курс физики том 4. Курс физики ТОМ 4. Т. В. Стоянова, на. Тупицкая, Ю. И. Кузьмин курс физики том 4 квантовая механика. Физика твёрдого тела. Атомная и ядерная физика учебник санкт петербург 2014 удк 539. 1 530. 145(075. 8)
 Скачать 2.93 Mb.
|
|
p-n перехода, Исследование температурных характеристик диодов, Гальваномагнитные явления в твёрдых телах, Исследование солнечных генераторов электроэнергии, Исследование светодиодов, Исследование термопары позволяют более глубоко понять суть физических процессов протекающих в полупроводниковых приборах, понять, что влияет на их работу, какие физические ограничения и возможности существуют для дальнейшего их совершенствования. Сточки зрения изучения строения вещества и освоения современных методов исследования особый интерес вызывает работа Анализ магнитных примесей методом ЭПР, которая позволяет самостоятельно, опираясь на полученные знания в области квантовой механики и атомной физики, в процессе проведения эксперимента определить не только какое количество неспаренных электронов есть в молекуле данного вещества, но и найти место в молекуле в котором такой электрон находится. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Надеемся, что в результате изучения разделов физики, изложенных в данном учебнике, вами получены первоосновы знаний по квантовой механике, квантовой статистике, элементам физики твердого тела, атомной и ядерной физики. С единых позиций даны объяснения многим важным явлениям, наблюдаемым в макромире сверхпроводимости, принципам работы полупроводниковых приборов, ядерных реакторов, путей создания управляемой ядерной реакции и т.д. Дальнейшее развитие полученных знаний ждет вас при изучении спецдисциплин. В свою очередь, углубленное изучение квантовой физики приведет вас к пониманию теории великого объединения слабых и электромагнитных взаимодействий, больших достижений в теориях сильного и гравитационного взаимодействий. Ближайшие годы, несомненно, ознаменуются новыми достижениями на самом переднем крае физики - физики элементарных частиц. Объем учебника не претендует на исчерпывающее изложение предмета. Для углубленного изучения квантовой физики студенту рекомендуется литература, список которой приведен в конце ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ А Акцептор 94–95, 104, 190–191, 216, 239 Альфа-частица 35–36, 129, 141, 235 Аннигиляция 154 Античастица 154, 156, 159 Б Барионы 151,153 Бета-частица 150 Бозоны 54, 64, 68–69, 74, 77–78, 81, 154, 200 В Внутренняя энергия 42 Водородоподобные атомы 46 Волновая функция 7, 9–11, 13, 15, 18, 20, 23–24, 28, 30-34, 47–49, 54, 64, 156, 184 Время жизни частиц 33, 37, 93, 115 Время жизни ядра 146 Вырожденный газ 124, 138, 231–232 Г Гамма-излучение 124, 138, 231–232 Главное квантовое число n 41, 49, 59, 61, 63–64 Д Дефект массы 111, 113, 141, 145 Диффузия 95 Доза излучения 138, 139, 190, 191 Донор 93, 95, 104 Дрейф 87, 88, 104, 191 Дырки 86, 87, 92-94, 189, 190, 211, 215-217 З Закон − всемирного тяготения 155, 163 − Дюлонга и Пти 75, 78 − Дебая 76 − Мозли 45, 46 − радиоактивного распада 120, 121, 127, 142 − сохранения энергии 27,58, 62, 128, 157, 164 Зонная теория 82 Зона проводимости 102 − валентная 102, 189 − запрещенная 85 И Изотопы 110, 134, 141 Изобары 141 Ионизирующее излучение 136-138 К Кватовая механика 5, 48, 214 − теория 9, 58, 156, 210 − статистика 65. 69 − электроника 4 − яма 21, 23–24, 34, 66, 102, 138, 174 Квант света (фотон) 5, 6, 33, 41, 43, 53, 59, 60-64, 73, 74, 77, 78 Квантовые числа 49, 53, 59, 153, 181 − состояния 70, 81, 178 − эффекты 69, 156, 161 Кварки 152-154 Контакт металл–полупроводник 99, 100 Концентрация носителей заряда (тока) 70, 73, 79, 89, 91, 93, 97, 198, 191 - 195 Коэффициент размножения нейтронов 135 − Пельтье 213 − поглощения излучения 144 − прозрачности барьера 28-31 − упаковки 112 Л Линейчатые спектры 3, 37 М Магнетон Бора 50, 57, 59, 109, 110, 180 Момент импульса электрона орбитальный 41, 49–51, 57 Момент магнитный атома 50, 52, 109, 179, 180 Н Нейтрино 109, 123, 124, 148, 151, 157, 158 Носители заряда 87, 97, 98, 189, 217, 224 Нуклон 108, 111–116, 123, 125, 128, 130, 147, 162 О Опыты − Дэвиссона и Джермера 8 − Резерфорда 35–36 − Франка и Генца 45 Основное состояние 63, 231, 233 П Период полураспада 131, 142, 146 p-n переход 96, 98, 100, 215–217, 221-226, 249 Поглощение света 101 Подвижность 88, 92, 104, 107, 189, 193-195 Позитрон 109, 124, 148, 157, 159, 161, 164, 230, 233-235 Полупроводники 12, 71, 83–87, 89-96, 98-108, 189-192, 194, 211-215, 220-222 − примесные 89, 93 − собственные 89, 161 Постоянная Планка 5, 61, 195, 201, 207 − Ридберга 39, 59, 61, 79 − гравитационная 155, 164 − Больцмана 71, 75, 80, 86, 106, 208, 209 − распада 121, 123, 142 Потенциальный