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基本粒子以及粒子躍遷

@@@@@@@@@,經典物理學------------------------------------------------

由伽利略(1564—1642)和牛頓(1643—1727)等人於17世紀創立的經典物理學,經過18世紀在各個基礎部門的拓展,到19世紀得到了全面、系統和迅速的發展,達到了它輝煌的頂峰。到19世紀末,已建成了壹個包括力(牛頓力學)、熱(熱力學,統計力學)、聲、光、電(電磁學)諸學科在內的、宏偉完整的理論體系。20世紀以前。

特點:1,低速運動?2,宏觀尺度

@@@@@@@@@,現代物理學?(20世紀初至當代)------------------------------

特點:1,高速運動? 2,微觀尺度

?固體物理學等等:固體中各種粒子運動形態和規律及它們相互關系的學科。屬物理學的重要分支,其涉及到力學、熱學、聲學、電學、磁學和光學等各方面的內容。

?狹義相對論:光速永恒下推斷出來的公式。(不包含萬有引力,不存在加速度,速度不變或者靜止)

?廣義相對論:電梯模式,我們沒法得知自己是靜止還是加速運動。廣義相對論的大概結論就是物質告訴時空怎麽彎曲,時空告訴物質怎麽運動。

量子力學:黑體輻射的危機所導致。研究微觀世界粒子的運動。

?量子場論:狹義相對論和量子力學的聯姻。並且誕生了粒子物理標準模型。

廣義相對論和量子力學的矛盾:量子糾纏超光速問題。

@@@@@@@粒子物理標準模型--------------------------------------------------------

基本粒子

嚴格地說,基本粒子是不能再分解為任何組成部分的粒子。在這壹定義下,只有誇克和輕子兩種基本粒子。

已發現的誇克有六種,它們是:頂誇克、上誇克、下誇克、奇異誇克、粲誇克和底誇克。

已發現的輕子***有六種,包括電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。

另外還有壹種粒子用來傳遞相互作用:

玻色子(英語:boson) 是依隨玻色-愛因斯坦統計,自旋為整數的粒子。

這是壹類在粒子之間起媒介作用、傳遞相互作用的粒子。之所以它們稱為“規範玻色子”,是因為它們與基本粒子的理論楊-米爾斯規範場理論有很密切的關系。

自然界壹***存在四種相互作用力,因此也可以把規範玻色子分成四類。

1,引力相互作用:引力子(graviton)

2,電磁相互作用:光子(photon)

3,弱相互作用(使原子衰變的相互作用):W 及?Z 玻色子,***有3種。

4,強相互作用(誇克或者強子之間的相互作用):膠子(gluon)或者介子

其中著重介紹壹下強相互作用和電磁相互作用。

@@@@@強相互作用(作用於帶有色荷的誇克之間,通過膠子傳遞相互作用力)

誇克由於強相互作用具備了壹個稱為誇克禁閉的奇特屬性,使得帶有色荷的誇克總是會組成壹個色荷為0的粒子,從而形成束縛系統,使得單獨的誇克不存在。強子分2大類

1,重子:由三個誇克或三個反誇克組成。比如質子,中子。質子由兩個上誇克和壹個下誇克組成束縛系統。中子由兩個下誇克和壹個上誇克組成束縛系統。

2,介子:介子由壹個誇克和壹個反誇克組成。組成束縛系統。

強相互作用束縛系統霸氣側漏的殺氣克服了質子和質子之間的電磁排斥力,將質子和質子以及中子緊密的結合成原子核。這種作用力由介子傳遞作用力。也叫強核力。需要註意的是?這個和強作用力(束縛系統)是有區別的。

@@@@@電磁相互作用(作用於帶有電荷的粒子之間,由光子傳遞作用力)

電磁相互作用(electromagnetic interaction) 自然界的四種 基本相互作用 之壹。它是帶電粒子與 電磁場 的相互作用以及帶電粒子之間通過電磁場傳遞的相互作用。當原子從外界獲得能量的時候,它的電子可能會產生躍遷,從而形成電流。在了解電流之前我們先看壹下原子結構。然後再看躍遷以及電流的根本原因。

原子:原子由原子核和繞核運動的電子組成。

原子是電中性的,原子核由質子和中子組成,質子帶正電,中子不帶電,電子帶負電,原子核帶有的正電荷等於核外電子的總負電荷。

我們再看看能層?能級

能層:原子核外的電子圍繞著原子核運動,離原子核越近的能量越低,離原子核越遠的能量越高,這些電子由近到遠構成了壹層壹層圍繞原子核運動的結構組成了能層,能層由近到遠分為K,L,M,N,O,P。

能級:每壹能層根據電子能量的由低到高進壹步可以細分為不同能級。可以由s,p,d,f,g代表不同能級。也就是說每壹能層的電子也處在相同能層的不同能級,能量大小也不相等。每壹層所能容納最大電子數也是根據距離原子核從近到遠遞增的。

那麽不同能層的能級是如何劃分的呢?原理如下,離原子核越近的能層,所能容納的能級越少。

能層越高的電子就壹定能量越高麽?答案不是的,能量高低可以用上圖的斜角線來表示。但是總體來說能層越高的電子,所持有的能量越高。

原子的構造原理:遵循能量最低原理,能量是守恒的,“系統的能量越低、越穩定”,這是自然界的普遍規律。原子核外電子的排布也遵循?這壹規律,多電子原子在基態時,核外電子總是盡可能地先占據能量最低的軌道,然後按?原子軌道近似能級圖中的順序依次向能量較高的能級上分布,稱為能量最低原理。

