05В011000 «Физика» мамандығы бойынша оқитын 3 курс студенттеріне арналған

Шәкәрім атындағы мемлекеттік университеті, Семей қ.

Физика-математика факультеті

Физика кафедрасы

Семей, 2013 жыл

Оқу-әдістемелік бағдарламаны құрастырған: Физика кафедрасының аға оқытушысы, п.ғ.к. Желдыбаева Б.С.

Кафедра отырысында бекітілді:

Хаттама №10, 19.06.2012 ж.

Кафедра меңгерушісі, п.ғ.д., профессор____________ Маусымбаев С.С.

Физика-математика факультетінің оқу-әдістемелік кеңесі мақұлдаған

Хаттама № 6, 21.06.2012 жыл .

Физика-математика факультетінің ғылыми-кеңесінде бекітілді

Хаттама №.10, 29.06.2012.
Физика-математика факультетінің

деканы, ф.-м.ғ.д., доцент: Берикханова Г.Е.

Мазмұны

1. Пән бойынша глоссари 4

3. Лабораториялық сабақтарды өткізуге арналған әдістемелік нұсқаулар 33

4. СОӨЖ бойынша әдістемелік нұсқаулар 37

5. СӨЖ бойынша әдістемелік нұсқаулар 39

Электроника — ғылым мен техниканың жаңа саласы. Алғашқы электрондық приборлар тек осы ғасырдың бас кезінде ғана шыға бастады. Алайда электроника қарыштап дамып, ғылым мен техниканың, күнделікті өмірдің саласында өріс алып орын тепті.

Радиобайланыс, радиохабар, дыбысты «ино, космос корабльдерін және жасанды спутниктерді басқару, космостан сигналдар қабылдаурпланеталар бетін фотоға түсіру, мұхит тұңғиықтарин және космос кеңістіктерін радиозондылау, байланыс спутниктерін және космос корабльдерін пайдаланып телехабарларды беру және радиобайланыс жасау, электрондық дефектоскопия, жйғары жиілікті терапия, телемехани-калық және кибернетикалық тетіктерді, шапшаң эрекет етуші есептеу машиналарын жасау, міне, осылардың бәрін электрониканың арқасында іс жүзіне асыруға мүмкіншілік туып отыр. Біздің еліміздін, халық шаруашылығында электроника жоспарлаудың тиімді тәсілдерін пайдалануға мүмкіндік береді, курделі өндіріс процестерін басқаруға көмектеседі. Электрониканың маңызы КПСС Программасы сияқты тарихи документте де атап көрсетілген.

Электрониканың жетістіктері — ғылым мен техниканың түрлі салаларының творчестволық бірлесуінің, отандық және шетелдік көрнекті ғалымдар мен конструкторлар еңбегінің нәтижесі болып табылады. Электрониканың дамуына жол ашқан жағдайдың бірі Александр Степанович Поповтың 1895 жылы радионы ойлап табуы болды. Атап айтқанда, радиотехника өндірістік электрониканың бірінші «тұтынушысына» айналды.

Электрониканың дамуына электрондық лампыларды ойлап табушылар — Дж. Флеминг, Вайнтрауб, Ли де Форест, М. А. Бонч-Бруевич, фотоэффект құбылысын зерттеуші орыс ғалымы А. Г. Столетов және алғашқы техникалық жарамды фотоэлементтерді жа-саушы конструкторлар — Ю. Эльстер және Г. Гейтель, электро-сәулелі түтіктерді жасаушылар Ф. Браун, Б. Л. Розинг, В. К- Зворыкин, А. П. Константинов, П. Ф. Тимофеев, Л. А. Кубецкий, П. В. Шмаков, осы заманғы шала өткізгішті приборлардың алғашқы үлгісін жасаушы конструктор О. В. Лосев, транзистор жасаушылар Д. Бардин, В. Браттейн жэне В. Шокли үлкен үлес қосты.

Электрониканың дамуында совет ғалымдары академиктер — Н. Д. Папалекси, А. И. Берг, А. Ф. Иоффе, Л. И. Мандельштам, И. Е. Тамм, Б. А. Введенский, В. П. Вологдин, А. Л. Минцтің сіңірген еңбектері зор. Совет радиофизиктері мен радиотехниктерінің аса қүнды еңбектері үшін үкімет наградалары, мемлекеттік және арнаулы сыйлықтар берілді. Квант гене-раторлары мен күшейткіштер теориясын жасап, оны зерттегені үшін совет физиктері Н. Г. Басов пен А. И. Прохоровқа 1964 жылы ғылым жэне техника саласында ашқан аса көрнекті жаңалығы үшін беріле-тін халықаралық сыйлық - Нобель сыйлығы - берілді.

