امواج الکترومغناطیسی (031)

 متن زیر توسط اینجانب از کتاب فیزیک هالیدی استخراج شده است.

چکیده نکات مهم مبحث:امواج الکترومغناطیسی

طیف امواج الکترومغناطیسی و گستره طول موج این امواج:

امواج رادیویی --- محدوده طول موج: بزرگتر از 1 متر

AM

FM

TV

 میکروموج ها  --- محدوده طول موج : 1 میلیمتر تا 1 متر

فروسرخ  ------ محدوده طول موج :  0.7 میکرومتر تا 1 میلیمتر

مرئی --- محدوده طول موج : 400 تا 700 نانومتر

فرابنفش --- محدوده طول موج : 1 نانومتر تا 400 نانومتر

پرتو ایکس --- محدوده طول موج : 0.01 تا 10 نانومتر 

پرتو گاما--- محدوده طول موج : کوچکتر از 10 پیکومتر.

 

نکته1.تمام امواج الکترومغناطیسی در خلاء با سرعت یکسان (برابر با سرعت نور) منتشر می شوند.

نکته2.هیچ مرز مشخصی بین طبقات مختلف امواج الکترومغناطیسی وجود ندارد.(هیچ گافی در طیف الکترومغناطیسی وجود ندارد.)

نکته3.تمام امواج الکترومغناطیسی دارای شکلهای یکسان و توصیفهای ریاضی یکسانی هستند.

نکته4.تمام اجسام بواسطه دمای خود تابش الکترومغناطیسی دارند که به آن تابش گرمایی گفته می شود.

نکته5.از میکروموجها اغلب برای انتقال مکالمات تلفنی استفاده می شود.

نکته6.رنگ نور اطلاعاتی درباره اتمها یا جسمی که نور از آن گسیل شده است به ما می دهد.

نکته7.عامل اصلی عمل جذب پرتو فرابنفش اُزُن موجود در جو است.

نکته 8.از پراکندگی پرتو ایکس برای مطالعه ساختار مواد استفاده می شود.

نکته9.نور اغلب وقتی گسیل می شود که الکترونهای خارجی یا والانس در اتمها حالت حرکت خود را تغییر دهند.این گذارهای حالتهای الکترونی را گذارهای اُپتیکی می گویند.

نکته10.امواج فروسرخ را اتمها  یا مولکولهایی گسیل می کنند که حالت چرخشی یا ارتعاشی آنها تغییر می کند.

نکته11:تابش های میکروموج را معمولا نوسانگرهای الکترومغناطیسی در مدارهای الکتریکی تولید می کنند.

نکته12.امواج رادیویی را الکترون های نوسان کننده در مدارهای الکتریکی بوجود می آورند.

نکته13.تابش های فرابنفش را می توان در گذارهای اتمی مربوط به الکترون های خارجی و نیز تابشهای ناشی از چشمه های گرمایی مانند خورشید تولید کرد.

نکته14.پرتوهای ایکس را می توان: 1.در اثر متوقف کردن ذرات باردار سریع و همچنین 2. گذارهای منفرد بین الکترونهای داخلی یک اتم تولید کرد.

نکته15.تابش های گاما را می توان 1. در گذارهای مربوط به یک هسته اتمی از یک حالت به حالت دیگر 2. در واپاشی برخی از ذرات مقدماتی تولید کرد.

نکته16.بارالکتریکی ساکن تنها میدان الکتریکی تولید می کند. تابش الکترومغناطیسی ایجاد نمی شود.

نکته17.بار الکتریکی متحرک با سرعت ثابت، میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی تولید می کند.(جریان ثابت) تابش الکترومغناطیسی ایجاد نمی شود.

نکته18. بار الکتریکی متحرک شتابدار ، میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی تولید می کند.(جریان متغیر) تابش الکترومغناطیسی ایجاد می شود.

