Устойчивую картину интерференции света дают только когерентные волны. Две волны яв-ся когер-ми если

Билет №1

1. Интерференция света. Когерентные волны. Выведите выражение интенсивности результирующей волны в случае сложения когерентных и не когерентных волн.

Явление интерференции света состоит в отсутствии простого суммирования интенсивности волн при их наложении т.е. взаимном усилении волн одних т-к прост-ва и ослабления в др-х.

Устойчивую картину интерференции света дают только когерентные волны. Две волны яв-ся когер-ми если:

1) l₁=l₂ или n₁=n₂

2) Δφ=const

3) Ë₁= Ë₂ (Волны поляризованы в одной пл-ти).

Оптической длиной пути наз. Величина =-я произвед-ю геометр-й длины пути на показатель преломления среды в которой распростр-ся луч света. Оптическая разность хода 2-х лучей D=l₁n₁-l₂n₂. max-м интерф-ии наблюдается если D=2ml/2, (m=0,1,…) min-м если D=(2m+1)l/2, (m=0,1,…).

Рассмотрим 2 когер-е волны, к-е налагаются др. на др. возбуждают в нек-й т-ке прост-ва результир-е кол-я.

A²=a₁²+a₂²+2cosd, d=a₂-a₁ m=0,1,…

Euml;1(r,t)=A1cos(wt+kr1+a1), Ë2(r,t)=A2cos(wt+kr2+a2).

Наиболее отчетливая интерф-я картина наблюлается когда A1= A2.

I=I1+ I2+2cosd.

Если налаг. волны не когерен. То 2-е условие не выполняется и угол d будет менятся со временем т.к. всякий фотоприемник обладает инерционностью то он будет усреднять значение интенсивности, среднее значение <cosd>=0 т.к. 0<=d<=p то I=I1+ I2= 2I1 т.е. в случае некогерентных волн происходит простое суммирование интенсивности. Если волны когерентны то D=const и в зависимости от значения этого угла -1<cosd<1 след-но при наложении когер-х волн Imax=4I1, Imin=0 (A1= A2). Обычные источники света дают не когерентное излучение.

2. Проводники, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории твердых тел.

Каждая зона сод-т ограниченное число энерг-х подуровней. В соответствии с принципом Паули на каждом подуровне зоны может нах-ся не более 2х эл-нов с противоположно напр-ми спинами. По хар-ру запол-я энерг-х зон эл-нами все в-ва дел-ся на 2 большие группы:

1) отн-ся в-ва, у к-х на целиком заполненной зоне, нах-ся зоны заполненные лишь частично. Такая част-но запол-я зона возникает лишь в том случае, когда энерг. уровень в атоме из к-го она обр-сь заполнена эл-нами не полностью. К таким в-вам отн-ся, напр-р, щелочные эл-ты. Частично запол-я зона может также образ-ся в рез-те наложения полностью заполненных зон на пустые зоны. Это присуще металлам.

2) отн-ся в-ва, у к-х на целиком заполненной зоне лежит запрещ-я зона. К таким в-вам отн-ся алмаз, германий, кремний. В-ва с таким запол-ем энерг. зон м б как диэл, так и полупр-ми. Эл-ны внеш энерг-х уровней при образовании кристаллов получают возможность беспрепятственно перемещ-ся своб по кристаллу. Однако такие в-ва м б как диэл,так и полупр-ки => наличие своб е яв-ся недостоточным для того, чтобы такое в-во было проводником. В газе своб эл-нов совершается хаот-е броуновское движ-е по всему объему кристалла. Если к кристаллу приложить внешнее электрич поле, то на это хаот-е дв-е эл-нов будет накладываться упор-е дв-е, т о в кр-ле должен возникнуть эл ток (проводник). Однако это означает что эл-н должен перейти на более высокий энерг. уровень. Если такого близколеж-го своб энерг уровня нет, то состояние дв-я эл-в (а => и его энергии) не изм-ся, т е никакого направленного упор-го дв-я заряж частиц не будет. Т е Эл ток возникать не будет и => такое в-во будет диэл-м или полупр-ком.

Необх-мо, чтобы энерг зоны были заполнены эл-нами лишь частично. В этом случае на очень небольшом расст-и (10^-23эВ) заполненного подуровня есть своб энерг подуровень и слабое эл поле приложенное к кр-лу может привести этот эл-н на этот уровень и в кр-ле появ-ся эл ток.

Окончательно по ширине запр-й зоны все в-ва дел-ся на диэл (E_д=5-7эВ), пров(E_д=0эВ), и полупр-ки(E_д=1эВ).

 

3. Природа α-излучения. Правила смещения для α-распада. Α-распад с точки зрения квантовой теории.

Радиоактивное превращение с испусканиемα - частицы называют» α - распады. Его уравнение имеет вид . Заряд ядра при этом уменьшается на две единицы, а массовое число на 4. Из закона сохранения энергии .находим т.к. Ер>0, тоα - распад возможен, если масса материнского ядра больше суммы масс дочернего ядра и (α – частицы).

Из экспериментов были найдены две особенностиα -распада.

