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.
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
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).
* Для однозарядних іонів; у багатозарядних іонів заряд у кратне число разів більше.
«Маса» m ф = Е ф / с 2 = h / сλ, Вт * сек 3 / см 2 *.
Енергія E ф = hv = hc / λ = eU ф; звідси випливає:
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.
Звідси для випадку рівноваги (коли частка нерухома, v = 0) справедливе співвідношення
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
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:
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
або
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
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:
(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
(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
Якщо в трубці Брауна виміряти відхилення у, то по співвідношенню (8) можна визначити величину відношення е / m
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.
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.
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. Основні відомості про елементарні частинки
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
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 |
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:
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
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
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:
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
або
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
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:
(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
(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
Якщо в трубці Брауна виміряти відхилення у, то по співвідношенню (8) можна визначити величину відношення е / m
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.