барьер 97, 98, 123, 173, 176, 216, 220, 225 Потенциальная яма 30, 168 Протон 31–32, 35, 57, 80, 106 – 115, 117, 120, 123–128, 141, 147–150, 152, 157–159, 165, 183, 230, 233–236, 238 Р Работа выхода 99, 205 Радиоактивность 125 Рекомбинация 91, 103, 189, 226, 228 − излучательная 86 С Сильное взаимодействие 115, 161, 162 Слабое взаимодействие 154, 157, 158 Соотношение неопределенностей 11, 30, 184 Спектр излучения 37-39, 60, 62, 228, 232 − поглощения 37-39, 64 Спин 54, 57, 59, 64, 66-68, 70, 73 Средняя длина свободного пробега 195, 236 Статистика Бозе–Эйнштейна 69 − Максвелла–Больцмана 68, 69, 81 − Ферми–Дирака 54, 65, 66, 69, 73, 78, 81, 178 Т Температура Дебая 75, 78, 80, 81 Температура Ферми 71 Термоядерные реакции 238 Тритий 239 У Уравнение Шредингера 16–20, 26, 30, 34, 46-49, 53, 64, 170, 172-174 Уровень Ферми 71, 78, 90, 95, 96, 105, 108, 190–192, 205, 209, 210 − вырожденный 19, 30 − основной 25 Ф Фазовая скорость 11 Фазовое пространство 65 Фононы 69, 74-78, 80, 82, 91, 193, 195, 200, 210 Фотоны 5, 6, 33, 41, 43, 53, 59, 60-64, 73, 74, 77, 78 Х Химический потенциал 68, 77, 81 Ц Цепная реакция 133, 135 Э Электронный газ 71, 87, 192 − вырожденный 78 − невырожденный 71, 78 Электропроводность 87, 88, 89, 92, 96, 107, 189, 194, 196 Элементарные частицы 109, 148 Энергетический уровень 24, 30, 78, 83, 91, 96, 179, 180, 183 Энергия связи 41, 113-115, 130, 150, 162 Энергия Ферми 70, 72, 73, 76, 78–80, 82, 92, 107, 192, 193 Эффект Джозефсона 201-203 − Зеемана 53, 64, 180 − Зеебека 98, 103, 207 − Меснера 108 − Мессбауэра 141, 230-233 − Пельтье 103-105 − туннельный 29, 123, 225 Эффективная масса 86, 87, 90, 101, 104, 105, 108, 184, 186, 187, 190, 207 Я Ядерная (планетарная) модель 34, 35, 37, 58 Ядерные реакции 127, 128, 235, 238 Ядерные силы 111, 114, 115, 238 Ядерный реактор 134-136, 146, 162, 236, 239 Ядро 37, 42, 47, 63, 111–114, 117, 118, 122–124, 126, 132, 141, 147, 150, 157, 158, 162, 165, 230–233, 236,238 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Алфёров Ж.Т., Физика и жизнь / Ж.И. Алфёров. – М.-СПб.: Наука, 2001. 2. Детлаф А.А., Курс физики. /Детлаф А.А, Яворский Б.М. М Высшая школа, 2009. 3. Климчицкая ГЛ. Элементы квантовой механики и атомной физики текст лекций ГЛ. Климчицкая, В.Я. Шабаев Ленинград. – СЗПИ, 1992. 4. Парфенова И.И. Квантовая механика, физика твёрдого тела и элементы атомной физики Парфенова И.И., Егоров СВ, Мустафаев АС. и др. Сборник задач для студентов технических специальностей, СПб.: СПГГИ (ТУ, 2010. 112 с. 5. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники Учеб. для студ. вузов по спец. электронной техники. е изд. – СПб.: Издательство Лань, 2001 – 368 с. 6. Савельев ИВ. Курс физики. Т, М Лань, 2008. 7. Томаев В.В., Общая физика. Физика твердого тела. Зонная теория твердых тел. Контактные и магнитные явления в твердых телах. Метод. указания к лабораторным работам / Томаев В.В., Стоянова Т.В., Левин КЛ. СПб.: 2012 8. Трофимова Т.И. Курс физики учеб. пособие / Т.И. Трофимова. - М Высш. шк, 2001 и др. г. изд. 9. Федорцов А.Б. Радиационная безопасность учеб. пособие /А.Б. Федорцов – СПб.:1996 10. Цаплев В.М.Курс физики. Элементы квантовой и атомной физики учеб. пособие / В.М. Цаплев, И.Г. Орехова, Е.А. Лиходаева. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2006. – 141 с. 11. Чуркин Ю.В. Физика твердого тела учеб. пособие Ю.В. Чуркин, СВ. Субботин. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008. 12. Шерстюк АИ. Физика твердого тела письм. лекции АИ. Шерстюк. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2003 СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................... 3 ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................... 3 1 КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА .......................................................................... 4 1.1 Волны де Бройля. Волновые свойства микрочастиц ............................. 4 1.2 Принцип неопределенности Гейзенберга ............................................... 8 1.3 Основное уравнение квантовой механики - уравнение Шредингера ... 9 1.3.1 Свойства волновой функции ............................................................ 9 1.3.2 Принцип суперпозиции в квантовой механике. 10 1.3.3 Уравнение Шредингера. Квантование энергии ............................ 11 1.4 Простейшие кванто-механические задачи ............................................ 13 1.4.1 Электрон в потенциальной яме ...................................................... 13 1.4.2 Прохождение микрочастицы сквозь потенциальный барьер ...... 17 Вопросы для самоконтроля и проверки владения материалом ................. 20 Примеры решения задач ................................................................................ 