1. Сопоставление длины пробега (кинетической энергии)α - частицы с вероятностью распада λ альфа-излучателя (период полураспада) позволило Г.Гейгеру и Дж.Неттолу установить зависимость - закон Гейгера-Неттола: , гдеE_α- энергия α частиц, А и B – постоянные ( или ln λ=A+BR_α, где R_α–пробег α частицы.

2. Энергияαчастиц значительно меньше той, что должна бы она получить после распада. α-частица, вылетая из ядра с меньшей энергией, преодолевает значительно больший потенциальный барьер. Это экспериментальный факт объясняется лишь квантовой механикой. Перед началом распада α-частица формируется в ядре и находится там в потенциальной яме (глубина 8,9 МэВ) с энергией Еα^’.Обладая волновыми свойствами часть αчастиц отражается от стенок потенциального барьера, а часть проникает сквозь нее и уходит с энергией , что и наблюдается на опыте. Эффект просачивания αчастиц через потенциальный барьер называют туннельным эффектом. Им объясняется закономерности α - распада. С ростом Е^’αуменьшается ширина потенциального барьера и увеличивается вероятность распада, что находится в согласии с законон Гейгера-Неттола.

 

Билет №2

1. Спонтанное и вынужденное излучение фотонов. Вероятности переходов. Принцип работы квантового генератора. Свойства лазерного излучения.

2 вида переходов электронов м/у энергетичискими уровнями:1) вынужденные-снизу вверх; 2) спонтанные –сверху вниз. Вероятность спонтанных переходов(СП) опред-ся лишь внутренними свойствами атомов и => не могут зависеть от интенсивности падающего излучения. Вероятность вынужденных переходов(ВП) зависит как от внутренних свойств атомов, так и от интенсивности падающего излучения. Для объяснения существования равновесия м/у излучением и веществом нужно предположить, что сущес-т ВП сверху вниз, вероятность которых зависит как от внутренних свойств атомов, так и от интенсивности падающего излучения. Рассмотрим 2 энергетических уровня n и m. Число электронов, вынужденно пришедших снизу ввех – N_mn(вын), число электронов, сверху вниз – N_nm. N_mn(вын)= N_nm(вын)+ N_nm(сп). Пусть число электронов на нижнем уровне- N_m, на верхнем -_. N_n. N_mn(вын)=N_mU_w B_mn; N_nm(вын)= N_nU_w B_nm, где U_w –плотность(спектральная) энергии падающего излучения. N_nm(сп)= N_{n nm}. Коэф-ты A, B_nm, B_mn определяются только внутренними свойствами атомов-коэф-ты Эйнштейна. Эйнштейн показал, что ВП снизу вверх и сверху вниз происходит с одинаковой вероятностью, т.е. B_mn= B_nm. ВП происходят под действием падающего излучения. ВП сверху вниз приводят к появлению новых фотонов. Это вынужденное или индуцированное излучение.(ВИ). ВИ обладает следующими свойствами: 1)Направление ВИ совпадает с направлением вынуждающего излучения. 2)ВИ строго конкретно с вынуждающим излучением.

1-й случай: Пусть к моменту прихода фотона hν на верхнем уровне не было ничего. Пусть энергия фотона hν: hν=E_n-E_m. В этом случае электрон поглощает фотон и переходит снизу вверх. Фотон поглощается, а электрон переходит в возбуждённое энергетическое состояние.

Рассмотрим 2-й случай: к моменту прихода фотона на верхнем энергетическом уровне находится электрон. Фотон заставит вынужденно перейти электрон сверху вниз. При этом проходящий фотон не поглотится и появится ещё 1 фотон, т.е. свет усилится. усиление света

Видно, что для того чтобы свет усилился проходя чз вещество нужно создать такие условия, когда на верхнем энергетическом уровне находится > электронов, чем на нижнем. Обычно в состоянии теплового равновесия заселённость энергетического уровня уменьшается с ростом его энергии (распределение Больцмана), т.е., N_n< N_m => число переходов вверх больше, чем число переходов вниз. Поэтому проходя чз вещ-во, находящееся в состоянии термодинамического равновесия свет ослабляется (положительное поглощение). Для получения среды с отрицательным поглощением нужно создать условия, когда N_n> N_m.. Такое состояние будет неравновесным. Его наз-т состоянием с инверсной заселённостью, или состоянием с отрицательной температурой. Процесс перевода среды в состояние с инверсной заселённостью(ИЗ) наз-ся накачкой. При создании ИЗ встречается ряд трудностей: создать ИЗ можно только на метастабильных энергетических уровнях. Метастабильные энергетические уровни(МСЭУ)-уровни, на кот-х время жизни электрона значительно превышает время их жизни на обычном уровне(10 (с. –8)сек.). Существование МСЭУ объясняется тем, что переходы с них в основное состояние запрещены правилами отбора=>их вероятность очень мала. Этим и объясняется, что время жизни электронов на этих уровнях значительно больше, чем на обычных. Однако, эти же правила отбора запрещают переход электронов из основного состояния на метастабильный уровень. Поэтому ИЗ в моменты стабильных уровней создаётся по 3-хуровневой схеме. Её суть: используется 3-ий вышележащий уровень, переходы на кот-й разрешены правилами отбора Затем с 3-го уровня осущ-ся переход на 2-ой уровень(спонтанный). Такой переход тоже разрешён. Переход 2à1 запрещён. Таким образом удаётся на МСУ создать ИЗ по отношению к основному энергетическому уровню. Далее происходит ВП с МСУ в основное состояние, в резул-те кот-го происходит усиление проходящего чз вещ-во света.