基態:是指在正常狀態下,原子處於最低 能級 ,這時電子在離核最近的軌道上運動的這種 定態 。基態的概念是基於能層原理、能級概念、能量最低原理而來的。

激發態:當原子從外界獲得能量(如 灼熱 、 放電 、 輻射能 等),它的電子可以 躍遷 到離核較遠的電子層上,此時的電子所處的狀態稱為“ 激發態 ”。

註意:在電場的作用下,當原子處於激發態,原子內的電子並沒有從高能級躍遷到低能級,反而在電場的作用下,最外層的激發態的電子有足夠的能量逃離原子核,形成了自由電子的時候,稱之為電離,此時形成了壹個帶正電的離子,離子的狀態是穩定的因此不是激發態,相同原理也可以形負離子。這正是電子在半導體內的流通的原理。

電子躍遷:電子躍遷本質上是組成物質的粒子( 原子 、離子或分子)中電子的壹種能量變化。根據 能量守恒原理 ,粒子的外層電子從低 能級 轉移到高能級的過程中會吸收能量;從高能級轉移到低能級則會釋放能量。能量為兩個能級能量之差的絕對值。在日常生活中,我們看到的許多可見光,如燈光、霓虹燈光、激光、焰火……都與原子核外電子發生躍遷釋放能量有關,壹般能量指的是光子。

自發輻射 :處於激發態的原子中,電子在激發態能級上只能停留壹段很短的時間,就自發地躍遷到較低能級中去,同時輻射出壹個光子,這種輻射叫做自發輻射。該過程也是我們日常生活中許多光源的輻射機理,像霓虹燈、熒光燈、LED等常見光源輻射本質上都屬於自發輻射。

受激輻射:當原子處於激發態E2時,如果恰好有能量?(這裏E2>E1)的光子射來,在入射光子的影響下,原子會發出壹個同樣的光子而躍迂到低能級E1上去,這種輻射叫做受激輻射。

區別:與自發輻射不同,輻射壹定要在外來光作用下發生並發射壹個與外來光子完全相同的光子。受激輻射光是相幹光。受激輻射光加上原來的外來光,使光在傳播方向上光強得到放大。自發輻射是不受外界輻射場影響的自發過程,各個原子在自發躍遷過程中是彼此無關的,不同原子產生的自發輻射光在頻率、相位、偏振方向及傳播方向都有壹定的任意性。

二、能帶是怎樣形成的

以上我們僅僅討論了在壹個孤立原子中的電子狀態。在通常情況下,物質都是由大量原子組成的。在半導體中,大量的原子按壹定的規律和周期排列成晶體。由於原子與原子靠得非常近,所以價電子不僅受原來所屬的原子核的影響還要受到相鄰原子的原子核的影響。這樣,價電子就不再屬於個別原子所“私有”,即僅圍繞某個原子核運動,而成了整個晶體所“***有”它能在整個晶體中運動。價電子的這種運動稱為***有化運動。這裏就提出了壹個問題:當價電子在整個晶體中運動時,它所具有的能量是否和圍繞壹個原子核運動時所具有的能量壹樣呢?或者說,它們的能級有沒有變化呢?實際上,它們的能級是有變化的。這些***有化”的價電子不像圍繞壹個原子核運動時那樣只能有壹個固定的能量,即有壹個固定的能級,而是具有若幹個分布在壹定範圍內的能級。這些能級相互之間靠得非常近,基本上連成壹片。我們把這些連成壹片的能級叫做能帶。除了價電子會產生***有化運動外,內層電子也會產生***有化運動。

三、價帶、滿帶、禁帶和導帶

外層電子所對應的能帶比較寬越靠近原子核的內層電子所對應的能帶越窄。這是因為外層電子的***有化運動比較強,電子在晶體中***有化運動的速度比較快;內層電子的***有化運動比較弱,運動速度也較慢。因此,能帶的寬度主要由晶體的性質來決定,與晶體中原子的多少無關。在能帶與能帶之間的區域我們稱它為禁帶,那是因為在這個能量範圍內不允許電子存在。在晶體中,電子只能存在於能帶的能級上。

如果把壹盆水倒在坑窪不平的地上,水總是先流向凹窪處同樣,電子在填充能帶時也是先占據能量最小的能級,也就是最下面的能級。因此,在正常情況下,內層電子所對應的能帶都被電子填滿了,而最外層價電子所對應的能帶有的已被電子填滿,有的則還沒有被電子所填滿。還有的能帶根本沒有電子,而是空的。這些不同情況的能帶具有不同的特性。為了以示區別,我們分別給它們不同的名稱:價電子能級所對應的能帶稱為價帶;凡是被電子填滿的能帶稱為滿帶;沒有被電子填滿的能帶(包括沒有電子占據的空帶)稱為導帶。

半導體和絕緣體中的價帶都是填滿電子的滿帶。電子在滿帶中是不能導電的,只有在導帶中的電子才能導電。下面來講講為什麽電子在滿帶中不能導電,而在導帶中能導電的問題。我們知道,電流是電子在電場的作用下沿著某壹方向移動的結果。我們可以想象能帶中有許多“位置”,每個“位置”只能容納壹個電子,由於在滿帶中所有的“位置都被電子占滿了,電子不能在電場作用下從壹個“位置”跑到另壹個“位置”,就象在滿座的劇場裏妳不可能去占坐別人的座位壹樣,所以滿帶中的電子是不自由的,即不能導電。但在導帶中有許多空的“位置”電子在電場的作用下就能改變能量,從壹個位置”跑到另壹個“位置”。大量電子的這種運動,從宏觀上來看,表現為電子作定向運動,因而就形成了電流。所以說只有導帶中的電子才能導電