Контрольные вопросы
В чем заключается физический смысл соотношения неопределенностей?
Вывести соотношение неопределенностей для световой волны.
Почему проверка соотношения неопределенностей при помощи лазерного излучения более надежна, чем при работе с другими источниками света (например, ртутной лампой)?
Объясните понятие корпускулярно-волновой природы микрочастиц.
Каков физический смысл гипотезы де Бройля?
Какие следствия вытекают из соотношения неопределенностей (на примере поведения электрона в атоме водорода)?
Список литературы
Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М.: Высшая школа, 1989.
Савельев, И.В. Курс общей физики. Т. 3 / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1982.
Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высшая школа, 1995.
Лабораторная работа № 4 изучение эффекта зеебека (тэдс металлов)
|
Цель работы: |
изучение эффекта Зеебека, Определение энергии Ферми (ЕF - ?) |
Теоретическая часть
Эффект Зеебека состоит в следующем: если спаи 1 и 2 двух разных металлов А и В, образующих замкнутую цепь (рис. 4.1), имеют разные температуры, то между холодным и горячим спаем возникает разность потенциалов, возникает термоэдс (ТЭДС), в цепи появляется электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока в цепи.
T1
Рис. 4.1. Цепь состоящая из двух разнородных металлов А и В
Как показали исследования, термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) в металлах обусловлена тремя основными причинами:
1) зависимостью химического потенциала электронов (энергии Ферми) для металлов от температуры;
2) диффузией электронов;
3) взаимодействием электронов с фононами.
Рассмотрим подробнее каждую из указанных причин.
Зависимость энергии Ферми от температуры для металлов.
В металле существуют
свободные электроны. В соответствии с
простейшей моделью металл может быть
подобен сосуду, наполненному электронным
газом. В этом случае объем металла
рассматривают как потенциальную яму с
вертикальными стенками (рис. 4.2). Функция
распределения электронов по энергетическим
состояниям имеет выражение: f(E)=
,
где (1)
μ– химический потенциал
(1) – выражение носит название функции распределения Ферми – Дирака. Частицы (электроны), для которых выполняется принцип Паули, подчиняются статистике Ферми – Дирака. μ – химический потенциал часто обозначают μ= ЕF – и называют уровень Ферми или энергией Ферми
В металле электронный газ подчиняется распределению Ферми – Дирака, и при температуре, близкой к нормальной, практически все энергетические уровни, расположенные ниже энергии Ферми, оказываются занятыми электронами, а все уровни выше энергии Ферми – пустыми. На рис. 4.2: Ер – глубина потенциальной ямы, т.е. разность энергий покоящегося свободного электрона и электрона на «дне» потенциальной ямы; ЕF – энергия Ферми, отсчитанная от «дна» ямы и e – работа выхода, т.е. минимальная энергия, которая должна быть сообщена электрону, чтобы он смог покинуть металл. Величины Ер, ЕF и e различны для разных металлов.
Рис. 4.2. Энергетическая структура металла
1-2 – некоторый объем металла
Если два разных металла привести в контакт, то занятые энергетические уровни первого металла окажутся напротив свободных уровней второго металла. Электроны станут перемещаться из первого металла во второй вследствие указанных трех причин. На рис. 4.3. изображены два металла – слева до приведения их в соприкосновение, справа – после их соприкосновения. В нижней части рисунка даны графики потенциальной энергии электрона. Уровень Ферми ЕF, в первом металле лежит, по предположению, выше, чем во втором ЕF2. При возникновении контакта (правая часть рисунка) между металлами электроны с самых высоких уровней в первом металле станут переходить на более низкие свободные уровни второго металла. В результате второй металл приобретет отрицательный заряд (так как во второй металл перейдет избыточное число электронов), а первый окажется заряженным положительно (так как часть электронов из него ушла). Иначе говоря, потенциал первого металла возрастет, а потенциал второго – уменьшится. Соответственно потенциальная энергия электрона (как отрицательной частицы) в первом металле уменьшится, а во втором увеличится (рис. 4.3, б).
Рис. 4.3. Энергетическая структура двух металлов до контакта (б) и после контакта (в).