1. Wymień własności światła laserowego.
· wysoce monochromatyczne - składa się z jednej (w przybliżeniu) długości fali
· wysoce koherentne (spójne) - „ciągi falowe” są ze sobą „w fazie”
· rozchodzi się kierunkowo z bardzo małą rozbieżnością wiązki
· może być bardzo mocno skupione
2. Jakie procesy fizyczne mają zasadniczy wpływ na działanie lasera?
· pompowanie elektronów do stanu wzbudzonego
· spontaniczna emisja fotonów
· wymuszona emisja fotonów
3. Na czym polega emisja wymuszona, inwersja obsadzeń i pompowanie energetyczne atomów?
emisja wymuszona – jeśli atom jest w stanie wzbudzonym, tj. posiada elektrony na wyższym poziomie energetycznym Ex i padnie na niego foton o energii hν = Ex – Eo, to wyemituje on kolejny , taki sam foton o tej samej energii, kierunku, fazie, częstotliwości i polaryzacji .
inwersja obsadzeń – stan, w którym więcej elektronów jest na wyższym poziomie energetycznym Ex (wzbudzonym), niż na niższym Eo (podstawowym).
pompowanie energetyczne – przenoszenie elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego w takiej ilości, aby doszło do inwersji obsadzeń.
4. Dlaczego w laserze potrzebny jest rezonator optyczny?
Sam ośrodek czynny emituje fotony o różnych częstotliwościach i w różnych kierunkach, więc rezonator potrzebny jest aby „wybrać” tylko te o żądanym kierunku i częstotliwości. Jest to realizowane tak, że ustawia się prostopadle do siebie dwa zwierciadła (jedno trochę przepuszczające). Odległość między nimi jest wielokrotnością żądanej długości fali – powstaje fala stojąca. Fotony lecące w innym kierunku wpadają w końcu na obudowę i tracą energię.
5. Jaką energię musi mieć foton aby dokonał emisji wymuszonej kwantu promieniowania między poziomami energetycznymi miedzy którymi istnieje różnica energii Ex-E0=0.25 eV
Dokładnie taką samą, czyli 0.25 eV
6. Wyjaśnij mechanizm powstawania ciągłego i charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego.
Wiązka elektronów o wystarczająco dużej energii uderza w anodę. Niektóre wybijają elektrony a wewnętrznych powłok, tworzy się dziura. Kiedy elektron z wyższej powłoki spada na to puste miejsce, emitowany jest foton o określonej energii – promieniowanie charakterystyczne. Reszta elektronów jest nieelastycznie rozpraszana i hamowana, tracą przy tym różne ilości energii i emitowane jest promieniowanie ciągłe o różnych długościach fali. Zdecydowanie więcej (80%) jest promieniowania charakterystycznego.
7. Czy krótkofalowa granica ciągłego promieniowania rentgenowskiego zależy od materiału tarczy w lampie rentgenowskiej?
Krótkofalowa granica widma λmin to próg, powyżej którego zaczyna się widmo promieniowania rentgenowskiego i nie zależy on od materiału anody, a tylko od energii kinetycznej elektronów.
energia elektronu
8. Od czego zależy maksymalna energia fotonów w promieniowaniu rentgenowskim?
Od energii kinetycznej elektronów, czyli od napięcia przyśpieszania.
9. Jedna z linia charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego odpowiada długości fali l = 1.54 A (Angstem = 10-10 m). Ile musi wynosić wartość przerwy energetycznej (w jednostkach eV) pomiędzy poziomami w atomach miedzi?
Wzór z 7.
10. Jakiego minimalnego napięcia należy użyć do przyśpieszania elektronów, aby w widmie rentgenowskim powstałym w wyniku hamowania tych elektronów była fala o długości λ = 0,1nm?
11. Co to jest i jak powstaje promieniowanie gamma? Czy jest promieniowaniem monoenergetycznym czy też ciągłym?
Emitowane jest przez wzbudzone jądro atomowe. Kiedy jądro przechodzi ze stanu Ei do Ef emituje foton o energii h równej różnicy w poziomach energii. Jest zatem monoenergetyczne, fotony mogą mieć energie tylko równe różnicom kolejnych poziomów en. W jądrze.
12. Dlaczego chroniąc się przed promieniowaniem gamma stosuje się osłony zawierające pierwiastki o wysokiej liczbie atomowej ?
