Элементарные частицы в виде корпускул и волн и модель атома
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра электронной техники и технологии
РЕФЕРАТ
На тему:
«ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ В ВИДЕ КОРПУСКУЛ И ВОЛН И МОДЕЛЬ АТОМА»
МИНСК, 2008
Введение
Принцип действия электронных, ионных и полупроводниковых приборов базируется на движении свободных частиц, которые благодаря своему заряду подвержены воздействию со стороны электрических и магнитных полей. Различают четыре группы частиц, используемых в этих приборах, а именно: электроны, ионы, нейтральные атомы, или молекулы, и кванты электромагнитного излучения (фотоны, кванты рентгеновского и г-излучения); свойства этих частиц и их поведение определяют принцип действия прибора.
1. Основные сведения об элементарных частицах1.1. Электрон.Заряд
е=1,6*10-19 к (в уравнения подставляется положительная величина).Масса
m=9,1*10-28 г.
e/m=1,76*108 к/г, или (в технической системе единиц)
e/m?1,8*1015 см2/в*сек2.
m/mH=1/1835 (mH - масса атома водорода).Радиус
r ? 10-13 см.Энергия
Ek = 1/2 mv2 = eU.Скорость, км/сек. (1)
1.2. ИоныВ 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
mi, а вместо элементарного заряда
е заряд иона
qi (положительный).
|
Ион | Заряд* qi, к | Радиус ri, см | Масса mi, г | qi/mi, 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*104 2,4*104 0,048*104 | |
|
* Для однозарядных ионов; у многозарядных ионов заряд в кратное число раз больше.
1.3. Кванты излучения(Оптическое, рентгеновское и радиоактивное излучение)«Масса»
mф = Еф/с2 = h/сл, Вт*сек3/см2 *.Энергия
Eф = hv = hc/л = eUф; отсюда следует:,
в; л[Е]. (2)Постоянная Планка
h = 6,625*10-34 вт*сек2;
v - частота, Гц;
с - скорость света, см/сек; л - длина волны, см, или Е;
vл = c,
Uф - вольт-эквивалент энергии фотона, в.Энергия квантов оптического излучения в инфракрасной области равна примерно
10-3 - 1,5 эв **, в видимой области
1,5 - 3,3 эв; в ультрафиолетовой области
3,3 - 102 эв.Энергия квантов рентгеновского излучения равна
0,1 - 1 000 кэв.Энергия в - и г-излучения радиоактивных материалов от 0,01 до 10 Мэв [Со60 (г): 1,33 Мэв, Sr90 (в): от 0,6 до 2,2 Мэв, Т3 (тритий) (в) : 0,018 Мэв].Энергия космических лучей от 103 до 1012 Мэв.
2. Представление элементарных частиц в виде корпускул и волнОсновные сведения об элементарных частицах, приведенные в разделе А, могут быть получены с помощью достаточно простых экспериментальных устройств.
2.1. Некоторые экспериментальные методы определения заряда, массы и длины волны электронаОпределение заряда электрона е. Заряд электрона (элементарный заряд) е может быть определен посредством следующего опыта (опыт Милликена). В микроскоп наблюдают за движением помещенной между обкладками конденсатора частицы, заряженной одним или несколькими элементарными зарядами. Как видно из рис. 1, отрицательно заряженная в дуговом разряде капля масла помещается в воздухе между обкладками горизонтально расположенного конденсатора, к которым приложено напряжение. На каплю действуют сила тяжести
Мg (
М - масса масляной капли,
g - ускорение силы тяжести) и в противоположном направлении сила со стороны приложенного поля
еЕ и сила сопротивления воздуха
6рзiav, где
зi - коэффициент вязкости воздуха, a - измеренный радиус частиц.Отсюда для случая равновесия (когда частица неподвижна,
v = 0) справедливо соотношение; ; (3)
е [а*сек], М [вт*сек3/см2], g [см/сек2], d [см], U [в], Е [в/см]. В этом равенстве g, d и U известны.
Рис. 1. Конденсатор Милликена для определения элементарного заряда.1 - нейтральная капля масла (заряжается в дуге); 2 - падающая положительно заряженная капля масла (заряжается положительно в дуговом разряде или в результате фотоэффекта); 3 - отрицательно заряженная капля масла (отрицательный ион или электрон); 4 - положительно заряженная капля масла (положительный ион); 5 - дуга; 6 - обкладка конденсатора; 7 - источник света.Масса
М частицы может быть найдена, если знать скорость падения частицы
v в незаряженном конденсаторе:
M = 6рзiav/g;Таким образом, из (3) может быть найдена величина элементарного заряда
е .Если каплю масла, находящуюся в равновесии, подвергнуть облучению ультрафиолетовым светом, то вследствие внешнего фотоэффекта она может отдать свой заряд. При этом внезапный подъем или внезапное падение такой частицы в конденсаторе является доказательством квантовой природы заряда, освобожденного светом, и тем самым атомистической природы электричества.
Определение массы электрона m по давлению электронного луча. Величину массы электрона можно определить путем измерения силы, с которой действует электронный луч на электрод в вакууме. Этой силе противодействует измеряемая на опыте сила закручивания нити, на которой подвешен бомбардируемый электронами электрод (рис. 2). При равновесии нити обе силы уравновешиваются. Сила
F, с которой действует поток электронов на электрод, равна изменению полного импульса всех электронов, ударяющихся в единицу времени об электрод. Если
mv - импульс одного электрона и он полностью передается электроду, то,откуда (4)где
I - электронный ток на электрод,
U - анодное напряжение и
I/е - число электронов, достигающих электрода в единицу времени.
