西南交通大学《大学物理》原子结构 激光 固体.pdf

w w w z h i n a n ch e co m 大学物理 作业大学物理 作业NoNoNoNo 9 9 9 9原子结构激光固体 班级 原子结构激光固体 班级 学号学号 姓名姓名 成绩成绩 一 选择题 一 选择题 1 下列各组量子数中 哪一组可以描述原子中电子的状态 A n 2 l 2 ml 0 2 1 s m B n 3 l 1 ml 1 2 1 s m C n 1 l 2 ml 1 2 1 s m D n 1 l 0 ml 1 2 1 s m 解 解 根据原子中电子四个量子数取值规则和泡利不相容原理知 B 对 故选 B B B B 2 在原子的 L 壳层中 电子可能具有的四个量子数 n l ml ms 是 1 2 0 1 2 1 2 2 1 0 2 1 3 2 1 1 2 1 4 2 1 1 2 1 以上四种取值中 哪些是正确的 A 只有 1 2 是正确的 B 只有 2 3 是正确的 C 只有 2 3 4 是正确的 D 全部是正确的 解 解 原子的 L 壳层对应主量子数2 n 角量子数可为2 1 0 l 磁量子数可为 2 1 0 l m 自旋量子数可为 2 1 2 1 s m 根据原子中电子四个量子数取值规则 和泡利不相容原理知只有 2 3 4 正确 故选 C C C C 3 n 型半导体中杂质原子所形成的局部能级 也称施主能级 在能带结构 中处于 A 满带中 B 导带中 C 禁带中 但接近满带顶 D 禁带中 但接近导带 底 解 解 根据固体能带理论 n 型半导体中杂质原子所形成的局部能级 也称施主能级 在能 带结构中处于禁带中 但接近导带底 故选 D D D D 4 附图是导体 半导体 绝缘体在热力学温度T 0K 时的能带结构图 其中属于绝缘体 的能带结构是 导带 未满 满带 禁带 1 2 3 4 空 带 导带 未满 禁带 重合 满带 导带 空带 禁带 满带 禁带 满带 导带 空带 导带 空带 满带 禁 施主能级 E w w w z h i n a n ch e co m A 1 B 2 C 1 3 D 3 E 4 解 解 根据固体能带理论 绝缘体禁带较宽 且其中无施主能级或受主能级 故 1 属于绝 缘体的能带结构 2 属于本征半导体的能带结构 3 4 属于导体的能带结构 故选 A A A A 5 如果 1 锗用锑 五价元素 掺杂 2 硅用铅 三价元素 掺杂 则分别获得的半导体属于 下述类型 A 1 2 均为 n 型半导体 B 1 为 n 型半导体 2 为 p 型半导体 C 1 2 均为 p 型半导体 D 1 为 p 型半导体 2 为 n 型半导体 解 解 1 锗是四价元素 用锑 五价元素 掺杂 锑能级上的电子被激发到锗的空带中 锗 的空带中出现大量电子 属 n 型半导体 2 硅是四价元素 用铝 三价元素 掺杂 硅满带中的电子被激发到铝的能级上 硅 满带中出现大量空穴 属 p 型半导体 故选 B B B B 6 硫化镉 CdS 晶体的禁带宽度为 2 42eV 要使这种晶体产生本征光电导 则入射到晶体 上的光的波长不能大于 普朗克常量h 6 63 10 34J s 基本电荷e 1 6 10 19C A 650nm 1n m 10 9 m B 628 nm C 550 nm D 514 nm 解 解 要使这种晶体产生本征光电导 则入射光子能量应大于等于晶体的禁带 宽度 即有e42 2 hc hvV m 10514 106 142 2 1831063 6 eV 42 2 9 19 834 hc 故入射到晶体上的光的波长不能大于 nm 514 故选 D D D D 7 激发本征半导体中传导电子的几种方法有 1 热激发 2 光激发 3 用三价元素掺 杂 4 用五价元素掺杂 对于纯锗和纯硅这类本征半导体 在上述方法中不能激发其传 导电子的有 A 1 B 2 C 3 D 4 解解 根据固体能带理论 用三价元素掺杂则其能级出现在半导体的禁带中靠近满带顶 且接授来自满带激发出的电子 故对于纯锗和纯硅这类本征半导体 在上述方法中不能 激发其传导电子的是 3 用三价元素掺杂 故选 C C C C 8 下述说法中 正确的有 A 本征半导体是电子与空穴两种载流子同时参与导电 而杂质半导体 n 或 p 型 只有一种载流子 电子或空穴 参与导电 所以 本征半导体导电性能比杂 质半导体好 B n 型半导体的导电性能优于 p 型半导体 因为 n 型半导体是负电子导电 p 型半导体是正离子导电 C n 型半导体中杂质原子所形成的局部能级靠近导带的底部 使局部能 级中多余的电子容易被激发跃迁到导带中去 大大提高了半导体导电性能 导带 空带 满带 禁带 g E w w w z h i n a n ch e co m D p 型半导体的导电机构完全决定于满带中空穴的运动 解解 根据固体能带理论中半导体的能带特征知 C 是正确的 故选 C C C C 9 激光全息照相技术主要是利用激光的哪一种优良特性 A 亮度性 B 方向性好 C 相干性好 D 抗电磁干扰能力强 解解 激光全息照相技术主要是利用激光的相干性好相干性好这一优良特性 故选 C C C C 10 按照原子的量子理论 原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光 它们所产生的 光的特点是 A 两个原子自发辐射的同频率的光是相干的 原子受激辐射的光与入射 光是不相干的 B 两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的 原子受激辐射的光与入 射光是相干的 C 两个原子自发辐射的同频率的光是相干的 原子受激辐射的光与入射 光是相干的 D 两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的 原子受激辐射的光与入 射光是不相干的 解解 按照原子的量子理论 原子自发辐射和受激辐射所产生的光特点是 B 故选 B B B B 二 填空题 二 填空题 1 根据量子力学理论 氢原子中电子的动量矩为 1 llL 当主量子数n 4 时 电子动量矩的可能取值为 解 解 当主量子数n 4 时 角量子数l可能取的值为 0 1 2 3 电子动量矩的可能取值为 l 0 时 L 0 l 1 时 L 2 l 2 时 L 6 l 3 时 L 12 2 根据泡利不相容原理 在主量子数n 4 的电子壳层上最多可能有的电子数为个 角动量量子数l可取值是 解 解 根据泡利不相容原理 当主量子数n 4 时 最多可能有的电子数为 32422 22 nN 其角量子数l可能取的值为0 1 2 3 3 已知T 0 K 时锗的禁带宽度为 0 78eV 则锗能吸收的辐射的最长波长是 m 普朗克常量h 6 63 10 34J s 1eV 1 60 10 19 J 解 解 设锗的禁带宽度为 g E 它能吸收辐射的最长波长为 m 则 g m E hc w w w z h i n a n ch e co m m 59 1 m 1059 1 1060 1 78 0 1031063 6 6 19 834 m g E hc 4 若在四价元素半导体中掺入五价元素原子 则可构成型 半导体 参与导电的多数载流子是 解 解 在四价元素中掺入五价元素后 五价元素的能级出现在四价元素的 禁带靠近四价元素的空带底 五价元素的电子容易进入四价元素的空带 五价元素的能级是施主能级 故可构成 n n n n型半导体 电子电子是参与导电的 多数载流子 能带关系图见右 5 本征半导体硅的禁带宽度是 1 14eV 它能吸收的辐射的最大波长是 普朗克常量h 6 63 10 34J s 1eV 1 60 10 19 J 解 解 由 g m E hc hv 得 6 19 834 m 1009 1 106 114 1 1031063 6 g E hc m 4 1009 1 6 若硅用锑 5 价元素 掺杂 则成为型半导体 请在所附的 能带图中定性画出定性画出施主能级或受主能级 解 解 硅为四价元素 掺入五价元素锑后 杂质锑的能级出现在硅的禁带 靠近硅的空带底 锑的电子容易进入硅的空带 杂质锑的能级是施主能 级从而电子成为多数载流子 故硅成为 n n n n型半导体 在禁带中形成施主 能级 施主 能级 答案见图 7 目前世界上激光器有数百种之多 如果按其工作物质的不同来划分 则可分为四大类 它们分别是 和 解 解 按其工作物质的不同来划分 它们分别是固体激光器 气体激光器 液体激光器和 半导体激光器 8 在下列给出的各种条件中 哪些是产生激光的条件 将其标号列下 1 自发辐射 2 受激辐射 3 粒子数反转 4 三能级系统 5 谐振腔 解 解 根据激光工作原理 产生激光的条件是 2 3 4 5 9 激光器中光学谐振腔的作用是 1 导带 空带 满带 禁带 施主能级 E 导带 空带 满带 禁带 g E 导带 空带 满带 禁带 施主能级 E w w w z h i n a n ch e co m 2 3 解 解 根据激光工作原理 激光器中光学谐振腔的作用是 1 产生与维持光的振荡 使光得到加强 2 使激光有极好的方向性 3 使激光的单色性好 10 按照原子的量子理论 原子可以通过 两种辐射 方式发光 而激光是由 方式产生的 解 解 按照原子的量子理论 原子可以通过自发辐射 受激辐射自发辐射 受激辐射两种辐射方式发光 而激 光是由受激辐射受激辐射方式产生的 w w w z h i n a n ch