9.E: Fizikia ya Matukio ya Fizikia (Mazoezi)

Maswali ya dhana

9.1 Aina ya vifungo vya Masi

1. Ni tofauti gani kuu kati ya dhamana ya ionic, dhamana ya covalent, na dhamana ya van der Waals?

2. Kwa kesi zifuatazo, ni aina gani ya kuunganisha inatarajiwa?

(a) molekuli ya kCl;

(b)\(\displaystyle N_2\) molekuli.

3. Eleza hatua tatu kwa bonding ionic.

4. Ni nini kinachozuia ion chanya na hasi kuwa na kujitenga kwa sifuri?

5. Kwa\(\displaystyle H_2\) molekuli, kwa nini lazima spins elektroni spins kuwa antiparallel?

9.2 Masi Spectra

6. Je! Wigo wa kunyonya wa hCl ya molekuli ya diatomic hutegemea isotopu ya klorini iliyo katika molekuli? Eleza hoja zako.

7. Rank nafasi ya nishati (\(\displaystyle ΔE\)) ya mabadiliko yafuatayo kutoka angalau hadi kubwa: mpito wa nishati ya elektroni katika atomi (nishati ya atomiki), nishati ya mzunguko wa molekuli, au nishati ya vibrational ya molekuli?

8. Eleza vipengele muhimu vya wigo wa nishati ya mzunguko wa vibrational-mzunguko wa molekuli ya diatomic.

9.3 Bonding katika fuwele yabisi

9. Kwa nini umbali wa mgawanyo wa usawa kati\(\displaystyle K^+\) na\(\displaystyle Cl^−\) tofauti kwa molekuli ya diatomiki kuliko kwa kCl imara?

10. Eleza tofauti kati ya muundo wa ujazo unaozingatia uso (FCC) na muundo wa ujazo unaozingatia mwili (BCC).

11. Katika kloridi ya sodiamu, ni\(\displaystyle Cl^–\) atomi ngapi ni “majirani wa karibu” wa\(\displaystyle Na^+\)? Ni atomi ngapi za Na+Na+ ni “majirani wa karibu” wa\(\displaystyle Cl^−\)?

12. Katika iodidi ya cesium, ni\(\displaystyle Cl^−\) atomi ngapi ni “majirani wa karibu” wa\(\displaystyle Cs^+\)? Ni\(\displaystyle Cs^+\) atomi ngapi ni “majirani wa karibu” ya\(\displaystyle Cl^−\)?

13. Muundo wa kioo wa NaCl ni FCC. Nafasi ya usawa ni\(\displaystyle r_0=0.282nm\). Kama kila ion inachukuwa kiasi cha ujazo wa\(\displaystyle r^3_0\), makisio umbali kati ya “jirani karibu”\(\displaystyle Na^+\) ions (katikati hadi kituo cha)?

9.4 Free Electron Mfano wa Metali

14. Kwa nini nishati ya Fermi (\(\displaystyle E_F\)) huongezeka na idadi ya elektroni katika chuma?

15. Ikiwa wiani wa idadi ya elektroni (N/V) ya chuma huongezeka kwa sababu 8, ni nini kinachotokea kwa nishati ya Fermi (\(\displaystyle E_F\))?

16. Kwa nini mstari wa usawa katika grafu katika Mchoro 9.12 ghafla huacha nishati ya Fermi?

17. Kwa nini grafu katika Kielelezo 9.12 huongezeka hatua kwa hatua kutoka kwa asili?

18. Kwa nini mabadiliko makali katika nishati ya Fermi “yamepigwa nje” kwa kuongeza joto?

9.5 Band nadharia ya yabisi

19. Mbinu kuu mbili zinazotumiwa kuamua viwango vya nishati vya elektroni katika kioo ni nini?

20. Eleza vipengele viwili vya viwango vya nishati kwa elektroni katika kioo.

21. Je, idadi ya viwango vya nishati katika bendi inalingana na idadi, N, ya atomi.

22. Kwa nini baadhi ya vifaa vya conductors nzuri sana na wengine wasimamizi maskini sana?

23. Kwa nini baadhi ya vifaa vya semiconductors?

24. Kwa nini upinzani wa semiconductor hupungua kama joto linaongezeka?

9.6 Semiconductors na Doping

25. Ni aina gani ya semiconductor zinazozalishwa kama germanium ni doped na

(a) arsenic, na

(b) galliamu?

