Самостоятельный газовый разряд.

При дальнейшем повышении напряжения от U_з и выше сила тока резко начинает возрастать. Если убрать внешний ионизатор, разряд продолжится. Значит заряды, необходимые для поддержки электропроводимости газа, теперь создаются самим разрядом. Газовый разряд, который существует без действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным разрядом. Напряжение U_з, при котором разряд становится самостоятельным, называют напряжением зажигания газового разряда или напряжением пробоя. Самостоятельный газовый разряд поддерживается за счет ударной ионизации электронами, ускоренными электрическим полем. Под действием электрического поля скорость электронов возрастает настолько, что при соударении электрона с атомом, атом теряет электрон. При достаточной напряженности электрического поля оба электрона набирают до следующего столкновения энергию, достаточную для ионизации следующего атома. Число электронов растет очень быстро, говорят, образуются электронно-ионная лавина. Этого не достаточно, необходимо компенсировать электроны, ушедшие на анод. Эти электроны могут появиться из катода при бомбардировке катода положительными ионами и фотонами (при освещении катода), движущимися к катоду под действием электрического поля.

Типы самостоятельных разрядов:

а) Коронный разряд

возникает при атмосферном давлении в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности

б) Искровой разряд

возникает при большой напряженности электрического поля.

в) Дуговой разряд

Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшить расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным- возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения, минуя стадию искры. Для этого электроды сближаются до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу (именно так она была открыта В.В. Петровым). При атмосферном давлении температура катода примерно 3900 К. Дуговой разряд поддерживается за счет высокой температуры катода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обусловленной высокой температурой газа. Дуговой разряд применяется для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей в дуговых печах, освещения (прожекторы).

г) Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Тлеющий разряд – это свечение газосветных трубок в надписях и рекламах, это лампы дневного света. Характер свечения зависит от химического состава газа в трубке и состава вещества, покрывающего внутреннюю поверхность трубки.

 

2. Естественная радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и их свойства.

Явление радиоактивности подтверждает сложный состав атома. Радиоактивность заключается в том, что ядро некоторых химических элементов самопроизвольно, без действия внешних факторов создают невидимое излучение, которое обладает определенными свойствами. Радиоактивность открыл в 1896г. Анри Беккерель для урана. Невидимые лучи действовали на фотопластинку, ионизировали газ, имели высокую проникающую способность. Изучение радиоактивности (этот термин появился позднее) продолжили многие ученые. В 1898г. французские физики Мари Кюри и Пьер Кюри из отходов урановой руды получили два новых химических элемента. Сначала полоний (Ро), занявший 84 клетку в таблице Менделеева, а затем радий (Ra), занявший 88 клетку. Излучения радия было очень сильным, термин радиоактивность стал применяться после открытия радия. Кюри также выяснили, что все элементы, начиная с 83 в разной степени радиоактивны.

Э.Резерфорд, исследуя радиоактивное излучение, обнаружил его неоднородность. В магнитном и электрическом полях излучение делилось на три части. Компоненты излучения были названы: альфа –лучами (α), бета-лучами (ß), гамма-лучами (γ).

α- лучи слабо отклоняются в электрическом и магнитном полях как положительно заряженные частицы. Масса этих частиц в четыре раза превосходит массу атома водорода. Позднее было определено, α- лучи- это ядра атомов гелия. У α- лучей очень сильная ионизирующая способность, но проникающая способность слабая, т.е. это излучение хорошо поглощается веществом.

ß -лучи отклонялись в магнитном и электрическом поле противоположно α-лучам, но значительно сильнее, они представляют собой поток быстрых электронов. Проникающая способность ß -лучей значительно больше, чем у α- лучей, а ионизирующая много слабее.

γ -лучи не отклонялись в электрическом и магнитных полях, они оказались очень жестким электромагнитным излучением (электромагнитные волны очень малой длины, большой проникающей способностью). Обнаружить γ -лучи можно и после прохождения железной плиты метровой толщины.