نکته19.میدان الکتریکی متغیر، میدان مغناطیسی متغیر ایجاد می کند.که آن هم به نوبه خود میدان الکتریکی متغیر ایجاد می کند و الی آخر.به این ترتیب میدان های الکتریکی و مغناطیسی موج در فضای تهی (خلاء) یکدیگر را نگه می دارند و برای انتشار موج الکترومغناطیسی نیازی به محیط مادی نیست.

نکته20.برخلاف امواج مکانیکی،هرچه محیط انتشار امواج الکترومغناطیسی غلیظ تر باشد،سرعت انتشار موج الکترومغناطیسی در آن محیط کمتر است.

نکته21.همانند امواج مکانیکی،می توان در امواج الکترومغناطیسی نیز امواج ایستاده تولید کرد.

نکته22.در امواج الکترومغناطیسی میدان های الکتریکی و مفناطیسی هم فاز هستند.

نکته23. برای یک محدوده خاص موج الکترومغناطیسی هر چه فرکانس موج بیشتر باشد،نفوذپذیری آن موج بیشتر است.

 .

جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه می توانید از آرشیوی موضوعی وبلاگ  به قسمت نور و امواج الکترومغناطیسی مراجعه کنید.

ابررسانایی (030)

متن زیر از کتاب آشنایی با فیزیک حالت جامد /چارلز کیتل/مرکز نشردانشگاهی/ترجمه اعظم پورقاضی،مهدی صفا،جمشید عمیقیان می باشد.( فصل 12 صفحه428 ).

در حالت ابر رسانش،مقاومت الکتریکی dc صفر و یا آنقدر به صفر نزدیک است که در حلقه های ابر رسانا جریانهای الکتریکی ماندگاری مشاهده شده که بدون هیچ کاهشی تا بیش از یک سال جاری بوده است.تا اینکه سرانجام پژوهشگر از ادامه آزمایش خسته شده است.

فایل و میلز طبق آزمایشهای انجام شده نتیجه گرفتند که زمان فرو افت ابر جریان کمتر از 100000 سال نیست.

ابر رسانای حجیم در میدان مغناطیسی ضعیف مانند یک دیا مغناطیس کامل عمل می کند و القای مغناطیسی در درون آن صفر است.وقتی نمونه ای در میدان مغناطیسی قرار گیرد،و برای گذر از دمای گذار برای ابر رسانایی سرد شود،شار مغناطیسی موجود در آن به بیرون رانده می شود،این پدیده را اثر مایسنر گویند.

حالت ابر رسانش یک حالت منظم الکترونهای رسانش فلز شناخته شده است.این نظم بعلت تشکیل زوج الکترونهایی که بطور ضعیفی به یکدیگر وابسته اند بوجود می آید.الکترونها در دماهای پایینتر از دمای گذار منظم و در دماهای بالاتر از آن نامنظم اند.

ابررسانایی در بسیاری از عناصر فلزی جدول دوره ای و همچنین در آلیاژها،ترکیبات بین فلزی،نیم رساناها رُخ می دهد.

آیا هر عنصر فلزی غیر مغناطیسی در دماهای به اندازه کافی پایین ابر رسانا می شود؟ نمی دانیم.

یک میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی ابر رسانایی را از بین می برد.آستانه یا مقدار بحرانی میدان مغناطیسی خارجی که ابر رسانایی را از بین می برد با H_c(T)  که تابع دماست نشان داده می شود.

در دمای بحرانی،میدان بحرانی برابر است با صفر.

اثر مایسنر

مایسنر و اوکسن فلد دریافتند که اگر ابر رسانا در میدان مغناطیسی تا زیر دمای گذار سرد شود،یک لحظه خطوط القای B به بیرون رانده می شوند.این پدیده را اثر مایسنر می نامند.این پدیده نشان می دهد که ابر رسانای حجیم در میدان مغناطیسی اعمال شده B_a به گونه ای رفتار می کند که گویی مقدار B در داخل نمونه مورد آزمایش مساوی صفر است.