Fotony wytracają energię poprzez efekt fotoelektryczny, ef. Comptona i tworzenie par elektron-pozyton, więc poprzez oddziaływanie z elektronami osłony. Im więcej elektronów, tym lepiej, a wysoka liczba atomowa zapewnia wysoką liczbę elektronów.
13. Co to jest i jak powstaje promieniowanie alfa?
Jest to emisja cząstek alfa składających się z 2 protonów i 2 neutronów – jak jądro helu 4He. Powstaje w wyniku rozpadu promieniotwórczego ciężkich jąder o A > 200 i Z > 82.
14. Opisz schematycznie jak wygląda model jądra atomowego. (budowa, siły oddziaływania, rozmiar w stosunku do całego atomu, ładunek składników jądra)
Jądro składa się nukleonów – dodatnich protonów i neutralnych neutronów. Nukleony są związane silnymi oddziaływaniami jądrowymi, silniejszymi od elektrycznego odpychania protonów. Jądro ma promień rzędu 10-15 m, cały atom rzędu 10-10m.
15. Co oznacza liczba atomowa i liczba masowa pierwiastka chemicznego?
Liczba atomowa Z to liczba protonów w jądrze, liczba masowa to łączna ilość protonów i neutronów.
16. Czy liczba protonów i neutronów w jądrze jest zawsze równa? Jeśli tak to w jakim zakresie, jeśli nie to czy więcej jest przeważnie protonów czy neutronów w jądrze?
Stosunek N/Z waha się w granicach od 1 dla jąder lekkich do 1,6 dla jąder ciężkich
17. Dlaczego niektóre izotopy są promieniotwórcze?
Ponieważ mają niestabilne jądra, które ulegają samorzutnemu rozpadowi.
18. Co to jest i jak powstaje promieniowanie beta? Czy jest promieniowaniem monoenergetycznym czy też ciągłym?
Promieniowanie to jest strumieniem elektronów lub pozytronów. Powstaje, gdy w jądrze jest nadmiar neutronów stosunku do protonów lub odwrotnie. Jest to promieniowanie ciągłe, elektrony, zależnie od prędkości, mają różną energię.
19. Od jakich wielkości zależy przewodność materiałów?
Od ładunku q, koncentracji nośników n, ruchliwości nośników vd oraz od temperatury.
20. Co się dzieje z poziomami energetycznymi elektronów gdy atomy są zbliżane do siebie? Jak tworzą się pasma energetyczne elektronów?
Poziomy energetyczne rozszczepiają się z powodu zakazu Pauliego. W ciele złożonym z wielu atomów tych poziomów jest tyle, co wszystkich atomów. Są ułożone tak gęsto, że mówimy o paśmie energetycznym dozwolonym. Poza tym mamy energie, których elektrony nie przyjmuje – pasma wzbronione.
21. Jak wygląda model pasmowy energii elektronów dla metali, półprzewodników i izolatorów?
Izolatory mają całkowicie zapełnione pasmo walencyjne oraz puste pasmo przewodnictwa. W temperaturze 0 K nie mogą zupełnie przewodzić prądu.
Metale mają zapełnione pasmo walencyjne i częściowo zapełnione pasmo przewodnictwa.
Półprzewodnik (czysty) to po prostu izolator, w którym wartość przerwy energetycznej między pasmami walencyjnym i przewodnictwa jest bliska 1eV lub mniejsza.
22. Czy przewodnictwo elektryczne półprzewodników rośnie, czy maleje wraz z wzrastającą temperaturą?
Przewodnictwo rośnie.
23. Czy przewodnictwo elektryczne metali rośnie, czy maleje wraz z wzrastającą temperaturą?
Tutaj maleje.
24. Ze względu na model pasmowy, czy półprzewodniki są podobne bardziej do izolatorówczy metali?
Patrz 21.
25. Co oznacza poziom Fermiego Ef ?
Jest to taki poziom energii, że w temperaturze 0 K nie ma elektronów o wyższej energii, a dla T > 0 prawdopodobieństwo obsadzenia takiego poziomu wynosi 0,5, czyli jest to taka energia średnia.
26. Jak modyfikuje model pasmowy półprzewodnik typu „n”?
Pojawia się dodatkowy poziom energetyczny w pobliżu pasma przewodnictwa.
27. Jak modyfikuje model pasmowy półprzewodnik typu „p”?
Pojawia się dodatkowy poziom energetyczny w pobliżu pasma walencyjnego.
28. Ładunki jakiego znaku są dominujące dla półprzewodnika typu „p”? Dlaczego?