 

Билет № 7

1. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Существует большая группа веществ, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества называют полупроводники. К ним относятся кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, селен, оксиды некоторых металлов, сульфиды, теллуриды.

От металлов полупроводники отличаются концентрацией свободных зарядов, в полупроводниках при нормальных условиях концентрация свободных электронов в миллиард раз меньше, чем в металлах. Поэтому удельное сопротивление полупроводников на несколько порядков выше, чем у металлов. Если при нагревании металла сопротивление проводника увеличивается, то при нагревании полупроводника сопротивление значительно уменьшается. Проводимость некоторых полупроводников значительно возрастает при их освещенности. Примеси в металлах значительно снижают их электропроводимость, примеси в полупроводниках могут повысить электропроводимость в отдельных случаях в десятки тысяч раз. Электропроводимость неметаллических кристаллов существенно зависит от давления, при давлении 3-4 атм. Она может стать равной проводимости металлических кристаллов.

 

Электропроводимость полупроводников объясняется особенностью их кристаллического строения. Рассмотрим кристаллическую решетку германия. Германий – типичный полупроводник (z=32). Четыре электронных оболочки германия содержат 32 электрона-2, 8, 18, 4. Три внутренних оболочки устойчивые, т. е. в химических реакциях не участвуют, их электроны имеют сильную связь со своим ядром. Во внешней оболочке атомов германия имеется 4 валентных электрона. При сближении данного атома с соседними валентные электроны соседних атомов взаимодействуют друг с другом. Каждый атом германия находится на одинаковом расстоянии от четырех соседних атомов и образует с ними ковалентные связи, т. е. такие связи, при которых каждый из валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам. Валентные электроны могут переходит из одной ковалентной связи в другую, перемещаться по всему кристаллу. Такое перемещение хаотичное, поэтому тока не создает.

Собственная проводимость полупроводников.

Энергия ионизации атомов германия сравнима с энергией теплового движения уже при комнатной температуре. Поэтому часть внешних электронов обобществляется соседними атомами и легко переходят от одного атома к другому, становясь блуждающими частицами (Электроны стали свободными). Число таких электронов значительно увеличивается при нагревании или освещении. Под действием электрического поля свободные электроны станут двигаться направленно и создадут электрический ток, называемый электронным током. Одновременно с появлением блуждающего (свободного) электрона у атома полупроводника возникает свободное место в ковалентной связи, которое принято называть дыркой. Эту дырку может занять электрон из ковалентной связи соседнего атома, у которого в свою очередь образуется дырка. Таким образом блуждание электронов в кристаллической решетке влечет за собой блуждание дырок.

«Перемещение» дырок от одного атома к другому подобно движению положительного заряда, т. е. дыркам приписывается положительный заряд. Под действием электрического поля «дырки» будут перемещаться в направлении, противоположном движению электронов, создавая дырочную проводимость. Ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. В химически чистых полупроводниках электронный ток равен дырочному, а проводимость чистых полупроводников называют собственной.

Примесная проводимость полупроводников.

Проводимость полупроводников зависит не только от внешних условий, в частности от температуры и давления. Проводимость увеличивается при наличии специально подобранных примесей. Тогда наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость. Обычно основным полупроводником являются германий или кремний.

Если к четырехвалентному кремнию в качестве примеси добавить пятивалентное вещество, например, мышьяк, то для образования ковалентной связи атомов кремния и мышьяка достаточно четырех валентных электронов от каждого атома. При этом пятый валентный электрон мышьяка оказывается свободным, т.е. электроном проводимости. Примесь, валентность которой больше валентности основного полупроводника, называется донорной (отдающей электрон). Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками n-типа. В полупроводниках – типа электронная проводимость преобладает над дырочной. Электроны называют основными носителями заряда, дырки-неосновными носителями.