ظرفیت گرمایی

آنتروپی در تمام ابررساناها به هنگام سرد شدن تا زیر دمای بحرانی T_c بطور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.کاهش آنتروپی بین حالت عادی و حالت ابر رسانش نشانگر آن است که حالت ابر رسانش از حالت عادی منظم تر است؛زیرا آنتروپی مقیاسی از بی نظمی دستگاه است.

برخی یا تمام الکترونهایی که در حالت عادی به گونه گرمایی برانگیخته می شوند در حالت ابر رسانشی منظم اند.

گاف انرژی

گاف انرژی در ابر رساناها طبیعت کاملاً متفاوتی از گاف انرژی در عایقها دارد.درعایق گاف به شبکه متصل است.در ابر رسانا گاف به گاز فرمی متصل است.

ویژگیهای میکروموجی و فروسرخ

وجود گاف انرژی در ابررساناها به این معنی است که فوتونهایی که انرژی شان کمتر از انرژی گاف است جذب نمی شوند.مقاومت ویژه ابررساناها برای فوتونهایی که انرژی شان کمتر از گاف انرژی است در صفر مطلق از بین می رود. درTc≫T مقاومت در حالت ابررسانش آستانه تیزی در انرژی گاف دارد.فوتونهایی با انرژی کمتر، سطح بدون مقاومتی را می بینند.فوتونهایی با انرژی بالاتر مقاومتی را می بینند که به مقاومت حالت عادی می رسد،زیرا چنین فوتونهایی باعث می شوند که گذارهایی به ترازهای انرژی عادی اشغال نشده در بالای گاف صورت گیرد.هنگامی که دما افزایش می یابد نه تنها  انرژی گاف کاهش می یابد ،بلکه مقاومت ویژه برای فوتونهایی که پایین انرژی گاف هستند دیگر صفر نمی شود،مگر در بسامد صفر.

در بسامد صفر،الکترونهای ابررسانش همۀ الکترونهای عادی را،که در بالای گاف به گونه گرمایی بر انگیخته شده اند،اتصال کوتاه می کنند.

بلورهای نیمرسانا (029)

مطالب زیر از کتاب آشنایی با فیزیک حالت جامد چارلز کیتل / ترجمه اعظم پورقاضی، مهدی صفا، جمشید عمیقیان / مرکز نشر دانشگاهی انتخاب شده است.

«جهت حفظ قانون کپی رایت منبع مورد استفاده را در ابتدای متن ذکر کرده ایم»

 

بلورهای نیمرسانا

اختلاف اساسی بین یک نیمرسانا ،مانند ژرمانیوم،و یک رسانای خوب مانند نقره وجود دارد .....

با کاهش دما،مقاومت رسانای خوب بسرعت کاهش می یابد در حالی که مقاومت رسانای بد افزایش می یابد و با نزدیک شدن دما به صفر مطلق بسیار بزرگ می شود. ((ویلسون))

مقاومت ویژه یک نیمرسانا بین مقاومت ویژه رسانای خوب و عایق قرار دارد.

مقاومت ویژه نیمرسانا می تواند قویاً به دما بستگی داشته باشد.مثل: یکسوسازها،مدوله کننده ها، آشکارسازها،فوتوسلها و ...

نیمرسانای بسیار خالص از خود رسانندگی ذاتی نشان می دهد،که با رسانندگی ناخالصی در نمونه های با خلوص کمتر متمایز است.

در گسترۀ دمای ذاتی ویژگیهای الکتریکی نیمرسانا در اثر ناخالصیهای بلور اساساً تغییر نمی کند.

گاف نواری:

اختلاف انرژی بین پایین ترین نقطۀ نوار رسانش و بالاترین نقطۀ  نوار ظرفیت است.

بهترین مقادیر گاف نواری از طریق جذب اُپتیکی به دست می آیند.

پایین ترین نقطۀ نوار رسانش را لبۀ نوار رسانش می نامند و بالاترین نقطه در نوار ظرفیت را لبۀ نوار ظرفیت گویند.