Dominują ładunki dodatnie. Powodem jest to, że w sieci krystalicznej takiego półprzewodnika znajdują się atomy domieszek o mniejszej walencyjności niż atomy kryształu, w związku z czym pojawiają się dziury, w które wskakują elektrony z pasma walencyjnego. Dzięki temu pasmo walencyjne ma dziury, które przewodzą prąd.
29. Ładunki jakiego znaku są dominujące dla półprzewodnika typu „n”? Dlaczego?
Tutaj dominują ładunki ujemne. Domieszki mają walencyjność większą niż atomy rodzimego kryształu, więc pojawiają się swobodne elektrony, które chętnie przeskakują do pasma przewodnictwa.
30. Na czym polega przewodnictwo „dziurowe” w półprzewodnikach?
Kiedy pasmo walencyjne jest prawie całkowicie zapełnione, wygodniej jest rozpatrywać dodatnie „dziury” niż wiele elektronów. Można im przypisać masę i prędkość, ale nie konkretną lokalizację. Tak naprawdę to elektrony przewodzą prąd, dziura to taki skrót myślowy.
31. Dlaczego materiał nie przewodzi prądu elektrycznego gdy wszystkie jego pasma są całkowicie obsadzone elektronami.
Ponieważ w takim przypadku nie ma swobodnych nośników prądu – atom nie może wymieniać się elektronami z innymi atomami. Nie ma nośników, nie ma ruchu ładunków.
32. Jak powstaje warstwa zaporowa pomiędzy złączonymi półprzewodnikami typu n i p?
Elektrony z obszaru n dyfundują do obszaru p i tworzą z atomami domieszki jony ujemne (atomom domieszki brakuje elektronów). Analogicznie jest w drugą stronę – dziury z obszary p dyfundują do obszaru n i tworzą tam z atomami domieszki jony dodatnie. Jony są uwięzione w sieci krystalicznej i nie przewodzą prądu.
33. Czy warstwa zaporowa może przewodzić prąd (przy braku jakiejkolwiek polaryzacji)?
Głupie trochę pytanie. A czy można myśleć przy braku jakiegokolwiek mózgu? Żeby w ogóle mówić o przewodzeniu prądu, to musi być przyłożona różnica potencjałów, a to jest równoznaczne z polaryzacją. Należy raczej spytać, czy przez warstwę zaporową płynie prąd. Owszem, płynie, chwilkę po złączeniu mamy prąd dyfuzyjny, a potem malutkie prądy dryfowe – nie nazwałbym tego jednak przewodzeniem, bo przewodzi się skądś dokądś.
34. Co to jest prąd dyfuzyjny i prądy dryfowe?
Prąd dyfuzyjny to ruch nośników większościowych (elektrony dla n i dziury dla p) podczas tworzenia warstwy zaporowej – patrz 32.
Prądy dryfowe to to migracje generowanych termicznie mniejszościowych nośników prądu między obszarami n i p (dziury po stronie n i elektrony po stronie p). Nośniki te przeskakują tam, gdzie lepiej się czują, czyli tam, gdzie będą wśród swoich.
35. Co się dzieje z poziomem Fermiego na złączu p-n?
Początkowo różne poziomy Fermiego materiałów n i p osiągają po złączeniu wspólną wartość. Logiczne, skoro Ef ma być średnią energią nośnika.
36. Co się dzieje z warstwą zaporową, gdy złącze zostanie spolaryzowane w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym?
Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia prąd dyfuzyjny zwiększa się, warstwa zaporowa zmniejsza się.
Przy polaryzacji w kierunku zaporowym prąd dyfuzyjny zmniejsza się, warstwa zaporowa się rozrasta.
37. Czy prądy dryfowe zmieniają się w zależności od polaryzacji złącza?
Nie, pozostają takie same.
38. Od czego zależy wartość prądów dryfowych?
Tylko od temperatury i różnicy między nowym Ef a brzegiem pasma walencyjnego lub przewodnictwa.
39. Narysuj charakterystykę prądowo-napięciową dla złącza p-n.
Sam sobie kurwa narysuj. Wykład 9 str. 8.
40. Dlaczego złącze p-n może spełniać funkcje diody prostownika?
Ponieważ w kierunku zaporowym prawie że nie przewodzi prądu i przepuszcza tylko prąd skierowany zgodnie z kierunkiem przewodzenia.
41. Złącze p-n może pracować jako dioda LED. Na jakiej zasadzie ona działa? Dlaczego zwykły półprzewodnik sam nie może świecić tak intensywnie jak złącze p-n?
...
slimalke