大学物理2

2011-4-11DUT 余 虹14.1物质原子 家族 电荷 轻 子 夸 克 －1 0 +2/3 -1/3作客粒子家族原子核 电子 夸克 质量（GeV/c2） 电子 e~10−4 νe<10−8 u~0.01 d~0.01 µ子 µ~0.106 ν µ <10−4 c~1.5 s~0.15 τ子 τ~1.78 ν τ <0.035 t~175 b~5.5 质子、中子我们的宇宙由 四种粒子组成2011-4-11 DUT 余 虹大质量粒子寿命极短。

24.1.1 电子的发现一、19世纪微观世界的三大发现 1895 1896 1897 X射线的发现——伦琴 放射性的发现——居里夫妇 电子的发现——J J 汤姆逊原子不是最小的粒子！原子核也不是最小的粒子！ 电子、夸克是不是最小的粒子？DUT 余 虹2011-4-113二、发现电子 阴极射线是什么？ 1891年赫兹发现了阴极射线能够穿透金属 薄片。

此后勒纳德为阴极射线管开了一个 0.000265cm 厚铝箔的窗口,把阴极射线引出 来。

让射线从横向电场中通过，没发现偏转。

——阴极射线是电磁波！ 赫兹实际是真空度不高、场强不够大造成的。

2011-4-11 DUT 余 虹 41重复赫兹电场偏转实验——得知电子运动 速度200km/s——需要加大电场强度。

2发现管内存在大量气体形成电屏蔽，不能 建立电场。

于是利用最先进真空技术烘烤射 线管，获得了高真空。

J J 汤姆逊 测到了偏转，确定这种带电粒子的荷质比。

汤姆逊的 原子模型 1897年，这位英国科学家首先提出了电子， 接着提出了布丁式原子模型。

1906年，获得诺贝尔物理奖 。

原子果真是像汤姆逊模型吗？2011-4-11 DUT 余 虹 54.1.3 揭开原子核的内幕一、发现质子1899年 1903年 1908年 1911年 铀放射线中有α 射线（穿透性弱）； α 射线是氦元素正离子； 卢瑟福 α 射线对金箔散射—大角度散射率1/8000 ； 提出原子核式模型,并将氢原子核命名为质子。

金箔（约400个原子厚度）α源准直器硫化锌荧光屏2011-4-11DUT 余 虹6二、发现中子 1.原子核的p+模型（质子模型） ——原子核是由质子组成 原子核的电量Q = Ze 原子核的质量 M ≈ Amp e为质子电量,mp为质子质量. 卢瑟福猜测： 也许原子核内有电子，有些电子与 提出 质子紧密结合，测到电量少了。

Amp ZmpA> Z !p + + e− 模型2011-4-11DUT 余 虹72. 原子核的 p + + e−模型（质子＋电子模型） 1原子由等量的质子和 电子组成。

2质子都在核中；电子 一部分在核中，一部分 在核外绕行。

氦原子：4 p + +4 e− ； 氦核： H e = 4 p + 2e2 4 + −质量 质子 p+ 电子 e− 光子 γ 引力子电荷(e)自旋(ħ)10.00055+1 −1 0 0±1/2 ±1/2 ±1 ±1/20 0氧原子：16 p + +16 e− ； 氧核： 氧同位素8 16 8 17O = 16 p + + 8e − O = 17 p + + 9e −p + + e− 模型存在致命缺陷 ——自旋问题！2011-4-11 DUT 余 虹 83. p + + e−模型的自旋问题 角动量守恒——宇宙间的基本规律 原子核自旋角动量等于所有粒子的自旋角动量的矢量和。

质子、电子的自旋角动量都是 ±1/2 核的质子数Np、电子数Ne Np＋Ne 偶数，则核总自旋为0或整数； Np＋Ne 奇数，则核总自旋为半整数。

实验发现7 14N 的自旋为 ± 17 14按p + + e−模型 存在另一 种粒子2011-4-11N = 14 p + + 7e − 总自旋数应该是半整数质量数～1 电荷数～0 自旋数～ ±1/2DUT 余 虹 9中子！4. p + + n 模型 寻找中子 1920～1930中子未找到， p + + e−模型继续 1930德国物理学家 博特 1932法国物理学家 约 居里α 粒子Be辐射穿透性强 不带电荷γ 射线？石蜡γ 射线不具有这样的作用！ ？ ！p+同年 查德威克 这就是一直在寻找的中子！ 1重复实验——铍发出的射线确实不带电； 2推断能“撞击”出质子的粒子一定是重子。

2011-4-11 DUT 余 虹 104.1.4 囚禁中的夸克一、夸克与反夸克夸克名称 上~ 下~(u p ) (d ow n )带电量2 e 3 1 − e 3质量( MeV/c2 )1 .5 ~ 4 .0 4.0 ~ 8.0反上夸克(up) (d ow n ) − 2 e 3 1 e 3奇（strange ） 粲（charm ） 底（bottom ） 顶（top ）2011-4-11− e/3 + 2e/3 − e/3 + 2e/380 ~ 130 1150~ 1350 4100 ~ 4400 171400 ± 2100DUT 余 虹反下夸克11二、强子结构 重子——由三个夸克组成 质子 中子介子——夸克与反夸克组成 π＋介子 π－介子 K－介子2011-4-11DUT 余 虹12二、被囚禁的夸克 夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部 的，不存在单独的夸克。