نوار رسانش

نوار ممنوع

نوار ظرفیت

 با افزایش دما،الکترونها به گونه گرمایی از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته می شوند.

هم الکترونهای نوار رسانش و هم اربیتالهای خالی یا حفره های به جا مانده در نوار ظرفیت،در رسانندگی الکتریکی شرکت می کنند.

 در فرایند جذب مستقیم،بلور فوتونی را با ایجاد یک الکترون و یک حفره،جذب می کند.

در فرایند جذب غیر مستقیم مینیمم گاف انرژی ساختار نواری مربوط به الکترونها و حفره هایی است که به اندازه یک بردار موج قابل ملاحضه  k_c  از یکدیگر فاصله دارند.

 گاف نواری را می توان از بستگی رسانندگی به دما یا از بستگی تراکم حاملهای بار به دما در گستره ذاتی نیز نتیجه گرفت.تراکم حاملها از اندازه گیریهای ولتاژ هال که گاهی با اندازه گیریهای رسانندگی تکمیل می شود بدست می آید. اندازه گیریهای اُپتیکی تعیین می کنند که آیا گاف مستقیم است یا غیر مستقیم.

حفره ها

اربیتال خالی در یک نوار را عموماً حفره می نامند.حفره در میدانهای الکتریکی و مغناطیسی اعمال شده چنان عمل می کند که گویی دارای بار مثبت  e+ است.

بردار موج و انرژی حفره با بردار موج و انرژی اربیتال الکترونی خالی در نوار ظرفیت برابر است ولی علامت آنها مخالف یکدیگر است.

معادلۀ حرکت حفره مانند معادله حرکت ذره ای با بار مثبت است.

سرعت رانش حفره ها و الکترونها در جهتهای مخالف است.ولی جریان الکتریکی آنها در یک جهت یعنی در جهت میدان الکتریکی است.

 اگر جرم موثر حامل، از جرم الکترون آزاد کوچکتر باشد،نه وزن بلور کمتر می شود،و نه قانون دوم نیوتن برای بلور به صورت یک کل،نقص می شود.

نکته مهم این است که در میدان الکتریکی یا مغناطیسی الکترون در پتانسیل دوره ای نسبت به شبکه شتاب دار می شود.

 

رسانندگی ناخالصی

بعضی از ناخالصی ها و نا کاملیها ویژگیهای الکتریکی نیمرسانا را به شدت تغییر می دهند.

در نیمرساناهای مرکب،کاستی عنصر سنجی یک جزء متشکله به منزلۀ یک ناخالصی عمل میکند. چنین نیمرساناهایی را نیمرسانای کاستی دار می نامند

افزودن عمدی ناخالصی به نیمرسانا را آلایش گویند.

 

 حالتهای دهنده

اتمهای نا خالصی که بتوانند یک الکترون خود را از دست بدهند،دهنده نام دارند.از آنجا که این الکترونها در بلور باقی می مانند،بلور بطور کلی خنثی می ماند.

 حالتهای پذیرنده

ناخالصیهایی که بتوانند الکترونهایی را از نوار ظرفیت بپذیرند و حفره هایی را در این نوار برجای گذارند.وقتی پذیرنده ای را یونی می کنیم حفره ای را برجای می گذاریم.انجام این امر مستلزم دادن انرژی است.

الکترون با کسب انرژی بالا می رود،درحالی که حفره با کسب انرژی پایین می رود.

مدول بور به طور کیفی برای حفره ها نیز،درست مانند الکترونها،صادق است.

 اگر اتمهای دهنده بطور قابل توجهی بیشتر از اتمهای پذیرنده باشند،یونش گرمایی دهنده ها الکترونهایی را در نوار رسانش رها خواهد کرد.آنگاه الکترونها(بارهای منفی) رسانندگی نمونه را کنترل خواهند کرد و ماده را نوع n  می نامند.اگر پذیرنده ها غلبه کنند حفره هایی در نوار ظرفیت رها می شوند و حفره ها(بارهای مثبت) رسانندگی را کنترل خواهند کرد.این ماده از نوع p است.

