vλ = c, U ф - вольт-еквівалент енергії фотона, ст.
Енергія квантів оптичного випромінювання в інфрачервоній області дорівнює приблизно
10 -3 - 1,5 ев **, у видимій області
1,5 - 3,3 еВ; в ультрафіолетовій області
3,3 - 10 Лютого ев. Енергія квантів рентгенівського випромінювання дорівнює
0,1 - 1 000 кев. Енергія β - і γ-випромінювання радіоактивних
матеріалів від 0,01 до 10 МеВ [З
60 (γ): 1,33 МеВ, Sr
90 (β): від 0,6 до 2,2 Мев, Т
3 (тритій) ( β): 0,018 МеВ].
Енергія космічних променів від 10
3 до
10 грудня МеВ.
2. Представлення елементарних частинок у вигляді корпускул і хвиль
Основні відомості про
елементарні частинки, наведені в розділі А, можуть бути отримані за допомогою досить простих експериментальних пристроїв.
2.1. Деякі експериментальні методи визначення заряду, маси і довжини хвилі електрона
Визначення заряду електрона тобто Заряд електрона (елементарний заряд) е може бути визначений за допомогою наступного досвіду (досвід Міллікена). У
мікроскоп спостерігають за рухом вміщеній між обкладками
конденсатора частинки, зарядженої одним або кількома елементарними зарядами.
Як видно з рис. 1, негативно заряджена в дуговому розряді крапля олії міститься в повітрі між обкладками горизонтально розташованого конденсатора, до яких прикладена напруга. На краплю діють сила
тяжіння М g (М - маса масляної краплі,
g - прискорення сили тяжіння) і в протилежному напрямку сила з боку прикладеного поля
їЇ і сила опору повітря
6πη i av, де
η i - коефіцієнт в'язкості повітря, a - виміряний радіус частинок.
Звідси для випадку рівноваги (коли частка нерухома,
v = 0) справедливе співвідношення
;
, (3)
е [а * сек], М [вт * сек 3 / см 2], g [см / сек 2], d [см], U [в], Е [в / см]. У цій рівності g, d і U відомі.
Рис. 1. Конденсатор Міллікена для визначення елементарного заряду. 1 - нейтральна крапля олії (заряджається в дузі), 2 - падаюча позитивно заряджена крапля олії (заряджається позитивно в дуговому розряді або в результаті фотоефекту), 3 - негативно заряджена крапля олії (негативний іон або електрон); 4 - позитивно заряджена крапля олії ( позитивний іон), 5 - дуга; 6 - обкладка конденсатора; 7 - джерело світла. Маса
М частки може бути знайдена, якщо знати швидкість падіння частки
v в незарядженому
конденсаторі:
M = 6 πη i av / g; Таким чином, з (3) може бути знайдена величина елементарного заряду
е. Якщо краплю олії, що знаходиться в рівновазі, піддати опроміненню ультрафіолетовим
світлом, то внаслідок зовнішнього фотоефекту вона може віддати свій заряд. При цьому раптовий підйом або раптове падіння
такий частки в конденсаторі є доказом квантової природи заряду, звільненого світлом, і тим самим атомістичної природи електрики.
Визначення маси електрона m по тиску електронного променя. Величину маси електрона можна визначити шляхом вимірювання сили, з якою діє електронний промінь на електрод у вакуумі. Цією силі протидіє вимірювана на досвіді сила закручування нитки, на якій підвішений бомбардований електронами електрод (рис. 2). При рівновазі нитки обидві сили врівноважуються. Сила
F, з якою діє потік електронів на електрод, дорівнює зміні повного імпульсу всіх електронів, вдаряються в одиницю часу про електрод. Якщо
mv - імпульс одного електрона і він повністю передається електроду, то
,
звідки
(4)
де
I - електронний струм на електрод,
U - анодна напруга і
I / е - число електронів, що досягають електрода в одиницю часу.
Рис. 2. Схема установки для визначення маси електрона по тиску електронного променя. 1 - катод, 2 - анод, 3 - бомбардований електрод, 4 - електронний промінь. Якщо в рівняння (4) підставити числові значення для
e і
m, то отримаємо:
[Г] *,
I [a], U [в] (4a)
Приклади та застосування. Визначення сили, з якою діє електронний промінь на анод у рентгенівській трубці, застосовуваної в медицині (з електричними параметрами
I = 1 а,
U = 250 кВ); згідно рівності (2.4а) сила
F = 0,175 Г.
Визначення сили впливу протонів у космотроне (маса
m H; m / m H = 1835) при
I = 1 а і
U = 3 * 10
9 в сила
F = 800 Г (протягом 10
-7 сек).
Визначення сили тяги космічного корабля (з плазмовим іонним двигуном на іонах цезію
(m Cs / m = 5 * 10
2); при струмі
I = 10
3 а і напрузі
U = 10
4 в сила тяги F
s ≈ 17
кг. Якщо F відомо, то, підставляючи інші дані в рівняння (4), можна визначити невідому масу атома.