Принцип работы квантового генератора.

Лазер или оптический квантовый генератор состоит из 3-х основных частей: 1)Активная среда(среда, в кот-й создаётся ИЗ жидкость, тв. тело, газ). 2) Оптический резонатор(В простейшем случае 2 || зеркала, установленных друг против друга.). 3) Источник накачки (источник, за счёт энергии кот-го осуществляется ИЗ в активной среде) Лазер: I=I₀e(c. 2αL); I> I₀ (I/ I₀ )>=1= e(c. 2αL)R₁ R₂;0=2αL+ln R₁ R₂ α=- ln R₁ R₂ /2L

Свойства лазерного излучения: 1)высокая монохроматичность ∆λ=0,1Å;

2) высокая пространственная и временная когерентность

3) высокая плотность мощности излучения; 4) малая узость пучка.

2. Зонная структура полупроводников p и n типа. Примесные локальные уровни. Электронные и дырочные полупроводники.

Рассм полупров-к, в к-м часть атомов основного полупр-ка заменена атомами в-ва валентность , к-х отлич-ся валентностью основного полупр-ка.

Пусть в 4х валент. Полупр-к внедрены атомы 5валент примеси.

В случае 5валент примеси 4 эл-на этой примеси будут задействованы в образ-и межатомных связей в кристалле.

5й эл-н примеси в создании связи не участвуют, и поэтому оказ-ся слабосвяз-м в атомной примеси.

При увел-и темп-ры полупр-ка отрыв-ся прежде всего этот 5й эл-н, при этом обр-ся своб эл-ны, но дырки при этом не образ-ся.

Такая примесь наз-ся донорной примесью.

В случае донорной примеси проводимость полупроводника яв-ся электронной, а сам полупр-к наз-ся полупр-к n-типа.

В случае донорной примеси энерг уровни нах-ся у потолка запрещ зоны. Эти примесные уровни локализованы около атомов примесей и не распр-ся на весь кристалл полупр-ка. На этих примесных уровнях расположены эл-ны.

Уровень Ферми в полупр-ке n-типа смещен по напр-ю к потолку запрещ зоны.

Ясно что при увел-и темп-ры в зоне проводимости появ-ся своб эл-ны перешедшие с этих донорных уровней. При этом в валентной зоне своб дырки не появ-ся.

Рассм-м 4х валентный полупр-к в к-й внедрена 3х вал-я примесь.

В этом случае одна из связей оказ-ся недоукомплектованной эл-ном. Эту связь может доукомплектовать эл-н из соседней связи основного полупр-ка. При этом своб-е эл-не не появ-ся.

Такая примесь наз-ся акцепторной. А сам полупр-к – полупр-ком p-типа. В полупр-ке p-типа проводимость дырочная.

С т. з. зоной теории атомы акцепторной примеси дают энерг уровни расположены также в запрещ-й зоне. Однако в этом случае они расположены у дна запрещенной зоны. Ясно что при увел-и темп-ры будет осуществляться переходы эл-нов из валентной зоны на уровень акцепторной примеси. При этом своб эл-ны в примеси не появ-ся, но в валентной зоне появ-ся своб дырки.

3. Строение атомных ядер. Взаимодействие нуклонов. Свойства и природа ядерных сил.

Ядром атома назыв центр часть, в к-й сосредоточен весь полож заряд атома и почти вся его масса. Согласно совр представ ядро атома сост из протонов и нейтронов, к-е считаются 2мя заряж состояниями – нуклоны.

^A_ZX , где Z – зарядовое число ядра, совп с номером в табл Менд.

A – массовое число совпад с атомн массой хим эл-та выраж-ся в атомной единице массы. A выраж общее кол-во нуклонов в ядре, т к атом хим эл-та нейтрален, то эл-н (полож) д б в точности равен заряду эл-на в его эл-й оболочке. Поэтому число протонов в ядре (+e): N_p =Z. Число нейтронов: N_n=A-Z.

Громадная энергия связи нуклонов в ядре указывает на очень сильное взаимодействие между ними. Нейтроны и протоны в ядре удерживаются мощными ядерными силами притяжения, которые подавляют расталкивающее действие кулоновских сил между протонами

Свойства ядерных сил: 1. Ядерные силы- это короткодействующие силы. Радиус их действия порядка 10^-13 см. 3. Не центр-е.