در گستره ذاتی تعداد حفره ها و تعداد الکترونها با هم برابرند.

ناخالصیها و ناراستیهای شبکه ای که یونیده نمی شوند هیچ اثری بر روی تراکم حاملها ندارند و ممکن است بدون اینکه در اندازه گیریهای الکتریکی آشکار شوند به نسبتهای بالاتری وجود داشته باشند.

نیمه فلزها

در نیمه فلزها لبۀ نوار رسانش،از نظر انرژی به اندازه بسیار جزئی پایین تر از لبۀ نوار ظرفیت است. روی هم افتادگی کوچک نوارهای رسانش و ظرفیت باعث می شود که حفره هایی با تراکم کم در نوار ظرفیت و الکترونهایی با تراکم کم در نوار رسانش ایجاد شوند.

نوارهای انرژی (028)

مطالب زیربدون هیچ تغییری از کتاب آشنایی با فیزیک حالت جامد چارلز کیتل/ترجمه اعظم پورقاضی،مهدی صفا،جمشید عمیقیان /مرکز نشر دانشگاهی است. ((فصل هفت از صفحه 225))

 

نوارهای انرژی

مدل الکترون آزاد فلزات در مورد ظرفیت گرمایی،رسانندگی گرمایی،رسانندگی الکتریکی،پذیرفتاری مغناطیسی و الکترودینامیک فلزات بینش مطلوبی به ما می دهد.

ولی این مدل در پاسخگویی به مسائل عمده زیر با شکست روبرو می شود:

تمایز بین فلزات،نیمه فلزات،نیمرساناها،عایقها،پیدایش مقادیر مثبت ضریب هال، رابطه الکترونهای رسانش در فلزات با الکترونهای والانس اتمهای آزاد و بسیاری از ویژگی های تفصیلی ترابرد بخصوص ترابرد مغناطیسی.نظریه ای با سادگی کمتر مورد نیاز است،خوشبختانه چنین بر می آید که تقریباً هر کوشش ساده ای برای بهسازی مدل الکترون آزاد فوق العاده سودمند است.

اختلاف بین یک رسانای خوب و یک عایق خوب قابل توجه است.مقاومت ویژه الکتریکی یک فلز خالص دی 1k صرف نظر از امکان ابر رسانایی،می تواند به کوچکی 

cm-Ω 10- ^10  باشد.مقاومت ویژه یک عایق خوب می تواند به بزرگی cm-Ω 22^10 باشد.

هر جامدی دارای الکترون است.مسئله مهم در مورد رسانندگی الکتریکی این است که الکترونها در مقابل میدان الکتریکی اعمال شده چگونه پاسخ می دهند.خواهیم دید که الکترونهای داخل بلورها در نوارهای انرژی مرتب می شوند.ناحیه هایی از انرژی که برای آنها هیچ اربیتال الکترونی موج گونه وجود ندارد این نوارها را از هم جدا می کند.چنین نواحی ممنوعی را گافهای انرژی یا گافهای نواری می نامند.

این نواحی از برهم کنش امواج الکترونهای رسانش با مغزهای یونی بلور نتیجه می شود.اگر نواحی انرژی مجاز پُر یا خالی باشند،بلور مانند یک عایق رفتار می کند،زیرا در این صورت هیچ الکترونی نمی تواند در میدان الکتریکی حرکت کند.اگر کسری،مثلا 10 تا 90 درصد از یک یا چند نوار پر باشند،بلور مانند یک فلز رفتار می کند.اگر تمام نوارها،به استثنای یک یا دو نوار که اندکی پر یا خالی اند،کاملاً پر شده باشند،بلور نیمرسانا یا نیمه فلز خواهد بود.

 برای درک اختلاف بین عایق ها و رساناها،باید مدل الکترون آزاد را با در نظر گرفتن شبکه دوره ای جامد گسترش داد.امکان وجود گاف نواری مهمترین ویژگی جدیدی است که پدیدار می شود.

