Толмен мен Стюарт, Мандельштам жне Папалекси тжірибелері

Классикалы электронды теорияны негізгі аидалары мен тжірибелік длелдемелері, орта мектеп бадарламасы бойынша, осы таырыпта оытылады. Кп уаыт бойы мселені оыту керектігі талас туызып келген болатын. азір ол бадарламаа осыланымен, материалды андай дрежеде берілу керектігі діскерлер арасында айтыс туызуда. Бадарламада мселені формулалар олданбай-а тек сапа жаынан ана арастыру кзделген. Дегенмен, кейбір діскерлер 10-сыныпта арапайым есептеулерді, материалды тсіндіруге ажетті формулаларды, формулалара енетін шамаларды физикалы маынасын осуды тиімді деп есептейді.

алай боланда да малім материалды жасы мегерген болуы тиіс, онсыз материалды сапалы трыдан да тсіндіруі иын.

Металдарды электр ткізгіштігіні теориясын алаш жасаан П. Друде (1900 ж.) боланымен, оны жетілдірген Г.А. Лоренц болды. р трлі заттарды электрлік асиетін олардаы электрондарды озалысы арылы тсіндіру электронды теорияны мазмнын райды.

Классикалы электронды теория мынадай аидаларды басшылыа алады:

1) Электрондарды озалысы классикалы механика задарына баынады.

Электрондар бір-бірімен серлеспейді. Электрондар тек кристалды тордаы иондармен рекеттеседі, рекеттесуі - оларды тек сотыысуы ана. Сотыысулар аралыында электрондар еркін озалады.

Денедегі еркін электрондар идеал газ трізді электронды газ тзеді, электронды газ да энергияны еркіндік дрежесіне арай бір алыпты таралу заына баынады.

Классикалы электронды теория материалдарды кедергісін, Ом жне Джоуль-Ленц задарын жасы тсіндіріп береді, меншікті электр ткізгіштікті металды атомды тратылары арылы рнектеуді ммкін етеді, электр ткізгіштікті температураа туелділігін сапа жаынан болса да тсіндіре алады, жылу ткізгіштік пен электр ткізгіштік арасында байланыс бар екендігін крсетеді. Сонымен бірге теория заттарды біратар басада электрлік жне оптикалы асиеттерін тсіндіре алады. Біра кейбір былыстар жніндегі классикалы электронды теориялы мы орытындылары тіпті тжірибені крсетуіне айшы келеді. Мысалы, теорияны тжырымы бойынша температура скенде металды меншікті кедергісі Т шамасына пропорционал суі тиіс, ал шындыында ол температураны бірінші дрежесіне тура пропорционал. Классикалы электронды теория материалдарды жылу сиымдылыы мен асын ткізгіштік былысын тіпті де тсіндіре алмайды.

Классикалы электронды теорияны иыншылытары мынадай мселелерге байланысты: а) металдаы электрондар Максвелл - Больцман статистикасыны - задылытарына баынбайды; ) электрондарды бір-біріне жасайтын сері ескерілмейді; б) электрондарды кристалды тордаы периодты рісте озалатындыы есепке алынбайды; в) электрондарды озалысы классикалы механика задарына емес, квантты механика задарына баынады.

азіргі кезде классикалы электронды теорияны орнына атты денелерді квантты теориясы келді, ол классикалы теорияны тсіндіре алмаан мселелерін толыымен шешіп береді. Дегенмен, классикалы электронды теория осы кезге деген олданылып келеді, ол арапайым жне крнекі, тіпті заряд тасымалдаушылар концентрациясы аз болып, былыс жоары температураларда зерттелетін болса, классикалы теорияны беретін орытындылары квантты механиканы орытындыларына жаын болады.

Орта мектеп бадарламасына металдаы электрондарды реттелген озалысыны жылдамдыы, ткізгіш кедергісіні температураа туелділігі жне асын ткізгіштік жніндегі мселелер ендірілген. Сондытан, оушыларды классикалы электронды теориямен таныстыру барысында мынадай моменттерге іл блу ажет болады: 1) теорияны ысаша шыу тарихы; 2) теорияны негізгі аидалары мен модельдік тсініктері; 3) теорияны тжірибелік длелдері; 4) теорияны олданылуы; 5) классикалы электронды теорияны иыншылытары; 6) классикалы электронды теорияны маызы.

Классикалы тсінік бойынша металда ионды тор жне еркін "электронды газ" бар. Электрондар хаосты озалыста, шарды жылдамдыы температураа туелді. Кристалды торды тйіндерінде иондар орналасан жне олар тепе-тендік алпыны айналасында тербелмелі озалыста болады. Электрондар хаосты озалысы кезінде иондармен сотыысады, біра орташа есеппен ткізгіште заряд тасымалданбайды. ткізгішті штарына кернеу берілсе, оны ішінде пайда болатын электр рісіні кернеулігі серінен электрондарды баытталан озалысы пайда болады, оны электрондар дрейфі деп атайды.

Металдарды электронды ткізгіштігі іргелі тжірибелермен длелденген: Рикке (1901 ж.), Мандельштам мен Папалекси (1913 ж.), Толмен мен Стюарт (1916 ж.)

