Решение дифференциальных уравнений Примеры решения типовых задач Курс практики по математике Инженерная графика Машиностроительное черчение История дизайна Архитектура ПК Лабораторные работы Курс лекций по физике теплоэнергетика
Лабораторные работы по оптоэлектронике Исследование основных параметров полупроводникового лазера Электронно-дырочный переход Квантовая физика Полупроводниковые детекторы оптического излучения

Лабораторные работы по оптоэлектронике Квантовая физика

Квантовая физика возникла и в основном сформировалась в первой трети ХХ столетия. Возникновение и развитие квантовой физики связано с именами М. Планка, А. Эйнштейна, Л.де Бройля, Н. Бора, В. Гейзенберга, Э. Шредингера, В. Паули. Значительный вклад внесли советские физики Л.Д. Ландау, В.А. Фок, А.Ф. Иоффе и др.

В квантовой физике существуют несколько основных принципов.

1. Дискретность состояний. Физическая система (например, электрон в кулоновском поле атомного ядра) может находиться лишь в отдельных дискретных состояниях. Переход между этими состояниями может быть самопроизвольным (спонтанным) или вызванным внешними воздействиями (индуцированные переходы). В частности, состояние системы может изменяться и непрерывно (свободный электрон).

2. Корпускулярно-волновой дуализм. Один и тот же физический объект в некоторых физических явлениях может вести себя как волна, а в других - как поток частиц.

3. Принцип неопределенности. Существуют пары физических величин (импульс и координата, время и энергия), которые одновременно в одном и том же состоянии системы не могут иметь точных значений, и чем меньше интервал возможных значений одной из них, тем больше такой интервал для другой.

Существует и ряд других характерных черт квантовой физики, коренным образом отличающих ее от классической физики - физики привычных для человека пространственных масштабов, промежутков времени, значений масс, импульсов и т.д. Законы квантовой физики кажутся нам на первый взгляд парадоксальными и непонятными именно потому, что в повседневной практике мы не сталкиваемся с их проявлениями. В этом - трудность изучения квантовой физики. Помочь студентам преодолеть эту трудность - цель предлагаемого цикла лабораторных работ.

Магнитное поле в веществе. Гипотеза Ампера о молекулярных токах. Вектор намагничивания. Различные вещества в той или иной степени способны к намагничиванию: то есть под действием магнитного поля, в которое их помещают, приобретать магнитный момент. Одни вещества намагничиваются сильнее, другие слабее. Будем называть все эти вещества магнетиками.

Квантовая физика возникла не на пустом месте. К ее созданию привело развитие наших знаний об окружающем нас материальном мире. Можно выделить два основных направления развития квантовой физики.

1. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Попытка с точки зрения классической физики вычислить и объяснить распределение по частотам энергии электромагнитного излучения, находящегося в тепловом равновесии с веществом полости, внутри которой заперто излучение, привела к противоречию не только с экспериментальными данными, но и со здравым смыслом (так называемая ультрафиолетовая катастрофа). Предложенная М.Планком гипотеза о том, что излучение испускается и поглощается отдельными порциями - квантами - привела к разумной формуле, блестяще подтвержденной экспериментом. Изучению теплового излучения и его законов посвящены в нашем цикле работы № 601 и 602.

Кроме того, к концу Х1Х в. стали известны такие явления, как фотоэффект, эффект Комптона (упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах), которые можно объяснить, лишь предположив, что излучение представляет собой поток частиц - фотонов. В нашем практикуме законы фотоэффекта изучаются в работе № 603.

2. Атомная физика, в частности - исследование спектра испускания водорода. В предлагаемом цикле лабораторная работа № 604 посвящена этой теме.

Одним из наиболее важных разделов квантовой физики является квантовая механика. Для будущих инженеров важно познакомиться с современной физикой твердого тела, основанной на квантовой физике. Этой области физики посвящена работа № 606. В работе № 611 исследуются волновые свойства микрочастиц, в работах № 610 и 612 - некоторые вопросы атомной физики.

Следует отметить, что квантовая физика является основой многих важных разделов современной физики и техники: физики твердого тела, твердотельной электроники, лазерной физики и др. Без глубокого изучения этого раздела невозможно понять новые перспективные направления в радиотехнике и наноэлектронике. Поэтому глубокое знание квантовой физики необходимо современному инженеру.

Авторы надеются, что практикум по квантовой физике поможет студентам глубоко овладеть этой трудной, но важной и интересной областью современной науки.


ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА ИЗ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

601.1. Цель работы

Опытное определение постоянной Планка.

601.2. Разделы теории

Тепловое излучение. Законы Кирхгофа, Стефана - Больцмана; закон смещения Вина. Формула Планка. Излучательная и поглощательная способность, спектральная плотность, интегральная светимость. [1. Гл.1,§1 - 7]; [2. Гл. 26, §197 - 200]

601.3. Приборы и принадлежности

Лабораторная установка, вольтметр, амперметр, омметр, набор светофильтров.

601.4. Теоретическое введение

Принцип измерения постоянной Планка в данной работе основан на использовании законов теплового излучения.

Тепловое излучение характеризуется мощностью, излучаемой единицей поверхности тела при постоянной температуре . Оказывается, что при данной температуре максимально возможную теоретически мощность с единицы поверхности может излучать тело, которое называется абсолютно черным. Мощность, излучаемая единицей поверхности тела при данной температуре во всем диапазоне частот, называется энергетической светимостью . Мощность, излучаемая с единицы поверхности тела в интервале частот от  до при постоянной температуре, пропорциональна интервалу частот

 , (601.1)

где  - излучательная способность тела (спектральная плотность энергетической светимости), являющаяся функцией частоты излучения  и температуры излучающей поверхности .

Из (601.1) следует связь энергетической светимости с излучательной способностью:

. (601.2)

Согласно закону Стефана – Больцмана, энергетическая светимость абсолютно черного тела  пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры  излучающей поверхности

, (601.3)

где  - постоянная Стефана - Больцмана.

Для реальных тел (в данной работе нить накаливания лампочки) при равных температурах энергетическая светимость   меньше энергетической светимости абсолютно черного тела :

, (601.4)

где  < 1 - коэффициент нечерности излучающего тела.

Полная мощность P, излучаемая со всей поверхности S однородного тела, с учетом (601.3) и (601.4) может быть вычислена по формуле

. (601.6)

В 1900 г М. Планком была получена явная зависимость излучательной способности абсолютно черного тела   от частоты  и температуры :

, (601.6)

где  - постоянная Планка;  - скорость света в вакууме;  - постоянная Больцмана.

Из (601.2) с учетом (601.6) может быть получена формула для энергетической светимости абсолютно черного тела

. (601.7)

Сравнивая выражения (601.3) и (601.7), получим постоянную Стефана - Больцмана в явном виде:

. (601.8)

Постоянная Планка входит в выражения для постоянной Стефана - Больцмана (601.8) и излучательной способности абсолютно черного тела (601.6), что позволяет определить ее численное значение из эксперимента.

В 1900 г. Максом Планком была выдвинута принципиально новая физическая гипотеза о дискретности энергии теплового излучения и наличии ее минимальной порции - кванта энергии излучения. Эта гипотеза позволила Планку описать равновесное тепловое излучение во всех диапазонах длин волн.
Сравнение быстродействия p-n и p-i-n диодов