Ядерные взаимодействия между протонами (р-р),нейтронами (п-п), протоном и нейтроном (р-п ) одинаковы, поэтому ядерные силу обладают зарядовой независимостью. Отсюда следует, что природа этих сил отличается от природы электрических и гравитационных сил. Ядерные силы относятся к силам насыщения. Это означает, что каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Такое заключений следует из того факта, чтоЕсв~А Если бы каждый нуклон взаимодействовал с остальными, то Есв ~А(А-1)~А^2..

Билет №3

1. Схема опыта Юнга. Расчет интерференционной картины от двух точечных когерентных источников света.

D=S₁- S₂, S₁²=L²+(x-d/2) ², S₂²=L²+(x+d/2) ²

S₁²- S₂²=(S₂- S₁)(S₂+S₁)=D2L=2xd => x=DL/d

т.к. оптическая разность хода не может быть большой, интерференционная картина наблюдается в области близкой к центру экрана. S₁»S₂»L, x_max=mLl/d, x_min= (2m+1)Ll/2d. Если источник S₂ и S₁ представляют из себя щели, то на экране набл-ся система парал-х равноудал-х др от др полос. Расст-е м/у ними Dx=Dx_m+1-Dx_m=Ll/d.

2. Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсии. Электронная теория дисперсии.

Дисп. света – это зависимость показателя преломления от длины волны l или от n т.к. n=c/u, где u - ск-ть распрост-я света в среде то дисперсия света связана с зависимостью ск-ти распространения волны в вещ-ве от длины и частоты. Различают нормальную и аномальною дисп. При нормальной дисперсии показатель преломления уменьшается с длиной волны.

Норм. dn/dl<0, dn/dn>0. При аномальной дисперсии наблюдается обратная зависимость dn/dl>0, dn/dn<0.

Пусть Dw- интервал частот в к-м нах. частоты отдельных волн этой суперпозиции. Если спед. частота группы волн w₀, Dw<<w₀, то такую совокупность волн наз. волновым пакетом. Волновой пакет ограничен в пространстве и имеет вид

Для волнового пакета справедливо DkDx=2p, отсюда k=2p/l, чем >-ше Dx тем >-ше Dk. Для волнового пакета м. выделить 2 способа для распространения фазовую и групповую. Фаз. ск-ть u=w/k – ск-ть распрастран-я т-ки с постоянной фазой. Групповая ск-ть – это ск-ть перемещения max-ма U=dw/dk.

Волновой пакет м. описать ур-ем E=∫_(w0-Dw/2) ^(w0+Dw/2)A_wcos(wt-k_wr+a_w)dw При нормальной дисперсии U<u, при аномальной дисперсии U>u.

Т.к. согласно теор. Максвелла n=Öe, то дисперсия света обусловлена зависимостью диэлектрич. проницаем. от частоты. Дисп. света объясняется взаимодейств.-м эл.-маг. волны с заряжен. частиц. вещ-ва. Эл.-маг. волна заставляет вещ-во вынуждено колебаться электрон. в атомах, т.к. расс-е м/у соседними атомами в диэлектрике значительно < длины волны света, то эл-ны соседних атомов колеблются в одной фазе. В результате смещения эл-в. в атомах меняется дипольные моменты в атомах => атомы излучают вторич. эл.-маг. волны n-которых = n падающей волны т.к. эл-ны в атомах смещаются колеб-ся спифазно эти вторичные волны будут когерен-ми и при наложении интен-ть как м/у собой так и с волной. Результат интерф. зависит от их амплитуд и фаз. В однородном изотропном диэлектрике в результ. интерф. образуется проходящая волна, фазовая ск-ть к-й зависит от n, а направ. совпад. с направ. падающей эл.-маг. волны. n²=e=1+X=1+P_e/(e₀E), где X-диэл.-я восприимчивость вещ-ва, Е-напряж. поля падающ. эл-маг. волны, P_e- электр. поляризов. Пусть напряж. эл-го поля направл. вдоль OX,

E=E_oxcos(wt-kx+a), P_e=p_en₀, где p_e-дипольн. момент отдельн. атома, n₀- число атомов в ед. объема. Т.к. поле направ вдоль ox то p_e=-ex, т.о. P_e=-exn₀ => n²=1-en₀x/(E_oxcos(wt-kx+a)), Запишем диф-е ур-е описыв. движен. эл-в в атоме F=ma=md²x/(d²t) на эл-н в атоме действует a) F_кул=-eE_oxcos(wt-kx+a), b) F_упр=-kx=-mw₀²x, w₀=Ö(k/x) => k=w₀²m,=> md²x/(d²t)=-eE_oxcos(wt-kx+a)-mw₀²x, m- масс. эл-на. Решая это диф. ур-е окнчательно получаем n=Ö(1+n₀e²/(e₀E(w₀²-w₀²))). Видно что это выр-е терпит разрыв при w=w₀² такой рез. получается в рез-те того что в 2-м законе Ньютона не была учтена сила трения (затухания) если учесть затухание то разрыва этой ф-ии не будет. Во всякой реальной колеб. сист. всегда есть затухание. Аномальная дисперсия набл-ся в области част-т близких к колеб. эл-в в атоме т.к. в общем случае таких частот (резонансов) м. б. несколько.