26. Ni aina gani ya semiconductor zinazozalishwa kama silicon ni doped na

(a) fosforasi, na

(b) indiamu?

27. Athari ya Hall ni nini na ni nini kinachotumiwa?

28. Kwa n -aina semiconductor, jinsi gani uchafu atomi kubadilisha muundo wa nishati ya imara?

29. Kwa p -aina semiconductor, jinsi gani atomi uchafu kubadilisha muundo wa nishati ya imara?

Vifaa vya Semiconductor

30. Wakati vifaa vya p- na n- vinaunganishwa, kwa nini shamba la umeme sare linazalishwa karibu na makutano?

31. Wakati vifaa vya p- na n- vinaunganishwa, kwa nini safu ya kupungua haikua kwa muda usiojulikana?

32. Unajuaje kama diode iko katika usanidi wa mbele?

33. Kwa nini usanidi wa upendeleo wa reverse unasababisha sasa ndogo sana?

34. Ni nini kinachotokea katika hali mbaya kwamba ambapo vifaa vya n- na p- aina ni doped sana?

35. Eleza jinsi amplifier ya sauti inafanya kazi, kwa kutumia dhana ya transistor.

9.8 Superconductivity

36. Eleza sifa mbili kuu za superconductor.

37. Nadharia ya BCS inaelezaje superconductiv

38. Athari ya Meissner ni nini?

39. Je, ni athari gani inayoongezeka ya magnetic ina juu ya joto kali la semiconductor?

Matatizo

9.1 Aina ya vifungo vya Masi

40. Configuration ya elektroni ya kaboni ni\(\displaystyle 1s^22s^22p^2\). Kutokana na usanidi huu wa elektroni, ni kipengele gani kingine kinachoweza kuonyesha aina moja ya mahuluti kama kaboni?

41. Kloridi ya potasiamu (kCl) ni molekuli inayoundwa na dhamana ya ionic. Katika mgawanyo wa usawa atomi ni\(\displaystyle r_0=0.279nm\) mbali. Kuamua nishati ya uwezo wa umeme wa atomi.

42. Uhusiano wa elektroni wa Cl ni 3.89 eV na nishati ya ionization ya K ni 4.34 eV. Tumia tatizo lililotangulia ili kupata nishati ya dissociation. (Puuza nishati ya kukandamiza.)

43. Nishati iliyopimwa ya nishati ya kCl ni 4.43 eV. Tumia matokeo ya tatizo lililotangulia ili kuamua nishati ya kupinduliwa kwa ions kutokana na kanuni ya kutengwa.

9.2 Masi Spectra

44. Katika maabara ya fizikia, unapima wigo wa vibrational-rotational wa HCl. Kutengana kwa makadirio kati ya kilele cha ngozi ni\(\displaystyle Δf≈5.5×10^{11}Hz\). Mzunguko wa kati wa bendi ni\(\displaystyle f_0=9.0×10^{13}Hz\).

(a) Ni wakati gani wa inertia (I)?

(b) Nishati ya vibration kwa molekuli ni nini?

45. Kwa tatizo lililotangulia, pata mgawanyo wa usawa wa atomi za H na Cl. Linganisha hii na thamani halisi.

46. Kutenganishwa kati ya atomi za oksijeni katika\(\displaystyle O_2\) molekuli ni karibu 0.121 nm. Kuamua nishati ya tabia ya mzunguko katika eV.

47. Nishati ya tabia ya\(\displaystyle N_2\) molekuli ni\(\displaystyle 2.48×10^{−4}eV\). Kuamua umbali wa kujitenga kati ya atomi za nitrojeni

48. Nishati ya tabia ya kCl ni\(\displaystyle 1.4×10^{−5}eV\).

(a) Kuamua\(\displaystyle μ\) kwa molekuli ya KCl.

(b) Kupata umbali kujitenga kati ya K na Cl atomi.

49. \(\displaystyle F_2\)Molekuli ya diatomic iko katika\(\displaystyle l=1\) hali.

(a) Nishati ya molekuli ni nini?