21 Задачи для самостоятельного решения ........................................................ 22 Выводы ............................................................................................................ 23 2 АТОМНАЯ ФИЗИКА ................................................................................... 24 2.1 Ядерная модель строения атома ............................................................ 24 2.1.1 Методы исследования атомов ........................................................ 24 2.1.2 Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц и ядерная модель атома. 24 2.1.3 Спектры испускания и поглощения атомов .................................. 26 2.1.4 Теория Бора для водорода и водородоподобных атомов ............. 28 2.2 Атом как квантовомеханическая система ......................................... 32 2.2.1 Уравнение Шредингера для электрона в кулоновском поле ядра 2.2.2 Квантовые числа .............................................................................. 33 2.2 Вырожденные состояния ........................................................................ 36 2.3 Многоэлектронные атомы ...................................................................... 37 2.3.1 Неразличимость частиц в квантовой механике ............................ 37 2.3.2 Принцип Паули ................................................................................. 37 2.3.3 Взаимодействие электронов в атоме .............................................. 38 2.3.4 Связь квантовой теории с периодической системой .................... 39 Вопросы для самоконтроля и проверки владения материалом ................. 40 Примеры решения задач ................................................................................ 41 Задачи для самостоятельного решения ........................................................ 43 Выводы ............................................................................................................ 44 3 КВАНТОВАЯ СТАТИСТИКА ..................................................................... 45 3.1 Квантово-статистические распределения Бозе-Эйнштейна и Ферми- Дирака ............................................................................................................. 45 3.2 Понятие об электронном, фононном и фотонном газе ........................ 47 Вопросы для самоконтроля и проверки владения материалом ................. 53 Примеры решения задач ................................................................................ 54 Задачи для самостоятельного решения ........................................................ 55 Выводы ............................................................................................................ 56 4 ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА ........................................................................ 57 4.1 Элементы зонной теории твёрдых тел .................................................. 57 4.2 Электропроводность полупроводников ................................................ 60 4.2.1 Движение электронов во внешнем электрическом поле .............. 60 4.2.2 Собственная проводимость полупроводников ............................. 61 4.2.3 Примесная проводимость полупроводников ................................ 63 4.3 Контактные явления в полупроводниках и металлах .......................... 65 4.3.1 Электронно-дырочный переход ..................................................... 65 4.3.2 Контактная разность потенциалов металла и полупроводника .. 68 4.3.3 Гетеропереход .................................................................................. 69 4.3.4 Эффекты Зеебека и Пельтье ........................................................... 71 Вопросы для самоконтроля и проверки владения материалом ................. 71 Примеры решения задач ................................................................................ 72 Задачи для самостоятельного решения ........................................................ 73 Выводы ............................................................................................................ 74 5 ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА ..................................................................................... 75 5.1 Строение ядра .......................................................................................... 75 5.1.1 Характеристики нуклонов и свойства ядра ................................... 75 5.1.2 Дефект массы. Энергия связи ядра ................................................ 77 5.1.3 Ядерные силы ................................................................................... 