u udu udu u udu ud dudududud d尽管从未探测到自由状态的夸克，自1974年起 科学家们已经确信夸克的存在。

2011-4-11 DUT 余 虹 134.2震撼世界的量子科学19世纪末一系列重大的发现，揭开了近代物 理学的序幕. 普朗克——能量子解释黑体辐射； 爱因斯坦——光量子解释光电效应； 玻尔——能级解释原子核式模型与氢光谱； 德布罗意——提出实物粒子的波粒二象性； 海森伯、薛定谔、玻恩、狄拉克——量子理论.连续2011-4-11 DUT 余 虹量子化144.2震撼世界的量子科学我们熟悉了足球与海浪的 运动——经典的粒子与波. 当我们深入研究微观世界 时，却发现微观粒子既不 像球，又不像波.人们甚至发现，用日常或经典物理的语言都不能很好 描述微观粒子 引入陌生的概率幅（波函数）来描写 微观粒子。

2011-4-11DUT 余 虹154.2.2 电子的波动性一、微观粒子与德布罗意波 1924年德布罗意提出：一个具有确定能量 E、动量P的粒子，在某些测量条件下显示 出沿动量方向传播的单色平面波的行为。

这种物质波的频率ν、波长λ 满足E = hνP =hλ他明确指出：可以用电子波贯穿晶片进行验证。

2011-4-11 DUT 余 虹 16二、实验验证 1.戴维孙和革末实验（1927年）TGik= 1、 、 ... 2 3Uα镍晶0UU1 U 2 U 3相当于X射线衍射。

2011-4-11DUT 余 虹172. G P 汤姆逊（1927）多晶 铝泊电子显微镜下的衍射图片3. 电子通过狭缝的衍射现象——1961年 约恩逊单缝双缝三缝四缝2011-4-11DUT 余 虹18讨论运动粒子的速度υ与相应的德布罗意波的波速度 （相速度）u之间的关系. 动量 粒子 波 能量 速度P = mυ P = hE = mc2 E = hνυλu=c2υh h λ = = P mυ E mc2 ν = = h h2011-4-11λν =c2υ19DUT 余 虹4.2.3 原子中电子的行踪一、原子内电子 1. 玻尔的理论 1原子能够，而且只能够稳定地存在于能量为E1 、E2……一系列离散值的相关状态（定态）。

2当电子改变轨道——在不同轨道间跃 迁——原子发射或吸收能量。

∆E = Em − En = h mn ν氢原子为例 能量2011-4-111 En ∝ 2 n——主量子数 ( n = 1, 2, 3，…）DUT 余 虹 20L l l l n (1)(0,1,2,=+= …-1）(0,1,z L m m l ==±± …）1(2z s S S m m ==± ）经典理论量子理论x1θ只考虑中央极大，则粒子x p x ∆∆⋅=h≥例题讨论例题枪直径为4.3.1半导体4.3量子物理引起的革命2.能带的特点 1 高能级能带宽，∆E 大。

2点阵间距越小， ∆E 大。

3 ∆E 大小由晶体性质决定， 与晶体所包含的原子数N无 关。

N↑→能带中能级的密集 程度增加. 0 能带中电子 排布的原则E∆E——能带宽2p 2s 1s ar 离子间距1服从泡利不相容原理 . 2服从能量最小原理.2011-4-11DUT 余 虹313. 能带的分类与导电性 2p 禁带 2s 禁带 1s 满带 价带 空带 导带无外界提供能量时，电子首先应占领低能级. 若N ~1023, 则两能级的间距约 10-23 eV.2011-4-11 DUT 余 虹 32二、导体 绝缘体 半导体的能带结构 固体按导电性能的高低可以分为：导体、 半导体 、绝缘 体 。

它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。

导导带 导带 导带体绝缘体半导体∆Eg = 3~6eV∆Eg = 0.1~2eV空带价带满带禁带2011-4-11DUT 余 虹33三、半导体 1.本征半导体 ——纯净的半导体。

在外场作用下，纯净半导体材料满 带上的电子跃迁到空带，满带中出 现空穴，都成了导带。

电子、空穴 称本征载流子。

（1）电子导电——电子运动形成 电流，载流子是电子。

（2） 空穴导电——空穴运动形 成电流，载流子是空穴。

空带 导 带∆Eg 满带 导带（3） 本征导电—— 电子、空穴同时参于导电。

2011-4-11DUT 余 虹342. 杂质半导体 要使半导体导电性能好—— 在本征半导体中掺入 少量其他元素的原子——对半导体而言是杂质. 要保证杂质原子间距很大，电子运动 范围不重叠——杂质能级是单能级 导电 n型 满带 导电2011-4-11 DUT 余 虹 35空带施主 能级空带 p型受主能级满带n 型半导体 举例 4 价的硅+ 5 价的磷Si P空带 导 带施主能级n 型半导体载流 子以电子为主P 型半导体 举例 4 价的硅+ 3 价的硼Si B 满带 导带2011-4-11 DUT 余 虹 36受主能级p型半导体载流 子以空穴为主3. PN 结 （1） PN 结形成 离子 自由电子 空穴 一片本征半导体，两边各参适量的高、低价杂质 P E0 N N 侧有许多自由 电子 两侧都是 P 侧有许多空穴 电中性 自由电子向空穴扩散 两侧净电荷积累 N 侧剩余正电荷 P 侧剩余负电荷U0形成电偶极 层——PN 结结电场E0，形成势垒U0，阻止扩散。