Рис. 2. Схема установки для определения массы электрона по давлению электронного луча.1 - катод; 2 - анод; 3 - бомбардируемый электрод; 4 - электронный луч.Если в уравнение (4) подставить численные значения для
e и
m, то получим:[Г]*,
I[a], U[в] (4a)Примеры и применения. Определение силы, с которой действует электронный луч на анод в рентгеновской трубке, применяемой в медицине (с электрическими параметрами
I = 1 а,
U = 250 кв); согласно равенству (2.4а) сила
F = 0,175 Г.Определение силы воздействия протонов в космотроне (масса
mH;
m/mH = 1835) при
I = 1 а и
U = 3*109 в сила
F = 800 Г (в течение 10-7 сек).Определение силы тяги космического корабля (с плазменным ионным двигателем на ионах цезия (
mCs/m = 5*102); при токе
I = 103
а и напряжении
U = 104
в сила тяги Fs ? 17
кГ. Если F известно, то, подставляя остальные данные в уравнение (4), можно определить неизвестную массу атома.
Методы определения удельного заряда электрона е/m.а) Метод торможения вращающейся проволочной катушки. Согласно Толману и Стюарту в движущемся твердом теле (например, в катушке из проволоки, вращающейся вокруг оси с большой скоростью, рис. 3) при его внезапном затормаживании вследствие инерции электронов возникает импульс тока.Изменение механического импульса электронов проводимости
Mev, возникающее при торможении тела до полной остановки в течение времени t2 - t1 приводит к появлению импульса тока . Так как, тоили, (4б)где R,
ом - сопротивление проволочной катушки;
l,
см - ее длина;
v,
см/сек = 2рrn - линейная скорость вращения катушки;
n, 1/сек - число оборотов катушки в секунду;
e,
а*сек - заряд электрона;
Мe, вт*сек3/см2 - полная масса всех движущихся электронов;
I,
а - мгновенный ток;
Fe, вт*сек/см - сила инерции всех электронов в катушке.Измеряя баллистическим методом величину , можно рассчитать значение
е/Мe и, зная полное число квазисвободных электронов в катушке, найти величину отношения
e/m.
Рис.3. Схема метода определения отношения заряда электрона к его массе (е/m) при резком торможении 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 (центростремительная) сила, равная
Fц = [
Ix
B]
.При сечении электронного луча, равном 1 см2, концентрации электронов
n и скорости электронов
v0, выражение для плотности тока
j имеет вид: (5)(
j [а/см2],
n [1/см2],
e [а*сек],
v0 [см/сек]).Сила, действующая на один электрон (
n=1), равна:
Fц = e [
v0 x
B] или
Fц = ev0Bsin б (6)(
Fц [
вт*сек/см],
е [
а*сек],
v0 [
см/ сек],
В [
в*сек /см2], б - угол между векторами
v0 и
В). Направление силы совпадает (в случае положительно заряженной частицы) с направлением поступательного движения винта с правой резьбой, когда направление его вращения совпадает с направлением поворота вектора
v0 по кратчайшему пути к вектору
В. Направление силы, действующей на отрицательно заряженную частицу, будет противоположным.В однородном магнитном поле (
B0 = const) при
v0 = const сила
Fц будет постоянной. Если, кроме того, векторы
v0 и
В взаимно перпендикулярны, то частица будет двигаться по кругу. Радиус круга может быть найден из условия, что “магнитная” центростремительная сила
Fц равна центробежной силе
Fz:.Отсюда (7)(
R [см],
m [вт/сек3/см2],
v0 [см/сек],
е [а*сек],
В [в*сек/см2])С помощью равенства (7) можно рассчитать то отклонение
у, которое испытывает электродный луч в трубке Брауна при действии магнитного поля (например, магнитного поля земли). Как видно из рис. 4, для малых отклоняющих углов (малые
у) справедливо соотношение и (8)Если в трубке Брауна измерить отклонение
у, то по соотношению (8) можно определить величину отношения
е/m (9)Величина
e/m имеет размерность
см2/в*сек2, если в формулу для
е/m подставить
U0 (анодное напряжение в трубке Брауна) в вольтах,
D (протяженность действия магнитного поля) в
см и
В в в*сек/см2. Магнитная индукция
В может быть определена, например, по измерениям периода колебаний стрелки компаса.
Рис.4. Определение е/m с помощью электроннолучевой трубки, помещенной в магнитное поле земли.1 - магнитное поле земли (индукция В); 2 - электронный луч.Указанный метод измерений применяется и как «электронный» компас, так как величина отклонения у достигает максимума, когда ось трубки перпендикулярна к горизонтальной компоненте поля земного магнетизма, и тем самым перпендикулярна к направлению север - юг. (На магнитном полюсе показания будут ошибочными.) Для быстрых электронов отношение
е/m может быть определено с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле.
ЛитератураДостанко А.П. Технология интегральных схем.-Мн: Вышэйшая школа, 2002 - 206 с.Гурский Л.И., Степанец В.Я. Проектирование микросхем.-Мн.: Навука i тэхнiка, 2001 - 295 с.Гурский Л.И., Зеленин В.А., Жебин А.П., Вахрин Г.Л. Структура, топология и свойства пленочных резисторов.-Мн.: Навука i тэхнiка, 2007 - 250 с.Гурский Л.И., Румак Н.В., Куксо В.В. Зарядовые свойства МОП-структур.-Мн.: Навука i тэхнiка, 2000 - 200 с.