3. Модель атома Резерфорда и ее недостатки.

Существенную роль в создании классической модели атома сыграли опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц. α-частица представляет собой ядро атома гелия (He), образуется при распаде тяжелых элементов. Резерфорд исследовал рассеяние α-частиц на металлических фольгах. d=10(c.-4)см – их толщина.

Подавляющее число α-частиц отклоняется на угол θ=π/2.

Очень незначительное число α-частиц изменили направление.

отклонение α-частицы обусловлено действием на нее эл. поля со стороны зарядов внутри атомов.

Из всех опытов Резерфорд пришел к следующим представлениям о строении атомов. Внутри атома имеется положительно заряженное ядро, заряд которого +ze, причем в ядре сосредоточен весь положительный заряд атома. С ядром связана и большая часть массы атома. Заряд ядра совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Т.к. атом нейтрален, то в атоме кроме положительно заряженного ядра есть электроны, причем суммарный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Положительно заряженное ядро и электроны, входящие в состав атома, определяют внутриатомное эл. поле, которое в свою очередь характеризует межатомные взаимодействия. Т.к. атом является устойчивой системой, то конфигурация электронов в атоме является устойчивой. Однако никакое устойчивое распределение зарядов не может быть статическим. На основании этого Резерфорд пришел к выводу, что электроны должны вращаться вокруг ядра.

Однако модель Резерфорда явилась не универсальной.

Недостатки: 1) Т.к. атом Резерфорда излучает непрерывно, то спектр излучения атома должен быть сплошным. Опыт показывает, что спектры носят линейчатый хар-р.

2) Согласно законам электродинамики электрон, вращаясь вокруг ядра, обладая нормальным ускорением, должен непрерывно излучать электро-магнитные волны => его энергия и расстояние м/у электроном и ядром должны непрерывно убывать. Т.к. из эксперимента известно, что атом излучает в течении τ=10(с.-8)с, то атом Резерфорда может существовать в течении этого времени, а после электрон упадет на ядро и атом прекратит свое существование. Эти недостатки имели принципиальное значение. Они показали, что движение электронов в атомах подчиняется иным законам, не нашедшим отражения в классической физике.

Билет №4

Пусть на пути сферич. фронта свет. волны распол. непрозрачный экран, к-й открыв. 1-е m зон Френеля. m-четное A=A1/2+(A1/2-A2+ A3/2)+ A3/2+…+… m-нечетное A=A1/2+(A1/2-A2+ A3/2)+…+ (Am/2-Am-1 Am/2)+Am/2=A1/2+Am-1/2-Am=(A1+Am-1)/2-Am, => A=(A1+Am)/2

Если отверст. открыв. четное число зон Френеля то в т. P наблюд. min, если нечетное – то max.

A= Am+1-Am+2+Am+3-Am+4+…=Am+1/2+(Am+1/2-Am+2+ Am+3/2)+(Am+3/2-…=Am+1/2 Видно что в т.P всегда наблюд. max. Расчитаем радиус зон Френеля. rm2=a2-(a-h)2=(b-ml/2)2-(b+h)2, пренебрегая величинами порядка l2 окончательно получаем

В прозрачных изотропных средах и в кристаллах куб. системы может возникать двойной луч преломления под влиянием внеш. воздейс–й, в частности это происходит при мех. дифор. тв. тел.

Метод фотоупругости.

Под действием одноосной нагрузки в изотропном теле возникает анизотропия в частности анизотропия диэлектрической проницаемости. В резулт. этого в изотропном теле возникает 2–й луч преломления мерой возникающей фактической анизотропией яв–ся разность показ. преломл. обыкн. и необыкн. лучей. n₀–n_L=ks, k–коэф. пропор–ти, s–мех. напряж. возник. в образце s=F/S. Если толщина образца L возраст. то возраст. оптич. разность хода Δ=L(n₀–n_L)=Lks. Если обыч. и необыч. лучи когерер. то после прохода образца они м. интерферировать и добавить интерф. картину, вид к–й зависит от мех. напряж. в образце. Здесь обыкнов. и необыкнов. когер. м. если овещать образец плоскополяризов. светом, т.к. обыкнов. и необыкнов. лучи поляриз. во взаимоперпен–х пл–х. Для того чтобы получитьинтерф. карт. их кол. нужно привести к одной пл–ти. Делается это с помощью анализатора стоящего на выходе устройства.

Электрооптический эффект.

Э. эф. это возник–е 2–го луча релом–я в жидкостях и аморфн. телах под воздейст. эл–го поля, Эффект–Керра, Под деист. внеш. эл. поля в жид. и аморф. телах возникает анизотропия диэлектр–й проницаемости а рез–те чего в нах становит. возмож. 2–й луче преломл. Эф. Керра был обнаружен и в газах.

Меры возникающие фактической анизотропией яв–ся разность показ. прелом. в обыкн. и необыкн. лучей. n₀–n_L=k¹E², D=L(n₀–n_L)=Lk¹E², s=2pD/l=2pDLk¹E²/l, b=k¹/l–пост. Керра для данного вещ.