Электроника - электрондық, иондық жэне шала өткізгіштік приборлардың жұмыс принциптерін, құрылысын және қолданылуын зерттейді. рінің физикалық негізін зерттейді, ал бұл приборларды конструкциялау, жасап шығару технологиясы және пайдалану мәселесі техникалық электроникаға жатады.

Электрондық вакуумды приборлардың жұмысы вакуумдағы электр тогы заңдылықтарына негізделген, ал иондық приборларда газдардағы электр разрядтарының алуан түрлері пайдаланылады. Шала өткізгіштік приборлардың жұмыс принциптері электрондық-кемтік ауысудың электрлік қасиеттерімен байланысты.

Электроникада вакуум ұғымы - прибор баллонындағы газдардың сиретілуі өткізгіштік электропдардың нақтысында сол газ атомдарымеы соқтықпайтындай дәрежеге жетуімен анықталатын ұғым. Электрондық вакуумды приборларда (электрондық лампылар, электрон-сәулелі түтіктер, вакуумдық фотоэлементтер) газдың қысымы 10~6 тор1 шамасында, тіпті одан да кем болады. Иондық приборларда (газотрондар, сынапты вентильдер, газ толтырылған фотоэлементтер, стабилитрондар, тиратрондар) газдың қысымы электрондық приборларға қарағанда әжептәуір жоғары: 10~3 тор және одан да көп. Тіпті атмосфералық қысымнан да жоғары қысым түсіретіндей етіп газ толтырылған приборлар да (разрядииктер) болады.

Шала өткізгіштік приборларға кристалл диодтар, транзисторлар (триодтар), тетродтар, фотодиодтар, шала өткізгіштік терморезисторлар, термоэлементтер жатады.

Разрядсыз өткізгішті приборлар тобын жеке атап кетуге болады. Олар: қыздыру лампылары, бареттерлер, вакуумдық термоэлементтер.

1 1 тор - итальян ғалымы Эванджелиста Торричеллидің құрметіне осылайша аталған қысым бірлігі.

1 тор=\ мм сын. бағ.

Көбіне приборларды • өздерінің атқаратын қызметтеріне қарай (генераторлық, күшейткіш, түзеткіш, детекторлық түрлендіргіш, индикаторлық приборлар), жүмыс режиміне қарай (импульстық, үзақ жүмыс істейтін приборлар), электр тогына әсеріне қарай (басқарылатын және басқарылмайтын приборлар), электродтар санына қарай (екі электродты, үш электродты, көп электродты приборлар), жүмыстың жиілігінің спектріне қарай (темен жиілікті, жоғары жиілікті, аса жоғары жиілікті приборлар), катодтың электрондық эмиссиясының түріне қарай (термо-электрондық, фотоэлектрондық приборлар) деп те түр-түрге беледі.

1. Электрондық, иондық және шала өткізгіштікт приборлардың жұмысы — заттардың құрылысының ерекшеліктерімен, олардың электрлік қасиеттерімен тығыз байланысты.

Зат құрылысының молекула-кинетикалық теориясы негіздерімен біз химия және физика сабақтарында танысқанбыз. Заттың химиялық бөліну шегі атом екендігін естеріңізге сала кетеміз. Атап айтқанда, бұдан 2000 жыл бұрын ғалымдар атомды заттардьщ бөлінбейтін бөлшегі деп есептеді. Гректің «атомос» деген сөзі «бөлінбейді» дегенді білдіреді. Алайда өткен ғасырдың екінші жартысында ашылған ұлы жаңалықтар — Менделеевтің -периодтық заңы, катод және рентген сәулелері, термоэлектрондық эмиссия, фотоэффект, радиоактивтілік — ғалымдарды заттардың құрылысы туралы көзқарастарын қайта қарауға мәжбүр етті.

Бұған дейін тәжірибелер жүзінде жинақталған мәліметтер атом құрылысының күрделі екендігін, ол ерекше қасиеттері бар белшектерден түратынын, ол бөлшектер бір-біріне эсер ететінін керсетті.