Оушылара Рикке тжірибесіні мнін тсіндіруге болады (1-сурет). Бір-біріне тиістіріліп ойылан мыс, алюминий, мыс цилиндрлері арылы бір жылдан астам уаыт ток ткізіледі. Осы уаытты ішіде цилиндрлер арылы 3,5*106 Кл заряд тті.Біра цилиндрлерде ешандай згеріс болан жо. Олай болса, цилиндрлердегі токты иондар емес, сол металдара орта блшектер - электрондар жасайды.

Мандельштам - Паплекси жне Толмен - Стюарт тжірибелері бір идеяа негізделген, ол - электрондарды инерциялы озалысын тіркеу. Бірінші тжірибеде электрондарды инерциялы оз|;алысы тек телефон кмегімен баыланады да, ал екінші тжірибеде - гальванометрмен лшеніп, электронны меншікті заряды жне оны табасы аныталады. Сондытан, мектепте екінші тжірибені тсіндіріп, біріншісі жнінде оушыларды тек хабардар етсе жеткілікті.

Тжірибені идеясын тсіндіру шін электрондарды инерциялы озалысыны механикалы моделін жне "Толмен мен Стюарт тжірибесі " атты кинофильмді крсету те пайдалы.

Металдаы электрондарды озалысына байланысты мынадай ш трлі жылдамдыты бір-бірінен айырмашылыын тсіндіру ажет болады, олар: электр тогыны таралу жылдамдыы (v), электрондарды реттелген озалысыны жылдамдыы немесе дрейфтік жылдамдыы (vД) жне электрондарды жылулы озалысыны жылдамдыы (vж).

Электрондарды жылулы озалысыны жылдамдыын тсіну оушылара иындыа сопайды, йткені электрондарды хаосты озалысы бір атомды газдар молекулаларыны озалысына сас. ткізгіштегі электр тогыны жылдамдыы - бл ткізгіштегі еркін заряда электр рісі серіні тарау жылдамдыы, сондытан ол электр рісіні ткізгіш ішінде таралу жылдамдыына те немесе жары жылдамдыына жаын.

Электр рісіні серінен ткізгіштегі электрондар дереу реттелген, баытталан, баяу озалыса тседі. Бл озалысты жылдамдыы (дрейфтік жылдамды) ткізгіштегі ток кшін (I) анытайды:

мндаы n - электрондар концентрациясы, е - электрон заряды, S - ткізгішті клдене имасыны ауданы. Бл формула кмегімен, наты ткізгіштегі токты лшеу арылы, ондаы электрондарды дрейфтік жылдамдыын анытауа болады. Мысалы, жргізілген лшеу жмыстары мыстаы электрондарды орташа дрейфтік жылдамдыы 0,7 мм/с екендігін крсетеді. Мндай жылдамдыпен электрон мыс сымны бойымен 5 м ашытыты 2 са жріп теді. Мысалы электрондарды жылулы озалысыны орташа жылдамдыы шамамен 1000 км/с болатындыын ескерткен жн.

Мнан кейінгі кезекте ме­талл ткізгіштер кедергісіні температураа туелділігі тсіндіріледі. Алдымен тжірибе крсетуге болады. Ол шін бірнеше метр жіішке (диаметрі 0,1-0,2 мм) те мір сымды серіппе трінде орап, оны амперметр аылы аккумулятора осады (2-сурет). Егер блме температурасындаы амперметрді крсетуін белгілеп алса, ыздыран кезде токты крт тмендейтіндігін круге болады. Сонан со pt = р0(1 + at) формуласы беріліп, сапа жаынан электронды теория трысынан кедергіні температураа туелділігі тсіндіріледі. Бл былысты р трлі лшеу приборларында жне автоматты рылыларда олданылатындыыны мысалы ретінде кедергілік термометр жмысымен топтастыруа болады.

Осы тста классикалы электронды теорияны да белгілі олданылу шекарасы бар екендігін айтуа болады. Жоарыда айтылан, кедергіні температураа сызыты туелділігі тменгі температураларда орындалмай алатындыы айтылуы тиіс. ткізгіштерді меншікті кедергісіні тмен температураларда крт нлге айналып кететіндігі (3-сурет), бл былыс асын ткізгіштік деп аталатындыы айтылады. Мектеп курсында асын ткізгіштік былысы тек таныстыру дегейінде ана баяндалады. Бл былысты бадарламаа енуін азіргі кезде оны практикада олдануды етек

алып отырандыымен тсіндіруге болады. алымдар мынан аса металдар мен оларды р трлі оспаларыны осындай асын ткізгіштік асиеті бар екендігін тауып отыр. Оушыларды классикалы электронды теорияны иыншылытарын білуі, асын ткізгіштікті оуы оларды

диалектика - материалистік кзарасыны алыптасуына серін тигізеді жне классикалы электронды теорияны электр ткізгіштікті тсіну процесіндегі алашы басыш ана екендігіне оларды кзін жеткізеді.

Лекция 8-9