79 5.2 Явления естественной радиоактивности ............................................... 80 5.2.1 Основные характеристики радиоактивного излучения ................ 80 5.2.2 Закон радиоактивного распада ....................................................... 83 5.2.3 Методы регистрации заряженных частиц ..................................... 85 5.3 Ядерные реакции ..................................................................................... 86 5.3.1 Классификация ядерных реакций .................................................. 86 5.3.2 Общие закономерности ядерных реакций ..................................... 88 5.3.3 Деление ядер. Цепные ядерные реакции ....................................... 89 5.4 Основы радиационной безопасности .................................................... 93 Вопросы для самоконтроля и проверки владения материалом ................. 96 Примеры решения задач ................................................................................ 97 Задачи для самостоятельного решения ...................................................... 100 Выводы .......................................................................................................... 101 6 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ........................................................................................................ 101 6.1 Элементарные частицы. 101 6.2 Классификация элементарных частиц ................................................ 103 6.3 Фундаментальные взаимодействия ..................................................... 106 6.3.1 Гравитационное взаимодействие ................................................. 106 6.3.2 Слабое взаимодействие ................................................................. 108 6.3.3 Электромагнитное взаимодействие ............................................. 110 6.3.4 Сильное взаимодействие ............................................................... 111 Вопросы для самоконтроля и проверки владения материалом ............... 112 Примеры решения задач .............................................................................. 112 Задачи для самостоятельного решения ...................................................... 113 Выводы .......................................................................................................... 114 7 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТЕМЫ .................................................................... 114 7.1 Метод возмущений в квантовой механике ......................................... 114 7.2 Трёхмерная задача в потенциальном ящике ....................................... 115 7.3 Гармонический осциллятор. 116 7.4 Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер конечной ширины. 119 7.5 Анализ магнитных примесей Методом ЭПР ...................................... 121 7.6 Движение электрона в поле кристаллической решетки. Понятие об эффективной массе электрона .................................................................... 126 7.7 Pависимость электропроводности твёрдых материалов от температуры .................................................................................................. 129 7.8 Явление сверхпроводимости ................................................................ 134 7.9 Определение удельной термо-ЭДС и коэффициента Пельтье .......... 140 7.10 Cолнечные генераторы электроэнергии на основе полупроводниковых структур ..................................................................... 147 7.11 Полупроводниковый диод. Светоизлучающий диод ....................... 152 7.12 Гамма излучение ядер ......................................................................... 157 7.13 Механизм поглощения - лучей. Позитрон ..................................... 159 7.14 Нейтроны и их прохождение через вещество .................................. 161 7.15 Термоядерные реакции ....................................................................... 163 Выводы .......................................................................................................... 165 СВЯЗЬ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ С СОВРЕМЕННЫМИ МЕТОДАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ ................................................................... 166 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................ 167 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ........................................................................ 169 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................. 172 СОДЕРЖАНИЕ ................................................................................................ 173 |