Сөйтіп, атомды байыптап зерттеу, сол арқылы оның құрылысы туралы ғылми негізделген теорияны жасау қажеттігі туды.
1. Резерфордтың альфа-бөлшектердін, шашырауы жөніндегі тәжірибесі

2. Радиоактивтілік қүбылысы ашылысымен-ак ағылшын ғалымы Эрнест Резерфорд альфа, бета және гамма-сәулелердің табиғатын және қасиеттерін зерттеуге кірісті.

1 — альфа-бөлшектер шығаратын заттар (радий препаратымен қапталған пластинка); 2 —диафрагма; 3 — күкіртті мырыш-тан жасалған экран; 4 — микроскоп; 5 — сыналатын заттың пластинкасы.

Альфа-сәулелер — гелий атомдарының оң зарядталған ядролар ағыны, бета-сәулелер — электрондар ағыны, ал гамма-сәулелер табиғаты — электромагниттік сәулелер болып табылады.

3. Резерфорд және оның қызметтес серіктері Гейгер, Марсден, Чадвик 1906 жылы альфабөлшектердің заттар арқылы өтуін зерттеу жөнінде тәжірибелер жүргізе бастады.

Ол тәжірибелердің идеясын 1-суреттен тұсінуге болады. Альфа-бөлшектерін шығаратын көзден (1) бөлшектер диафрагма (2) арқылы жіңішке шоқ түрінде етеді де, люминесценциялаушы затпен қапталған экранға (3) келіп түседі, сол түскен жерінде жарқыл-даған дақ (сцинтилляция) пайда болады. Бақылау жоне жарқыл санын есептеу микроскоптыц (4) көмегімен орындалады.

Егер диафрагма мен экранный; арасына зерттеле-тін заттан жасалған өте жұқа пластинканы, мысалыіұқа алтьш пластинканы орналастыратын иилсак,, нда экрандағы сцинтилляцияның жарқыл дағы кө-:ескіленеді, оның жиегі шайылғандай болады. Ал ақтан тысқары жерлерде жекелеген сирек жарқыл-ар пайда болады. Бұл жарқылдарды әз траектория-арын өзгерткен, яғни шашыраған, альфа-белшектер ^дырған. Қейбір альфа-бөлшектер бағытынан 90°-тан. а артық ауытқиды.

4. Резерфорд тәжірибесінде алтын пластинка арылы көптеген альфа-бөлшектер өткен болып шықты.Бірақ қатты денелердің атомдары бір-бірімен тығыз орналасқан. Атап айтсақ, қалыңдығы 1 микрон алтын пленка атомдардың 3300 қабатынан тұрады. Демек,альфа-бөлшектер заттың атомдары ар қ ы л ы өткен. Ал кейбір альфа-белшектердің траекторияларын өзгертуін заттың электрондарымен өз ара әсерлесуінен деп түсіндіруге болмайды, өйткені электектрон массасы альфа-белшектер массасынан шамаен 8000 есе аз. Олай болса, альфа-бөлшектерің шашырауын жұқа алтын пластинканы орналастыратын болсақ, онда экрандағы сцинтилляцияның жарқыл дағы көмескіленеді, оның жиегі шайылғандай болады. Ал дақтан тысқары жерлерде жекелеген сирек жарқылдар пайда болады. Бұл жарқылдарды өз траектория-ларын өзгерткен, яғни шашыраған, альфа-бөлшектер тудырған. Қейбір альфа-бөлшектер бағытынан 90°-тан. да артық ауытқиды.

4. Резерфорд тәжірибесінде алтын пластинка арқылы көптеген альфа-бөлшектер өткен болып шықты. Бірақ қатты денелердің атомдары бір-бірімен тығыз орналасқан. Атап айтсақ, қалыңдығы 1 микрон алтын пленка атомдардың 3300 қабатынан тұрады. Демек, альфа-бөлшектер заттың атомдары а р қ ы л ы өткен. Ал кейбір альфа-бөлшектердің траекторияларын өзгертуін заттың электрондарымен өз ара әсерлесуінен деп түсіндіруге болмайды, өйткені электрон массасы альфа-белшектер массасынан шамамен 8000 есе аз. Олай болса, альфа-бөлшектердің шашырауын

Атомдардыңоң зарядталған, нығыз массалы бөлшек-терінің әсері тудырған деп жорамалдауымыз ғана қалды (2-сурет). Міне, бұл ерекше бәлшектерді Резерфорд атомдар ядролары деп атады.

2-сурет. Альфа-'бөлшсктердің шашырауы.