(b) Ni kiasi gani cha nishati kinachopigwa katika mpito kutoka kwa\(\displaystyle l=1\) hali?\(\displaystyle l=2\)

50. Katika maabara ya fizikia, unapima wigo wa vibrational-mzunguko wa bromidi ya potasiamu (KBR). Kutengana kwa makadirio kati ya kilele cha ngozi ni\(\displaystyle Δf≈5.35×10^{10}Hz\). Mzunguko wa kati wa bendi ni\(\displaystyle f_0=8.75×10^{12}Hz\).

(a) Ni wakati gani wa inertia (I)?

(b) Nishati ya vibration kwa molekuli ni nini?

9.3 Bonding katika fuwele yabisi

51. Muundo wa kioo wa CSI ni BCC. Nafasi ya usawa ni takriban\(\displaystyle r_0=0.46nm\). Ikiwa\(\displaystyle Cs^+\) ion inachukuwa kiasi cha ujazo cha\(\displaystyle r^3_0\), ni umbali gani wa ion hii kwa ioni yake “jirani ya karibu”\(\displaystyle I^+\)?

52. Nishati ya uwezo wa kioo\(\displaystyle −8.10eV\) ni/ion jozi. Kupata nishati dissociation kwa moles nne ya kioo.

53. Uzito wa kipimo cha kioo cha NaF ni\(\displaystyle 2.558g/cm^3\). Je, ni umbali wa usawa tofauti wa\(\displaystyle Fl^−\) ions\(\displaystyle Na^+\) na ions?

54. Ni thamani gani ya mara kwa mara ya kupinduliwa, n, inatoa nishati ya kupunguzwa kwa kipimo cha 221 kcal/mole kwa NaF?

55. Kuamua nishati ya dissociation ya moles 12 ya kloridi ya sodiamu (NaCl). (Kidokezo: repulsion mara kwa mara n ni takriban 8.)

56. Uzito wa kipimo cha kioo cha KCl ni\(\displaystyle 1.984g/cm^3\). Je, ni umbali wa mgawanyo wa usawa wa\(\displaystyle K^+\) na\(\displaystyle Cl^−\) ions?

57. Ni thamani gani ya mara kwa mara ya kupinduliwa, n, inatoa nishati ya kupunguzwa kwa kipimo cha 171 kcal/mol kwa kCl?

58. Uzito wa kipimo cha kioo cha CsCl ni\(\displaystyle 3.988g/cm^3\). Je, ni umbali wa usawa tofauti wa\(\displaystyle Cl^−\) ions\(\displaystyle Cs^+\) na ions?

9.4 Free Electron Mfano wa Metali

59. Ni tofauti gani kati ya nishati kati ya\(\displaystyle n_x=n_y=n_z=4\) serikali na serikali na nishati ya juu ijayo? Je, ni asilimia mabadiliko gani katika nishati kati ya\(\displaystyle n_x=n_y=n_z=4\) serikali na serikali na nishati ya juu ijayo?

(b) Linganisha hizi na tofauti katika nishati na mabadiliko ya asilimia katika nishati kati ya\(\displaystyle n_x=n_y=n_z=400\) serikali na serikali na nishati ya pili ya juu.

60. Elektroni imefungwa kwa mchemraba wa chuma wa kila\(\displaystyle l=0.8cm\) upande. Kuamua wiani wa majimbo

(a)\(\displaystyle E=0.80eV\);

(b)\(\displaystyle E=2.2eV\); na

(c)\(\displaystyle E=5.0eV\).

61. Nini thamani ya nishati sambamba na wiani wa majimbo ya\(\displaystyle 1.10×10^{24}eV^{−1}\)?

62. Linganisha wiani wa majimbo katika 2.5 eV na 0.25 eV.

63. Fikiria mchemraba wa shaba na kando ya urefu wa 1.50 mm. Tathmini idadi ya majimbo ya quantum ya elektroni katika mchemraba huu ambao nguvu zake ziko katika kiwango cha 3.75 hadi 3.77 eV.

64. Ikiwa kuna elektroni moja ya bure kwa atomi ya shaba, ni wiani gani wa namba ya elektroni ya chuma hiki?

65. Kuamua nishati ya Fermi na joto kwa shaba saa\(\displaystyle T=0K\).

9.5 Band nadharia ya yabisi

66. Kwa kioo kimoja, weka nafasi ya kimiani (a) kwa suala la wavelength ya elektroni.

67. Ni tofauti gani kuu kati ya insulator na semiconductor?

68. Je, ni wavelength ndefu zaidi ya photon ambayo inaweza kusisimua elektroni ya valence ndani ya bendi ya uendeshaji katika pengo la nishati ya 0.80 eV?