3. Электронные и дырочные полупроводники. P-n переход и его свойства.

Рассм полупров-к, в к-м часть атомов основного полупр-ка заменена атомами в-ва валентность , к-х отлич-ся валентностью основного полупр-ка.

Пусть в 4х валент. Полупр-к внедрены атомы 5валент примеси.

В случае 5валент примеси 4 эл-на этой примеси будут задействованы в образ-и межатомных связей в кристалле.

5й эл-н примеси в создании связи не участвуют, и поэтому оказ-ся слабосвяз-м в атомной примеси.

При увел-и темп-ры полупр-ка отрыв-ся прежде всего этот 5й эл-н, при этом обр-ся своб эл-ны, но дырки при этом не образ-ся. Такая примесь наз-ся донорной примесью. В случае донорной примеси проводимость полупроводника яв-ся электронной, а сам полупр-к наз-ся полупр-к n-типа. В случае донорной примеси энерг уровни нах-ся у потолка запрещ зоны.

Рассм-м 4х валентный полупр-к в к-й внедрена 3х вал-я примесь.

В этом случае одна из связей оказ-ся недоукомплектованной эл-ном. Эту связь может доукомплектовать эл-н из соседней связи основного полупр-ка. При этом своб-е эл-не не появ-ся. Такая примесь наз-ся акцепторной. А сам полупр-к – полупр-ком p-типа. В полупр-ке p-типа проводимость дырочная. В случае акцепторной примеси энерг уровни нах-ся у дна запрещ зоны.

P-n переход представляет из себя тонкий слой на границе м/у 2мя областями одного и того же кр-ла, отлич-ся типом проводимости. В n-области осн-ми носителями яв-ся эл-ны, а в p-области – дырки.

В области p-n перехода происходит диффузия во встречных направлениях дырок и эл-нов. Эл-ны попадают из n в p-область рекомбинируя с дырками. Дырки перемещаясь из p в n-область рекомбинируют с эл-нами. В рез-те этого p-n перехода оказ-ся сильно обедненной своб носителями заряда и поэтому имеет большое электрич. Сопротив-е. Одновременно на границе p-n областей возникает двойной электрич слой, образ отриц ионами акцепторной примеси в p-области, и полож ионами донорной примеси в n-области. При нек-й концентрации ионов в двойном эл слое наступает равновесие. С т зр зонной теории, равновесие наст-ет тогда, когда срав-ся уровни Ферми p и n областей. Изгибание электрич зон в области p-n перехода обусловлено тем, что потенц энергия эл-нов p области больше, чем в n и соответственно дырок n>p области.

Подадим на p-n переход внеш напр-е. Если на p-область отриц напр-е, а на n полож (обратное), то в этом случае внеш поле совпадать по напр-ю с полем запирающ слоя и в этом случае тока ч/з p-n переход не будет. Поменяем (прямое). Если внеш поле будет больше, чем поле запир слоя, то ток будет. Если внеш поле постепенно увел-ть от 0, то ток будет плавно возр-ть, достигнув макс знач-я, когда внеш поле полностью скомпенсирует поле запир слоя.

Вольт-амперная хар-ка имеет вид:

p-n переход пропускает ток только в одном напрвлении.

Т о p-n переход яв-ся полупр-ковым диодом.

 

 

Билет №14

1. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера.

Опыт показывает, что при падении на диэлектрик (вода, стекло) отраженный и преломленный лучи всегда частично поля­ризованы. Степень поляризации при этом зависит от угла паде­ния и показателя преломления отражающей среды. При этом отраженный луч частично поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлен­ный - в плоскости падения. Усло­вие полной поляризации состоит в том, чтобы угол между отражен­ным и преломленным лучами был ра­венπ/2,т.е. чтобы n=sin i₀/sin r= sin i₀/cos i₀=tg i₀. Это соотношение называют законом Брюстера. Этот закон объясняется тем, что отражен­ный преломленный лучи представляют собой вторичное излуче­ние, возбужденное падающей волной. Электроны колеблются в нап­равлении вектора Е. Однако электрический диполь не излу­чает в этом направлении, максимум излучения при­ходится на перпендикулярное направление.

2. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Частица в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме.

Уравнение Шредингера для стационарных состояний: Если микрочас-ца находится в стационарном силовом поле(т.е. силовое поле не меняется со временем), то потенциальная функция U(x,y,z,t) не будет зависеть от времени. U(x,y,z,t)=U(x,y,z). В этом случае волновую функцию можно представить в виде произведения 2-х функций: 1 из кот-х зависит только от координат, а другая- от времени. ψ(x,y,z,t)= ψ’ (x,y,z)*α(t). Подставив это выражение во временное уравнение Шредингера, которое выглядит:

(-h(в)(c.2)/2m)*Dψ+uψ=i h (в) ∂ψ/∂t можно показать, что

α(t)=e(c. –i(E/h(в))t). Подставив это выражение во временное уравнение Шредингера можно получить стационарное уравнение Шредингера: Dψ+2m(E-U) ψ/h(в)(с.2)=0.Где E-полная энергия частицы. U=U(x,y,z)- потенциальная функция описывающая стационарное силовое поле, в кот-м находится час-ца. Волновые функции ψ, кот-е удовлетв-т этому уравнению при заданном виде U потенциальной функции называются собственными волновыми функциями. Значения энергии E, при котором это уравнение имеет решение наз-ся собственными значениями энергии. Результат решения уравнения Шредингера будет зависеть от вида потенциальной функции U(x,y,z). Если частица свободна, то на неё не действуют никакие силовые поля и U(x,y,z)=0. В этом случае одномерное уравнение Шредингера будет иметь вид:

d(c.2)ψ/dx(c.2)+2mEψ/h(в)(c.2)=0. Это волновое уравнение, решением кот-го явл-ся плоская монохроматическая волна.

Ψ(х)=e(c.i(wt-kx))=e(c.–i(px-Et)/h(в);E=h(в)w, k=2π/λ=2π/(h(в)/p))=p/h(в). Т.о. волновая функция свободной частицы представляет из себя плоскую монохроматическую волну Де-Бройля.

Частица в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме.

Зададим потенциальную функцию U(x) в виде U(x)=∞ при х<0 x>a. U(x)=0 при 0≤х≤a. Такое потенциальное поле называется потенциальной ямой. Т.к. яма бесконечно глубокая, то за её пределы частица выйти не может и следовательно вероятность обнаружить частицу в области 1 и 3 =0.=> в области 1 и 3 ψ(х)=0.

Т.к. волновая функция должна быть непрерывной, то ψ(0)= ψ(a)=0. Запишем уравнение Шредингера для области 2: d(c.2)ψ/dx(c.2) + (2m/h(в)(с.2))*E ψ = 0

Обозначим k(c. 2)= (2m/h(в)(с.2))*E.

Ψ’’+ k(c. 2)Ψ=0. – волновое уравнение, решением которого является функция вида: ψ(х)=b*sin(kx+α). Из условия ψ(0)=b*sin(0+α)=0, sin(0+α), α=0. ψ(a)=b*sin(ka+α)=0//b<>0=>ka=πn, где n=1,2,3,…=>

k=πn/a, где n=1,2,3,… π(c.2)n(c.2)/a(c.2)=2mE/h(в)(с.2)=>

E=π(c.2)*h(в)(с.2)n(c.2)/2ma(c.2).

Частицы внутри потенциальной ямы могут только дискретный ряд значений, т.е. частицы в потенциальной яме квантуются. n-главное квантовое число, оно определяет энергию микрочас-цы. b определим из условия нормировки волновой функции: =>b=. Волновая функция частицы внутри потенциальной ямы имеет вид: ψ(х)= √(2/a) sin(πnx/a).

3. Основы квантовой теории электропроводности металлов.

Первоначально в кв т мет-ов, также как и в классич теории, вводится понятие о газе своб эл-нов. Т к внутри мет-ла эл поле отсутствует, а для того, чтобы выйти за пределы мет-в эл-н должен преод-ть раб выхода, то можно считать, что газ своб эл-нов представляет из себя эл-ны нах-ся в потенц яме, дно к-й плоское, а длина = работе выхода.

Первоначально в кв т учитывалось, что эл-ны явл-ся фермионами (частицы с полуцелым спином) и поэтому подчиняются принципу запрета Паули => согласно кв т эл-ны занимают внутри этой ямы все уровни, начиная с самого высшего до уровня Ферми. => глубина потенц ямы нужно отсчитывать не от ее дна, а от уровня Ферми.

При помещении пров-ка во внеш эл поле согласно классич теории понимают упорядоченное дв-е всех своб эл-ны. Согласно кв т упор-е дв-е появ-ся только у эл-нов нах-ся вблизи уровня Ферми.

Согласно класс теории причиной сопротивления пров-ков яв-ся рассеяние эл-нов проводимости на дефектах кр реш-ки. Согласно кв т – распространение волн де-Бройля.

 

Билет №15

1. Зоны Френеля. Получите выражение для радиуса зон Френеля в случае сферического и плоского фронта световой волны.

Френель предложил объединить симметрич. т-ки световой волны в зоны выбирая конфигурацию и размеры зоны такие что разность хода лучей от краев 2-х соседних зон от т-ки наблюдений была бы равна l/2 и след-но от краев 2-х сосдних волн приход. в т-ку наблюдения в противофазе и при наложении др. на др. ослабивают.

Обозначим ч/з A₁ амплитуду кол-й в т-ки P даваемым всеми т-ми источниками нах. внутри 1-й зоны Френеля. Ясно что A₁> A₂> A₃…

Результат амплитуды кол-й в т.P даваемое всеми зонами Френеля будет A=A₁-A₂+A₃-A₄…, A=A₁/2+(A₁/2-A₂+ A₃/2)+(A₃/2-A₄+ A₅/2)+…=> A=A₁/2. Видно что в том случае, если открыты все зоны Френеля то амплитуда кол-й = половине амплитуды кол-й даваемой 1-й зоной Френеля.