( + ) —таңбасы бар ақ дөңгелектер — альфа-бөлшектер; ( + ) — таңбасы бар қара дөңгелектер — атомдар ядросы; (—) — таңбасы бар нүктелер — элек-трондар.

Ал іс жүзінде енді альфа бөлшектердің кепшілігінің алтын пластинкадан нақтысында шашырамай өтіп кетуі атомда ядроның әте аз көлемді алып тұратынын көрсетеді. § 2. Атом құрылысының планетарлық моделі

5. Резерфорд көптеген тәжірибелердің нәтижелерін қорыта келіп, 1911 жылы атом құрылысының ядролық моделін: атомның центрінде өлшемі тіпті шамалы ғана, оң зарядталған ядро болады да, ал оның айналасында айтарлықтай қашықтықта теріс зарядталған бөлшектер — электрондар — айналып жүреді деген тұжырым ұсынды. Міне, мұндай модельді планетарлық модель деп атайды, өйткені ол планеталық системаға ұқсайды. Атомның өлшемі ядроның елшемінен ондаған мың есе артық. Мысалы, сутегі атомы ядросының радиусы 5'10~16ж, ал электронның ядродан ең мүмкін болатын қашықтығы 0,53- 10—10 лг. Демек, біздің мысалымызда атомның елшемі ядроның өлшемінен шамамен 100 000 есе көп, электрон массасы сутегі атомы ядросының массасынан 1836 есе аз.

6. Тәжірибе атомның қалыпты жағдайда электрлік бейтарап екенін керсетеді. Демек, бұл ядронын, оң заряды электрондардың теріс зарядымен компенсацияланады деген сөз:

мұндағы е — электрон заряды (1,60 • 10~19 к), Z— атомдағы электрондардың саны, ол берілген элементтің Менделеев таблицасындағы реттік нөміріне тең. Мысалы, гелий элементінің (Z = 2) бейтарап атомы ядросының айналасында екі электрон, ал бор атомын-да (Z = 5) бес электрон айналып жүреді.

Ядро зарядтарының шамасын анықтау мақсатымен Чадвик жасағап алғашқы тәжірибелер тәжірибе жұзінде табылған деректердің теориялық мәліметтерге сәйкес келетінін көрсетті.

3. Резерфорд теориясының кемістігі

7. Барлық элементтердің, радиоактивтілерінен басқаларының, атомдары өте орнықты. Бірақ та Резерфорд теориясы бойынша құрылған атом тіпті де өрнықсыз система болған болар еді. Шынында да, электрон ядроны айнала үдеумен (центрге тартқыш) қозғалады. Демек, бұл — айнымалы электр тогы де-ген және атом кеңістікке таралатын электромагниттік толқындардың көзі болып табылады деген сез. Олай болса, энергияны үздіксіз шығарып тұру салдарынан электрон кинети-калық энергиясынан біртіндеп айрылып, ақыр соңында ядроға құлаған болар еді. Басқаша айтқанда, атомдардың электрон қабықшалары жойылып, атом өзінің физикалық және химиялық қасиеттерін жоғалтар еді. Алайда, бұл планетарлық теориянын, өзіне және тәжірибе фактілеріне қайшы келеді.

Қызған дене (мысалы, газ) сәуле шығарады. Бұл сәуле — атом шығарып тұрған электромагниттік толқындар.

Экранға үш жақты шыны призма арқылы ақ жарық шоғын бағыттасақ, экранда түрлі түсті жолақ (спектр) пайда болады. Әр түске белгілі бір электромагниттік толқынның ұзындығы сәйкес келеді. Егер атомдағы электрон энергиясын жоғалтып ядроға жақындайтын болса, онда оның айналуы баяулайды. Мұндайда атом жиілігі үздіксіз кемитін электромагниттік толқындар шығарады. Бұл құбылыс кезінде экранда бір түстің екінші бір түске жайлап ауысуы, яғни тұтас спектр шығуы байқалуға тиіс. Ал тәжірибе қыздырылған газдың спектрі бір-бірінен қара жолақтармен ажыраған түсті сызықтар — сызықтық спектрлер — болатындығын керсетеді.

Резерфорд теориясына сүйеніп, фотоэффект қүбылысын, атомдардың энергияларды белгілі бір порциялармен (кванттармен) жұту және шығару құбылысын, атомдардың қозуы мен ионизациялануын, сон-дай-ақ басқа да бірнеше құбылыстарды түсіндіруге болмайды.

