facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip

ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ ЯВЛЕНИЙ КУРСА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Автор Доклада: 
Лукашевич С.А., Желонкина Т.П., Шолох В.Ф.

УДК 53(077)

ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ ЯВЛЕНИЙ КУРСА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Лукашевич Светлана Анатольевна, ассистент
Желонкина Тамара Петровна, ст.преподаватель
Шолох Владимир Федорович, канд. физ.-мат. наук, доцент
Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины

 

В статье обосновывается необходимость введения квантовых представлений при изучении электронных явлений курса общей физики
Ключевые слова: электронная теория, квантовая теория, курс общей физики.

In the paper is given prove the of introduction the quantum presentation in studying of electronic phenomenon of the general physics course.
Keywords: electronic theory, quantum theory, general physics course.

В общем курсе физики электронные явления в основном рассматриваются с точки зрения классической электронной теории, характеризующейся относительной сложностью, возможностью использовать известные из молекулярной физики статистические закономерности и наглядные модельные представления. Эта теория дает хорошие результаты при рассмотрении многих явлений, особенно, если концентрация участвующих электронов позволяет пренебречь взаимодействием между электронами.
В разделе «Электричество» курса общей физики необходимо изучать многие электронные явления и свойства, которые не находят объяснения в пределах классической теории, поэтому необходимо пользоваться квантовыми представлениями. К таким вопросам относится электропроводность металлов и полупроводников, сверхпроводимость, магнитные свойства атомов и вещества, работа выхода электронов, контактные явления, автоэлектронная эмиссия и т.д.
При изучении электропроводности металлов необходимо характеризовать систему свободных электронов, пользуясь понятием квантового состояния, принципом Паули, квантовыми характеристиками электрона, соотношением неопределенностей и функцией распределения Ферми. На основе этих представлений необходимо вычислить значение энергии Ферми, температуру вырождения и характеризовать границы применимости классической электронной теории.
Принцип Паули дает возможность обосновать модель свободных электронов квантовой теории Зоммерфельда. Пользуясь этой моделью нетрудно получить выражение электропроводности металлов, показать физический смысл электрического сопротивления и его зависимость от температуры
На основе понятия энергетического спектра разрешенных для электронов значений энергий необходимо характеризовать зонный спектр электронов в кристаллах, из которого следует, что между полупроводниками и диэлектриками нет принципиального различия, а есть только количественное различие в ширине запрещенной зоны, и что обращение проводимости в нуль - есть характерное свойство всех кристаллов за исключением металлов. Зонная модель энергетических состояний электронов упрощает качественную характеристику электрических свойств полупроводников, получение количественных параметров, зависимость электропроводности от температуры, примесей и контактные свойства.
Основным исходным положением при рассмотрении контактной разности потенциалов между металлами является условие термодинамического равновесия двух систем, способных обмениваться частицами. В частности, это условие выражается в равенстве электрохимических потенциалов двух систем, которые могут быть представлены как термодинамический потенциал, отнесенный к одной частице:


Тогда очевидно, что для электронов в твердых телах в случае термодинамического равновесия электрохимический потенциал будет равен энергии Ферми:


При изучении работы выхода электронов и контактных явлений необходимо использовать понятие уровня Ферми и его зависимость от температуры. Введение понятия туннельного эффекта позволяет объяснить автоионизацию, автоэлектронную эмиссию и эффект Шоттки.
Особо следует отметить, что при построении энергетических диаграмм для электронов в твердых телах, находящихся в контакте, необходимо применять единую шкалу энергий, единое начало отсчета. Естественной шкалой энергий, применимой как в случае невзаимодействующих, так и в случае контактирующих металлов, является энергетическая шкала с началом отсчета Е = 0 на бесконечности. Таким образом, условием равновесия систем электронов двух контактирующих металлов будет равенство их электрохимических потенциалов, отсчитанных относительно общего начала. Выравнивание энергий Ферми находящихся в контакте металлов осуществляется за счет преимущественного перехода электронов из металла с меньшей работой выхода в металл с большей работой выхода, вследствие чего устанавливается контактная разность потенциалов, определяемая разностью работ выхода электронов из находящихся в контакте металлов


Вводимое во многих учебных пособиях по курсу общей физики и физики твердого тела понятие внутренней контактной разности потенциалов основано на применении классических представлений о потенциальной и кинетической энергии электронов внутри металла и не имеет физического смысла, так как не определяет реально измеримых на опыте величин: контактного поля и контактной разности потенциалов.
Не имеет оснований также деление контактной разности потенциалов на внешнюю и внутреннюю. Эти выводы подтверждаются теорией и экспериментальными данными по исследованию полупроводниковых приборов, основанных на использовании p-n- переходов, гетеропереходов и переходов металл-полупроводник.
Если к вышесказанному добавить, что характеризуя магнитные свойства атомов и молекул используются понятия орбитальных и спиновых квантовых чисел и соответствующие магнитные моменты электронов, то становится ясным, что в курсе электричества необходимо использовать многие квантовые понятия при рассмотрении электронных явлений с точки зрения современной теории.
В учебной литературе по общему курсу электромагнетизма в большей или меньшей степени используются квантовые представления, особенно при характеристике состояния электронов в металлах и полупроводниках. Но введение этих представлений и квантовых характеристик в учебниках по общей физике является непоследовательным и декларативным.
Такое неудовлетворительное положение продолжает существовать под действием исторически сложившихся традиций и некоторой инертности в общем курсе физики: пользоваться только классической электронной теорией. Известно, что квантовые понятия вводятся уже в элементарном курсе физики не как дополнение, а как основа более совершенного объяснения явлений микромира. Тем более в общем курсе физики многие электронные явления и свойства вещества необходимо рассматривать с точки зрения современной электронной теории. Соглашаясь с этой необходимостью, возникает вопрос о возможностях применения квантовой теории. В смысле времени - дополнительные затраты не возникают. Главная трудность – в незнании студентами основных квантовых понятий. Поэтому предлагается целесообразным в начале курса по электричеству рассмотреть основы строения атомов в пределах теории Бора-Зоммерфельда, пользуясь достаточными знаниями студентов из элементарного курса.
Это позволит последовательное и отчасти обоснованное введение понятий дискретных состояний электрона, квантовых чисел, принципа Паули, волновых характеристик электронов и соотношения неопределенностей.

Литература:
1. Калашников, С.Г. Электричество /С.Г. Калашников. – 3-е изд., стереотипное. – М.: Наука, 1970. -667 с.
2. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Электричество /Д.В. Сивухин. – М.: Наука, 1983. – 688 с.
3. Ансельм, А.И. Основы статической физики и термодинамики. / А.И. Ансельм. – М.: Наука, 1973. – 385 с.

7
Ваша оценка: Нет Средняя: 7 (1 голос)
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.