Albert Einstein 1979 USSR Stamp.jpg
Харьцангуйн тусгай онол нь 1905 онд Альберт Эйнштейн өөрийн "Хөдөлж буй биеийн электродинамикт" ажилдаа дэвшүүлсэн инерциал тооллын систем дэхь хэмжилтийн тухай физик онол юм[1]. Энэ нь Галилейн харьцангуй зарчмын өргөтгөл бөгөөд тодруулбал механикаас эхлэн цахилгаан соронзонг оруулаад бүхий л физикийн хуулиудад бүх шулуун жигд хөдөлгөөн нь харьцангуй, өөрөөр хэлбэл абсолют буюу сайтар тодорхойлогдсон тайван төлөв гэж байдаггүй гэж сургадаг.
Цаашилбал Эйнштейн дан ганц харьцангуйн зарчмыг өргөтгөөд зогсохгүй нэгэн шинэ тулгуур зарчмыг (постулат) физикт оруулсан. Энэ хоёр дахь постулат нь бүх ажиглагчийн хувьд тэдгээрийн шулуун жигд хөдөлгөөнөөс үл хамааран гэрлийн хурдны тоон хэмжээ адил байна гэсэн постулат юм. [2]
Энэхүү онол нь нийтлэг төсөөлөлтэй зөрчилдсөн олон гайхамшигт үр дагаваруудыг авчирсан бөгөөд эдгээр нь бүгд туршилтаар нарийн батлагдсан юм. Харьцангуйн тусгай онолд уртын болон хугацааны интервалын хэмжилт нь ажиглагчийн хөдөлгөөнөөс хамаардаг гэдгээс улбаалан цаг хугацаа болон орон зайг нь өөрөөр харах боломжтой гэдэгээр Ньютоны абсолют орон зай болон цаг хугацааны ойлголтыг няцаасан юм. Энэ нь улмаар масс ба энергийн эквивалентийн томъёогоор (E = mc2, энд c нь вакуум дахь гэрлийн хурд) дамжуулан матери болон энерги нь хоорондоо эквивалент чанартай болохыг харуулдаг. Гэрлийн хурдтай харьцуулахад маш бага хурдтай үед харьцангуйн тусгай онол нь Ньютоны механиктай таардаг.
Онолыг "тусгай" гэж нэрлэсэн учир нь энэ онол нь харьцангуйн зарчмыг зөвхөн инерциал тооллын системүүдийн хувьд тунхагласанд байдаг. Эйнштейн дээрхи зарчмыг дурын тооллын системд оруулж өгсөн харьцангуйн ерөнхий онолыг мөн боловсруулсан юм. Энэ онолд гравитацын нөлөөллийг тооцсон байдаг. Гэхдээ ерөнхий онолд гравитацыг тайлбарладаггүй бөгөөд харин хурдатгалыг тайлбарласан байдаг.
Харьцангуйн тусгай онол нь тухайлбал бидний өдөр тутмын амьдрал дээр абсолют мэт төсөөлдөг цаг хугацааг харьцангуй ойлголт болгодог ч мөн бидний харьцангуй гэж бодож байсан зүйлсийг абсолют болгодог. Ялангуяа бие биетэйгээ харьцангуй хөдөлж буй ажиглагч нарын хувьд гэрлийн хурд тогтмол байдаг гэж тодорхойлдог. Харьцангуй онол нь c-г зөвхөн гэрэл хэмээх тодорхой үзэгдлийн хурд гэдэгийг харуулаад зогсохгүй бөгөөд чухамдаа энэ нь цаг хугацаа болон орон зай хоорондоо хэрхэн холбогддог тулгуур онцлог болохыг харуулдаг. Хамгийн гол нь харьцангуйн тусгай онол нь аливаа биет объект нь гэрлийн хурд хүртэл хурдсах боломжгүй гэж дүгнэдэг юм.
Үндэслэлүүд
Гол өгүүлэл: Харьцангуйн тусгай онолын үндэслэлүүд
* Нэгдүгээр үндэслэл - Харьцангуйн тусгай зарчим - Ямар ч инерциал тооллын системд бүх л физикийн хуулиуд адил байна. Өөрөөр хэлбэл ямар ч онцгой, өөр инерциал тооллын систем байдаггүй гэсэн үг.