4. Бордың кванттық постулаты

8. XX ғасырдың басында ғалымдарға классикалық физика Резерфорд теориясының кемістіктерін түзете алмайтыны, ол үшін жада физикалық түсініктер мен ұғымдар керек екендігі айқын болды.

Осыдан келіп, атомдар мен молекулалар әлемінде (микро — әлем деп аталған әлемде) кванттық механика заңдары орын алатыны айқындалды.

Қванттық теорияның ерекшелігі үздіксіз физикалық процестер мен шамалардан үздікті, дискретті про¬цестер мен шамаларға көшуде болып табылады. Мысалы, кванттық механика атом энергияны үздіксіз шығарып және жұтып тұрмайды, ол белгілі бір порциялармен — кванттармен — шығарады не жұтады деп түсіндіреді. Ал электромаг-ниттік энергияның кванттары — фотондар бөлшектердің (корпускулдардың) толқындық қасиеттеріне ие болады. Фотон энергиясы:

Бұл формуладағы:

һ — Макс Планк енгізген және оның қүрметіне Планк тұрақтысы деп аталған, әлемдік константа.

(һ = 6,62 • 10-27 эрг • сек = 6,62 • 1О^34 дж -сек),

V — ЖИІЛІК.

Атом физикасында энергия электронвольтпен өлшенеді.

Бір электронвольт дегеніміз заряды электрон зарядына тең бөлшектің электр өрісінің потенциалдарайырымы 1 вольтке тең болатын екі нүктесінің ара-сында орын ауыстырғанда алатын энергиясы:

1 эв = 1,6- 10"12 эрг = 1,6- 10-19 дж.

Бұдан ірі бірлік бар, ол миллион электронвольт (мегаэлектронвольт)

1 Мэв = 106эв.

9. Дания физигі Нильс Бор кванттық механика идеясын пайдаланып, 1913 жылы Резерфорд теориясын жетілдіруге мүмкіндік берген постулатын ұсынды.

Бірінші постулаты: электрон атом ядросы айнала-сында электрондардың қозғалыс мөлшерінің моменті

тек -к- шамасының бүтін еселігіне тең болатын ор-бита бойымен ғана айнала алады, яғни

mvr = n. (3)

Бұл өрнектегі:

т — электрон массасы (0,00055 м. а. б. немесе 9,11 -Ю-31 кг),

v — электрон жылдамдығы,

г — орбита радиусы

һ — Планк түрақтысы, п= 1, 2, 3, ...

Сөйтіп, атомда электрон кез келген орбита бойымен қозғалмай, белгілі бір, «рұқсат етілетін» орбита бойымен қозғалады. Қалған орбиталардың бәрі де «тыйым салынған» орбиталар болып табылады, оларда электрондар орналасуға тиісті емес.

Осы заманғы физика атомдағы электрон тек қана «рүқсат етілген» энергетикалық күйде ғана түра алады дейді.

Екінші постулаты: электрон мүмкін болатын квант орбиталарының бірімен қозғалғанда атом энергия шығармайды. Атом электромагниттік энергия кванттарын электрон ядродан алысырақ орбитадан оған жақынырақ орбитаға ауысқан кезде шығарады. Басқаша айтқанда, егер электрондар стационарлық (рұқсат етілген) энергетикалық күйде болса, онда атом энергия шығармайды, энергия тек электрон жоғарырақ энергетикалық күйден төменірек күйге көшкенде ғана шығады.

10. Бордың екінші постулаты бойынша, электронный, энергиясы ядроға жақын орбитадан гері қашық жатқан орбитада көп болады. Бұл түсінікті де: электрон ядродан неғұрлым қашық болса, оны атом ше-гінде ұстап тұратын энергия да сонша көп болады.

Бұл постулат атомның энергияны жұту және шығару механизмін тұсіндіреді. Атомдағы электрон сырт-тан алған энергия есебінен (жарықтандыру, қыздыру, электр ерісі әсері) жаңа, энергетикалық жоғары жағдайға көшуі мүмкін. Мұнда атом қ о з ғ а н күйге ке-леді. Бірақ оның бұл күйі өте орнықсыз, ол секунд-тың миллиардтаған үлесіндей ғана созылады. Сөйтіп, электрон өзінің бұрынғы энергетикалық жағдайына көшеді де, бүл кезде электромагниттік энергия кванттары шығарылады. Оның формуласы: