3 ЕЛЕМЕНТИ КВАНТОВОЇ МЕХАНІКИ І ФІЗИЧНОЇ СТАТИСТИКИ

При фізичному описі властивостей твердих тіл і встановленні залежності цих властивостей від атомно-електронної структури речовини твердого тіла широко використовуються статистичні і квантово-механічні уявлення. Тому виклад найзагальніших основ фізики твердого тіла, на яких будується сучасна електроніка, без них неможливий.

Відомості з квантової механіки і статистичної фізики (statistic physics), що використовуються в наступних розділах, за своїм об'ємом не виходять за рамки програми курсу загальної фізики для вищих технічних навчальних закладів. І тому наведені тут в короткій конспективній формі.

3.1 Корпускулярно-хвильовий дуалізм

У XX ст. фізики переконалися в тому, що атомні явища не можуть бути описані ні як рух частинок, ні як чисто хвильові процеси. Одні і ті ж об'єкти мікросвіту в одних умовах поводяться як частинки, в інших проявляють типово хвильові властивості. Так, в явищах дифракції, інтерференції і інших чітко виявляється хвильова природа світла. В той же час у фотоелектричних явищах, ефекті Комптона і багатьох інших світло поводиться як частинки (корпускули), що мають енергію

                         (3.1)

і імпульс

p=h/l,                              (3.2)

де — постійна Планка; .

Частинки світла одержали назву фотонів (photon).

У 1924 р. де Бройль виcунув гіпотезу, що подвійність хвиль і корпускул, властива світлу, повинна існувати і у інших частинок – електронів, протонів, атомів і т. д. Мікрочастинці, яка має енергію Е і імпульс р, повинна відповідати хвиля з частотою

або                          (3.3)

і завдовжки

l=h/p=h/mn,                         (3.4)

де V – швидкість руху частинки. Ці хвилі називають часто хвилями де Бройля, а співвідношення (3.3) і (3.4) – співвідношеннями

де Бройля.

Гіпотеза де Бройля (hypothesis de Broyle) піддавалася ретельній багатократній перевірці і одержала таке переконливе експериментальне підтвердження, що в наш час не викликає сумнівів. На хвильових властивостях мікрочастинок грунтуються електронна мікроскопія, електронографія, нейтронографія і т.д.

Таким чином, мікрочастинка, чи то електрон, протон, атом, не є дробинкою, зменшеною до відповідних розмірів. За оберненим виразом Ланжевена, об'єктивний світ не повинен бути подібним вставним «матрьошкам» однакової форми і відмінним одна від одної тільки величиною. Перехід від об'єктів макроскопічних до об'єктів мікросвіту приводить до якісних змін, до появи нових властивостей, не властивих макроскопічним тілам. Такою новою, якісно відмінною ознакою мікрочастинок є органічне поєднання в них корпускулярних і хвильових властивостей.