69. Electron valence katika kioo inachukua photon ya wavelength,\(\displaystyle λ=0.300nm\). Hii ni nishati ya kutosha kuruhusu elektroni kuruka kutoka bendi ya valence hadi bendi ya uendeshaji. Ukubwa wa pengo la nishati ni nini?

9.6 Semiconductors na Doping

70. Jaribio linafanyika ili kuonyesha athari ya Hall. Mchoro mwembamba wa mstatili wa semiconductor na upana wa cm 10 na urefu wa cm 30 umeunganishwa na betri na kuzama katika shamba la 1.50- T perpendicular kwa uso wake. Hii ilizalisha voltage ya Hall ya 12 V. kasi ya drift ya flygbolag ya malipo ni nini?

71. Tuseme kwamba sehemu ya msalaba wa mstari (eneo la uso perpendicular kwa sasa umeme) iliyotolewa kwa tatizo lililotangulia ni\(\displaystyle 1mm^2\) na sasa inajitegemea kuwa 2 mA. Je, ni wiani wa idadi ya flygbolag za malipo?

72. Waya wa shaba wa sasa wa kubeba na sehemu ya msalaba\(\displaystyle σ=2mm^2\) ina kasi ya drift ya 0.02 cm/s.

73. Athari ya Hall imeonyeshwa katika maabara. Mchoro mwembamba wa mstatili wa semiconductor na upana wa cm 5 na eneo la msalaba\(\displaystyle 2mm^2\) linaunganishwa na betri na kuzama kwenye shamba perpendicular kwa uso wake. Voltage ya Hall inasoma 12.5 V na kasi ya drift kipimo ni 50 m/s.

Vifaa vya Semiconductor

74. Onyesha kwamba kwa V chini ya sifuri,\(\displaystyle I_net≈−I_0\).

75. Diode ya p-n ina sasa ya kueneza nyuma\(\displaystyle 1.44×10^{−8}A\). Ni mbele ya upendeleo ili iwe na sasa ya\(6.78×10^{−1}A\) kusonga kwa njia hiyo. Je, ni voltage gani ya kupendeza inayotumiwa ikiwa joto ni 300 K?

76. Sasa mtoza wa transistor ni 3.4 A kwa sasa ya msingi ya 4.2 mA. Faida ya sasa ni nini?

77. Kutumia mwisho mzuri wa betri kwenye upande wa p na mwisho usiofaa kwa upande wa n wa makutano ya p-n, sasa kipimo ni\(\displaystyle 8.76×10^{−1}A\). Kurejesha polarity hii kutoa reverse kueneza sasa ya\(\displaystyle 4.41×10^{−8}A\). Je! Joto ni nini ikiwa voltage ya upendeleo ni 1.2 V?

78. Sasa msingi wa transistor ni 4.4 A, na faida yake ya sasa 1126. Je! Mtoza sasa ni nini?

9.8 Superconductivity

79. Kwa joto gani, kwa suala la\(\displaystyle T_C\), ni uwanja muhimu wa superconductor nusu thamani yake saa\(\displaystyle T=0K\)?

80. Je, ni muhimu magnetic shamba kwa ajili ya kuongoza katika\(\displaystyle T=2.8K\)?

81. Pb waya jeraha katika tight solenoid mduara wa 4.0 mm ni kilichopozwa kwa joto la 5.0 K. waya ni kushikamana katika mfululizo na\(\displaystyle 50-Ω\) resistor na variable chanzo emf. Kama emf imeongezeka, ina thamani gani wakati superconductivity ya waya imeharibiwa?

82. Solenoid ya jeraha imara saa 4.0 K ni urefu wa sentimita 50 na imejengwa kutoka waya wa Nb wa radius 1.5 mm. Ni kiwango gani cha juu cha sasa ambacho solenoid inaweza kubeba ikiwa waya itabaki superconducting

Matatizo ya ziada

83. Fluoride ya potasiamu (KF) ni molekuli inayoundwa na dhamana ya ionic. Katika mgawanyo wa usawa atomi ni\(\displaystyle r_0=0.255nm\) mbali. Kuamua nishati ya uwezo wa umeme wa atomi. Uhusiano wa elektroni wa F ni 3.40 eV na nishati ya ionization ya K ni 4.34 eV. Kuamua nishati ya kujitenga. (Puuza nishati ya kukandamiza.)