ابررسانایی(027)

خلاصه نویسی زیر از کتاب (( فیزیک ابر رساناها )) تالیف: و.و.اشمیت / ترجمه: دکتر ناصر تجبر/انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد، صورت پذیرفته است.

ابررسانایی

ابر رسانایی در سال 1911 در آزمایشگاه لیدن کشف شد.اچ.کامرلینگ اونس به هنگام مطالعه وابستگی دمایی مقاومت ویژه نمونه ای از جیوه مشاهده کرد که در دمای *T نزدیک به 4k مقاومت نمونه ناگهان به صفر سقوط می کند و در همه دماهای دسترس پذیر زیر*T مقاومت دیگر قابل اندازه گیری نیست.

نکته مهم اینکه با کاهش دما مقاومت ناگهان به صفر می رسید نه به تدریج.

آشکار بود که نمونه باید دستخوش گذاری به حالت جدیدی با مقاومت الکتریکی صفر شده باشد، که در آن زمان ناشناخته بود.این پدیده را ابر رسانایی نامیدند.

دمای گذار از حالت عادی به ابر رسانایی را دمای بحرانی Tс می نامند.زمان کوتاهی پس از این کشف معلوم شد که نه تنها با گرم کردن نمونه،بلکه با قرار دادن آن در میدان مغناطیسی نسبتاً ضعیف می توان ابر رسانایی را از بین برد.این میدان،  Hcm، را میدان بحرانی ماده کُپه ای می خوانند.

جریان الکتریکی در یک حلقه ابر رسانا می تواند تا زمان نا محدودی باقی بماند،طبیعتا این ماندگاری جریان به چشمه انرژی نیاز ندارد،زیرا مقاومت حلقه صفر است.

در یک حلقه ابر رسانا چون R=0 است آهنگ کاهش شار مغناطیسی نامحدود است.یعنی تا وقتی در حلقه جریان ماندگاری شارش می یابد شار مغناطیسی در آن ((به انجماد)) در می آید،معمولاً چنین جریانی را جریان ابر رسانشی یا ابر جریان می خوانند.

 

ابر رسانایی ضعیف

 ابر رسانایی ضعیف به رفتاری اشاره دارد که در آن دو ابر رسانا با یک اتصال ضعیف به یکدیگر وصل شده اند.بطور کلی اتصال ضعیف می تواند تنها تماس ضعیفی بین دو ابر رسانا در ناحیه ای بسیار کوچک یا به صورتهای دیگری باشد که در آنها تماس ابر رسانشی بین ابر رساناها به گونه ای ضعیف تشکیل می شود.

مهمترین ویژگی ابررسانا:

رفتار همدوس الکترونهای رسانشی

به واسطه اتصال ضعیف،الکترونهای دو ناحیه ابر رسانا به یک پیکره کوانتمی واحد تبدیل می شوند.همین مطلب را می توان به گونه دیگری بیان کرد.با نفوذ از اتصال ضعیف به ابر رسانای دوم،تابع موج الکترونها از ابر رسانای اول با تابع موج الکترونهای محلی تداخل می کنند.در نتیجه همه الکترونهای ابر رسانشی در دو سوی اتصال ضعیف با تابع موج یکسانی توصیف می شوند.حضور اتصال ضعیف نباید توابع موج دو طرف را در مقایسه با آنچه پیش از اتصال بودند،بطور چشمگیری تغییر دهد.

ابررساناها با توجه به خواص مغناطیسی شان،به ابر رسانای نوع Ⅰو ابررسانایⅡ نوع  تقسیم می شوند.

ابر رسانای نوعⅠ همه عناصر ابر رسانا غیر از نیوبیم را در بر می گیرد.نیوبیم،آلیاژهای ابررسانا و ترکیبهای شیمیایی،گروه دوم یا ابر رسانای نوعⅡ را تشکیل می دهد.ابر رساناهای با Tс بالا نیز به این گروه تعلق دارند.

 این پست ادامه دارد...