Методи визначення питомого заряду електрона е / m. а) Метод гальмування обертається дротяної котушки. Згідно Толману і
Стюарту в рухомому твердому тілі (наприклад, в котушці з дроту, що обертається навколо осі з великою швидкістю, рис. 3) при його раптовому затормаживании внаслідок інерції електронів виникає імпульс струму.
Зміна механічного імпульсу електронів провідності
M e v, що виникає при гальмуванні тіла до повної зупинки протягом терміну t
2 - t
1 призводить до появи імпульсу струму
. Так як
, То
або
, (4б)
де R,
ом - опір дротяної котушки;
l, см - її довжина;
v, см / сек = 2π rn - лінійна швидкість обертання котушки;
n, 1/сек - число оборотів котушки в секунду;
e, а * сек - заряд електрона ;
М e, вт * сек
3 / см
2 - повна маса всіх рухомих електронів;
I, а - миттєвий струм;
F e, вт * сек / см - сила інерції всіх електронів в котушці.
Вимірюючи балістичним методом величину
, Можна розрахувати значення
е / М e і, знаючи повне число квазісвободних електронів в котушці, знайти величину відношення
e / m. Рис.3. Схема методу визначення відношення заряду електрона до його маси (е / m) при різкому гальмуванні обертається дротяної котушки. 1 - гальванометр; 2 - обертається котушка. б) Метод електроннопроменевої трубки, вміщеній у полі земного магнетизму. На електронний промінь з силою струму
I діє з боку магнітного поля з
індукцією В відхиляюча (доцентрова) сила, рівна
F ц =
[I x
B]. При перетині електронного променя, що дорівнює 1 см
2, концентрації електронів
n і швидкості електронів
v 0, вираз для густини струму
j має вигляд:
(5)
(J [а / см
2], n [1/см
2], e [а * сек],
v 0 [см / сек]).
Сила, що діє на один електрон
(n = 1), дорівнює:
F ц = e [v 0 x
B] або
F ц = e v 0 B sin α (6)
(F ц [вт * сек / см], е [а * сек], v 0 [см / сек], У [в * сек / см 2], α - кут між векторами
v 0 і
В). Напрям сили збігається (у разі позитивно зарядженої частинки) з напрямком поступального руху гвинта з правою різьбою, коли напрямок його обертання збігається з напрямком повороту вектора
v 0 по найкоротшому шляху до вектора
В. Напрямок сили, що діє на негативно заряджену частинку, буде протилежним.
В однорідному магнітному полі
(B 0 = const) при
v 0 = const сила
F ц буде постійною. Якщо, крім
того, вектори
v 0 і
В взаємно
перпендикулярні, то частка буде рухатися по колу. Радіус кола може бути знайдений з умови, що "магнітна" доцентрова сила
F ц дорівнює відцентрової силі
F z: .
Звідси
(7)
(R [см],
m [вт / сек
3 / см
2], v 0 [см / сек],
е [а * сек],
У [в * сек / см
2]) За допомогою рівності (7) можна розрахувати то відхилення
у, яке відчуває електродний промінь у трубці Брауна при дії магнітного поля (наприклад, магнітного поля землі). Як видно з рис. 4, для малих відхиляють кутів (
малі у) справедливе співвідношення
і
(8)
Якщо в трубці Брауна виміряти відхилення
у, то по співвідношенню (8) можна визначити величину відношення
е / m (9)
Величина
e / m має розмірність
см 2 / в * сек 2, якщо у формулу для
е / m підставити
U 0 (анодна напруга в трубці Брауна) у вольтах,
D (протяжність дії магнітного поля) в
см і
В у в * сек / см
2. Магнітна індукція В може бути визначена, наприклад, за вимірюваннями періоду коливань стрілки компаса.
Рис.4. Визначення е / m за допомогою електронно трубки, вміщеній в магнітне поле землі. 1 - магнітне поле землі (індукція В), 2 - електронний промінь. Зазначений метод вимірів застосовується і як «електронний» компас, так як величина відхилення у досягає максимуму, коли вісь трубки
перпендикулярна до горизонтальної компоненті поля земного магнетизму, і тим самим перпендикулярна до напрямку північ - південь. (На магнітному полюсі свідчення будуть помилковими.) Для швидких електронів ставлення
е / m може бути визначено за допомогою камери Вільсона, вміщеної у магнітне поле.
Література
1. Достанко А.П. Технологія інтегральних схем.-Мн: Вишейшая
школа, 2002 - 206 с.
2. Гурський Л.І., Степанець В.Я. Проектування мікросхем.-Мн.: Навука i технiка, 2001 - 295 с.
3. Гурський Л.І.,
Зеленін В.О., Жебін А.П., Вахрін Г.Л. Структура, топологія і властивості плівкових резісторов.-Мн.: Навука i технiка, 2007 - 250 с.
4. Гурський Л.І., Румак Н.В., Кукса В.В. Зарядові властивості МОН-структур.-Мн.: Навука i технiка, 2000 - 200 с.