Если к кремнию в качестве примеси добавить трехвалентное вещество, например, индий, то при образовании ковалентной связи атомов кремния и индия не будет хватать одного электрона. Поэтому на каждый атом индия образуется одна лишняя дырка Примесь, валентность которой меньше валентности основного полупроводника, называется акцепторной (принимаюшей). Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками р- типа. В полупроводниках р- типа дырочная проводимость преобладает над электронной. Дырки- основные носители заряда.

2. Ядерные превращения. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивный распад- радиоактивное превращение атомных ядер, которое сопровождается появлением ядра другого химического элемента и выделением одной из элементарных частиц. Радиоактивный распад подчиняется правилу смещения.

При α-распаде получается ядро химического элемента, смещенного на две клетки к началу периодической системы, при этом массовое число убывает на четыре единицы.

Т.е. α-распад происходит по схеме

, например

ß -распад бывает двух разновидностей: электронный и позитронный. При ß- электронном распаде образуется ядро, расположенное на одну клетку правее исходного , например

При позитронном распаде (позитрон- античастица электрона, отличается от электрона только знаком заряда) образуется ядро химического элемента, смещенного на одну клетку к началу таблицы Менделеева , например

Распад ведет к уменьшению числа атомов радиоактивного вещества и носит случайный характер. Заранее нельзя предсказать какой из атомов и когда распадется.

До момента распада ни в ядре, ни в электронной оболочке атома никаких процессов, предопределяющих распад, не происходит. Поэтому можно говорить только о вероятности распада какого-либо атома за данный промежуток времени. Время T, в течение которого распадается половина первоначального количества радиоактивных атомов, называется периодом полураспада.

Закон радиоактивного распада является статистическим законом, он имеет вид:

N= N₀·2^-t/T, где N₀-начальное число радиоактивных ядер, N- число нераспавшихся ядер через время t от начала распада, T – период полураспада.

Периоды полураспада у радиоактивных элементов сильно различаются. Например, у урана-238 он равен 4,5·10⁹ лет, у тория-234 он равен 24,1 дня, а у полония-214 составляет всего 1,5·10^-4 с.

Независимость периода полураспада радиоактивных элементов используется для определения возраста горной породы, в которой эти элементы содержатся (обычно для используют изотоп урана . Возраст органических соединений обычно определяют по содержанию углерода.

 

 

Билет № 8

1.Контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Его свойства и применение в электронных приборах.

Если привести в контакт два полупроводника с различными типами проводимости, то начнется встречное диффундирование электронов и дырок. Электроны проводимости из полупроводника n-типа будут переходить в полупроводник р-типа, а дырки из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа. Поэтому процесс в контактном слое полупроводников разных типов называется р-n переходом или электронно-дырочным переходом. В результате встречного диффундирования электронов и дырок полупроводник n-типа получит положительный заряд, а полупроводник р- типа отрицательный. В контактном слое возникает электрическое поле (контактная разность потенциалов), препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок.

Свойства электронно-дырочного перехода.

Если соединить полупроводник n-типа с отрицательным полюсом источника тока, а р- типа- с положительным полюсом, то электрическое поле источника скомпенсирует поле контактного слоя, и диффундирование электронов и дырок через контактный слой будет происходить непрерывно. Через контакт возникает электрический ток, называемый прямым током р-n перехода.

Если полупроводник n- типа соединить с положительным полюсом источника тока, а р- типа с отрицательным полюсом источника тока, то поле источника будет совпадать с полем контактного слоя. Сопротивление контактного слоя будет очень большим и ток через него практически не пойдет (слабый обратный ток р-n перехода создается неосновными носителями заряда).

Таким образом, контактный слой двух полупроводников различных типов обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковый прибор на основе одного р-n называют полупроводниковым диодом. Диод используется для выпрямления переменного тока.

Полупроводниковый прибор на основе двух р-n называют полупроводниковым триодом или транзистором. Транзисторы делятся на р-n-р и n –р-n. Средняя более узкая область транзистора называется базой, она делит кристалл на две области с одинаковой проводимостью, называемые эмиттер и коллектор. Транзисторы используются для получения и усиления электрических колебаний высокой частоты.