84. Kwa tatizo iliyotangulia, mchoro nishati uwezo dhidi ya kujitenga grafu kwa ajili ya bonding ya\(\displaystyle K^+\) na\(\displaystyle Fl^−\) ions.

(a) Weka grafu na nishati inayotakiwa kuhamisha elektroni kutoka K hadi Fl.

(b) Weka grafu na nishati ya dissociation.

85. Kutenganishwa kati ya atomi za hidrojeni katika\(\displaystyle H_2\) molekuli ni karibu 0.075 nm. Kuamua nishati ya tabia ya mzunguko katika eV.

86. Nishati ya tabia ya\(\displaystyle Cl_2\) molekuli ni\(\displaystyle 2.95×10^{−5}eV\). Kuamua umbali wa kujitenga kati ya atomi za nitrojeni.

87. Kuamua chini tatu rotational ngazi ya nishati ya\(\displaystyle H_2\).

88. Atomi ya kaboni inaweza kuchanganyikiwa katika\(\displaystyle sp^2\) usanidi.

(a) Ni pembe gani kati ya orbitals mseto?

89. Andika orodha tano kuu za fuwele za ionic ambazo zinatokana na nishati yao ya juu ya dissociation.

90. Kwa nini bonding katika\(\displaystyle H_2^+\) nzuri? Eleza jibu lako kwa suala la ulinganifu wa kazi ya wimbi la elektroni.

91. Wanaastronomia wanadai kupata ushahidi wa\(\displaystyle He_2\) kutoka kwenye wigo wa mwanga wa nyota iliyo mbali. Je, unawaamini?

92. Onyesha kwamba wakati wa inertia ya molekuli ya diatomic\(\displaystyle μ\) ni wapi molekuli iliyopunguzwa, na\(\displaystyle r_0\) ni umbali kati ya raia.\(\displaystyle I=μr^2_0\)

93. Onyesha kwamba nishati ya wastani ya elektroni katika chuma moja-dimensional inahusiana na nishati ya Fermi na\(\displaystyle \bar{E}=\frac{1}{2}E_F\).

94. Vipimo vya uwanja muhimu wa magnetic superconductor (katika T) katika joto mbalimbali (katika K) hutolewa hapa chini. Tumia mstari wa kufaa bora kuamua\(\displaystyle B_c(0)\). Fikiria\(\displaystyle T_c=9.3K\).

Jedwali 9.6

T (katika K)	\(\displaystyle B_c(T)\)
3.0	0.18
4.0	0.16
5.0	0.14
6.0	0.12
7.0	0.09
8.0	0.05
9.0	0.01

95. Tathmini sehemu ya atomi za Si zinazopaswa kubadilishwa na atomi za As ili kuunda bendi ya uchafu.

96. Mpito katika wigo wa mzunguko huzingatiwa kwenye joto la kawaida la kawaida (\(\displaystyle T=300K\)). Kwa mujibu wa mpenzi wako wa maabara, kilele katika wigo kinafanana na mpito kutoka kwa\(\displaystyle l=1\) hali.\(\displaystyle l=4\) Je, hii inawezekana? Ikiwa ndivyo, onyesha kasi ya inertia ya molekuli.

97. Kuamua nguvu za Fermi

(a) Mg,

(b) Na, na

(c) Zn.

98. Pata nishati ya wastani ya elektroni katika waya wa Zn.

99. Ni thamani gani ya mara kwa mara ya kupinduliwa, n, inatoa nishati ya kupunguzwa kwa kipimo cha 158 kcal/mol kwa cScl?

100. Mfano wa kimwili wa almasi unaonyesha muundo wa kufunga BCC. Kwa nini hii haiwezekani?

Changamoto Matatizo

101. Kwa elektroni katika chuma tatu-dimensional, kuonyesha kwamba nishati wastani ni kutolewa na\(\displaystyle \bar{E}=\frac{1}{N}∫_0^{E_F}Eg(E)dE=\frac{3}{5}E_F\), wapi N ni jumla ya idadi elektroni katika chuma.