Билет № 29

1. Электрический ток в полупроводниках. Диод.

2. Термоядерный синтез. Строение и энергия Солнца и звёзд.

3. Задача на нахождение е- энергии затрат.

Ответы:

1. Электрический ток в полупроводниках Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых

убывает с повышением температуры, наличия примесей, изменения освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства.

Электропроводность полупроводников и ее зависимость от температуры

При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены, Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда, называемого, «дыркой». При перемещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — ток дырочной проводимости.

Полупроводниковый диод

р—n-Контакт полупроводников обладает односторонней проводимостью: если к р - области подключить «+» источника тока, а к п -области «—» источника тока, то запирающий слой разрушится и р—п будет проводить ток. Электроны из области п - пойдут в р - область, а «дырки» из р - области в п - область (рис. 38, а). В случае обратного подключения ток равен нулю (рис. 38, б).

Так как если к р - области подключить «+» источника тока, а к п - области «—», то запирающий слой расширится.

Полупроводниковый диод (рис. 39) состоит из полупроводников р - и п - типа. Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия, а недостатком — зависимость его сопротивления от температуры. Основное применение полупроводникового диода — в качестве выпрямителя тока.

2. Термоядерные реакции

Если при делении тяжелого ядра урана его масса покоя больше суммы масс покоя осколков, то для легких ядер наблюдается обратная картина. Например, масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер дейтерия — тяжелого водорода. Следовательно, при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается, а значит, выделяется большое количество энергии. Подобные реакции получили название термоядерных (или термоядерного синтеза), поскольку они могут протекать только при очень высоких температурах.

Термоядерные реакции постоянно протекают в недрах звезд и Солнца, являясь причиной излучения ими энергии. Современная астрофизика описывает эволюцию звезды таким образом: на ранней стадии звезда состоит, в основном, из водорода. Температура внутри звезды настолько велика, что там постоянно происходит термоядерный синтез: протоны попарно соединяются, водород превращается в гелий. Затем ядра гелия образуют ядра более тяжелых элементов. Все эти реакции сопровождаются выделением огромной энергии, которую звезда излучает на протяжении многих миллионов лет.

Важной практической задачей является использование управляемых термоядерных реакций в энергетике. Работая в этом направлении, пытаются использовать энергию, выделяющуюся при протекании реакции соединения ядер тяжелого и сверхтяжелого водорода (дейтерия и трития):

H + H — Не + п.

На сегодняшний день значительные успехи достигнуты лишь в использовании неуправляемой реакции термоядерного синтеза. Именно такая реакция лежит в основе действия водородной (термоядерной) бомбы. Внутри термоядерной бомбы помещена атомная (например, урановая), взрыв которой служит источником высокой температуры, необходимой для начала термоядерного синтеза водорода. Водородная бомба была сконструирована советскими учеными в качестве ответной меры, поскольку к тому времени США уже несколько лет как обладали атомной бомбой. Термоядерная бомба — чудовищное оружие, поскольку ее взрывная мощь может быть практически безграничной. Один из руководителей разработки водородной бомбы академик А. Д. Сахаров стал и одним из первых, кто выступил за полное запрещение наземных испытаний ядерного оружия, а затем — и за полный отказ от его применения.