Пусть на пути сферич. фронта свет. волны распол. непрозрачный экран, к-й открыв. 1-е m зон Френеля.

1. четное A=A₁/2+(A₁/2-A₂+ A₃/2)+ A₃/2+…+ (A_m-1/2-A_m)=A₁/2+A_m-1/2-A_m=(A₁+A_m-1)/2-A_m

2. m-нечетное A=A₁/2+(A₁/2-A₂+ A₃/2)+…+ (A_m/2-A_m-1 A_m/2)+A_m/2=A₁/2+A_m-1/2-A_m=(A₁+A_m-1)/2-A_m, => A=(A₁+A_m)/2

Если отверст. открыв. четное число зон Френеля то в т. P наблюд. min, если нечетное – то max.

A= Am+1-Am+2+Am+3-Am+4+…=Am+1/2+(Am+1/2-Am+2+ Am+3/2)+(Am+3/2-…=Am+1/2 Видно что в т.P всегда наблюд. max. Расчитаем радиус зон Френеля. rm2=a2-(a-h)2=(b-ml/2)2-(b+h)2, пренебрегая величинами порядка l2 окончательно получаем

Если отверст. открыв. четное число зон Френеля то в т. P наблюд. min, если нечетное – то max.

A= Am+1-Am+2+Am+3-Am+4+…=Am+1/2+(Am+1/2-Am+2+ Am+3/2)+(Am+3/2-…=Am+1/2 Видно что в т.P всегда наблюд. max. Расчитаем радиус зон Френеля. rm2=a2-(a-h)2=(b-ml/2)2-(b+h)2, пренебрегая величинами порядка l2 окончательно получаем

Euml;1(r,t)=A1cos(wt+kr1+a1), Ë2(r,t)=A2cos(wt+kr2+a2).

Наиболее отчетливая интерф-я картина наблюлается когда A1= A2.

I=I1+ I2+2√(I1 I2)cosd.

Если налаг. волны не когерен. То 2-е условие не выполняется и угол d будет менятся со временем т.к. всякий фотоприемник обладает инерционностью то он будет усреднять значение интенсивности, среднее значение <cosd>=0 т.к. 0<=d<=p то I=I1+ I2= 2I1 т.е. в случае некогерентных волн происходит простое суммирование интенсивности. Если волны когерентны то D=const и в зависимости от значения этого угла -1<cosd<1 след-но при наложении когер-х волн Imax=4I1, Imin=0 (A1= A2). Обычные источники света дают не когерентное излучение.

2. Объясните возникновение потенциального барьера на границе полупроводников p- и n-типа.

P-n переход представляет из себя тонкий слой на границе м/у 2мя областями одного и того же кр-ла, отлич-ся типом проводимости. В n-области осн-ми носителями яв-ся эл-ны, а в p-области – дырки.

В области p-n перехода происходит диффузия во встречных направлениях дырок и эл-нов. Эл-ны попадают из n в p-область рекомбинируя с дырками. Дырки перемещаясь из p в n-область рекомбинируют с эл-нами. В рез-те этого p-n перехода оказ-ся сильно обедненной своб носителями заряда и поэтому имеет большое электрич сопротив-е. Одновременно на границе p-n областей возникает двойной электрич слой, образ отриц ионами акцепторной примеси в p-области, и полож ионами донорной примеси в n-области. При нек-й концентрации ионов в двойном эл слое наступает равновесие. С т зр зонной теории, равновесие наст-ет тогда, когда срав-ся уровни Ферми p и n областей. Изгибание электрич зон в области p-n перехода обусловлено тем, что потенц энергия эл-нов p области больше, чем в n и соответственно дырок n>p области.

3. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Применяя соотношение неопределенностей показать, что для движущейся частицы, неопределенность координаты, которой равна длине волны де-Бройля, неопределенность скорости равна самой скорости.

Во всех макроскопических системах электрон ведет себя как частица, локализованная в малом объеме, обладающая определенной координатой и скоростью. При движении электрона в атоме проявляются его волновые свойства в большей степени, как и во всех микроскопических частицах, но волна не локализована в пространстве, а безгранична.

Пусть электроны движутся в направлении ОА со скоростью Vx и встречают узкую щель ВС с шириной а. DE – экран, на который будут попадать электроны. Т.к. электроны обладают волновыми свойствами, то при прохождении через узкую щель они дифрагируют, в результате чего электроны будут попадать не только в точки экрана DE, расположенные непосредственно за щелью, но распределяется по всему экрану. Представим, что электрон – классическая частица. Она характеризуется координатой и количеством движения. Можно охарактеризовать координату электрона в момент прохождения щели как координату щели. В таком определении координаты, однако, есть неточность, обусловленная шириной щели. Обозначим эту неопределенность через ∆x=a. После прохождения щели составляющая импульса Px≠0, т.к. вследствии дифракции изменяется скоростью. Составляющая импульса электрона не может быть определено точно, а лишь с некоторой погрешностью ∆Px≥Psinφ1=Pλ/a=hλ/λa=h/a; ∆Px*∆x≥h (1) – соотношение неопределенностей Гейзенберга.