 

2. Строение атомного ядра. Энергия связи атомных ядер.

В 1919г Резерфорд, осуществляя первую искусственную ядерную реакции, получил в свободном состоянии элементарную частицу, заряд которой был равен модулю заряда электрона, а её масса оказалась примерно равной 1 а.е.м. (атомной единице массы). Частицу назвали протоном (позднее оказалась, что она представляет собой ядро изотопа водорода). Протон условились обозначать p или

Некоторое время считали, что ядра состоят только из протонов, но такое представление о ядре противоречили некоторым опытным фактам. В 1932г. Чедвик получил в свободном состоянии элементарную частицу, которая не имела заряда, масса частицы оказалась примерно равной массе протона. Эту частицу назвали нейтрон - . После открытия нейтрона Д.Д. Иваненко и немецкий физик Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра: ядро состоит из протонов и нейтронов. Общее название ядерных частиц – нуклоны. Число протонов Z совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева, т.е. число протонов определяет заряд ядра. Сумма протонов Z и нейтронов N равна массовому числу A (массе химического элемента, округленной до целого значения) Z+N=A Протонно-нейтронная модель ядра объяснила существование изотопов. Изотопы- вещества, обладающие одинаковыми химическими свойствами (занимающие одно место в таблице Менделеева), но имеющие разные физические свойства (в основном разную радиоактивность). Изотопы есть у всех химических элементов, у части химических элементов они природные, а у части искусственные, т.е. получаемые в процессе ядерных реакций. Ядра изотопов одного химического элемента имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.

Например: изотопы водорода - Z=1, N=0 - легкий водород

- Z=1, N=1 - дейтерий

- Z=1, N=2 - тритий

изотопы урана - Z=92, N =143

- Z=92, N=146

Вещества с одинаковыми массовыми числами называются изобарами, например

и ;

Ядерные силы – силы, обеспечивающие существование устойчивых ядер, пример сильных взаимодействий. Ядерные силы – силы особой природы. Особенности ядерных сил: 1) ядерные силы являются только силами притяжения; 2) ядерные силы –это короткодействующие силы; 3) ядерные силы обладают свойствами зарядовой независимости; 4) ядерные силы не являются центральными; 5) ядерные силы обладают свойствами насыщения, т.е. в ядре не может быть любого числа нуклонов

Дефект масс. Энергия связи ядер. Энергия связи – энергия необходимая для расщепления ядра на нуклоны без сообщения им кинетической энергии. Она была вычислена на основании формулы взаимосвязи массы и энергии (формулы Эйнштейна) Е=mc².

Е_св=Δmс², Δm – дефект масс, Δm=Zm_p+Nm_n-M_я; Zm_p – масса протонов, входящих в ядро, Nm_n – масса нейтронов, входящих в ядро, M_я – масса целого ядра, с – скорость света в вакууме.

Удельная энергия связи Е_уд – энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Е_уд=Е_св/ А. Наибольшая энергия связи у химических элементов с массовым числом от 40 до 120. При А>120 удельная энергия связи монотонно убывает. При А< 20 удельная энергия связи имеет характерные максимумы и минимумы. Удельная энергия связи определена для всех химических элементов.

 

Билет № 9

1. 1. Магнитное поле. Источники магнитного поля. Индукция магнитного поля. Магнитные силовые линии.

Магнитное поле-среда (вид материи), посредством которой осуществляется взаимодействие электрических токов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, взаимодействие тока и магнита, взаимодействие постоянных магнитов. Источником магнитного поля является движущийся электрический заряд, т. е. ток. Изучение магнитного поля, созданного током началось в 20-ых годах 19 века, хотя постоянные магниты были известны человечеству давно. По историческим сведением компасом, т. е. магнитной стрелкой люди пользовались еще до нашей эры. Большой вклад в изучение магнитного поля внесли Эрстед, Ампер, Био, Савар и др.