* Хоёрдугаар үндэслэл - c-ийн тогтмол байх зарчим - Вакуум дахь гэрлийн хурд нь ертөнцийн тогтмол c бөгөөд гэрлийн хурд нь гэрэл үүсгэгчийн хөдөлгөөнөөс үл хамаарна.
Абсолют тооллын системийн үл оршихуй
Харьцангуйн зарчим ёсоор бол ямар ч хөдөлгөөнгүй тооллын систем гэж байдаггүй бөгөөд энэ зарчим нь Галилейн үеээс тоологдох ба Ньютоны физикт тусгалаа олсон байдаг. Гэсэн хэдий ч 19-р зууны сүүлээр цахилгаан соронзон долгион оршдог болох нь тогтоогдсон нь физикчидийг ертөнц эфир гэдэг бодисоор дүүрсэн гэсэн дүгнэлтийг дэвшүүлэхэд хүргэсэн. Энэ бодис нь тэдгээр долгионуудын зорчидог орчин болдог гэдэг байж. Эфирийг хурдны хэмжээг харьцуулан хэмжиж болох абсолют тооллын системд тооцож болно хэмээн үзэж байв. Өөрөөр хэлбэл эфир нь ертөнц дэхь цор ганц хөдөлгөөнгүй, бэхлэгдсэн зүйл гэсэн үг. Эфирийг зарим нэгэн гайхамшигт шинж чанаруудтай гэж үзэж байв. Тухайлбал эфир нь цахилгаан соронзон долгион тархах болон материтай долгион харилцан үйчлэх хангалттай харимхай бөгөөд түүгээр дамжин өнгөрөх биесэд ямар ч эсэргүүцэл үзүүлэхгүй гэх мэт. Микелсон-Морлигийн туршилтыг оруулан олон туршилтуудын үр дүн дэлхий нь эфиртэй харьцангуй үргэлж хөдөлгөөнгүй болохыг харуулж байсан бөгөөд үүнийг тайлбарлахад тун төвөгтэй байсан юм. Учир нь дэлхий нь нарыг тойрон эргэдэг билээ. Эйнштейний гоёмсог шийдэл нь харин эфир болон абсолюут тайван төлөвийн тухай ойлголтыг үл хэрэгсэхэд байсан юм. Харьцангуйн тусгай онолыг аливаа нэгэн тооллын системийг тусгайлан авч үзэлгүй харин нэгэн жигд шулуун хөдөлгөөнд оршиж буй аливаа тооллын системээс физикийн бүх л хуулиуд нь ижилхэн ажиглагдана хэмээн томъёолсон юм. Ялангуяа вакуум дахь гэрлийн хурдыг ямар ч өөр өөр (тогтмол) хурдтай олон тооллын системээс үргэлж c байна гэж хэмжинэ гэсэн дүгнэлт юм.
Үр дүнгүүд
Гол өгүүлэл: Харьцангуй тусгай онолын үр дүнгүүд
Эйнштейн хэлэхдээ харьцангуйн тусгай онолын үр дүнгүүд Лоренцын хувиргалтаас гарч ирдэг хэмээсэн байдаг.
Эдгээр хувиргалтуудын үр дүнд харьцангуйн тусгай онол нь харьцангуй хурд нь гэрлийн хурдтай харьцуулж болох үед ирхэд Ньютоны механикаас гарч болох үр дүнгүүдээс өөр физик үр дүнгүүдэд хүргэдэг.
Хагас дамжуулагч дан бодисууд олон талын үнэт шинж чанаруудтай болсон тэр нь орчин үеийн техникийн шаардлагыг бүрэн хангасан ч хараахан дутагдалтай байна. Ийм учраас шинжээч нар хагас дамжуулагч өөр бодисуудыг эрж хайхад хүрчээ. Цахиур, германи зэрэг хагас дамжуулагч элементүүд Менделеевийн үелэх системийн IV группд багтдаг. Гэтэл үелэх системийн III ба V группийн элементүүдийн хоорондоос үүсэх химийн нэгдлүүд талст торын байгуулалт ба химийн холбоосын байдлаараа IV группийн элементүүдтэй төстэй болохыг эрдэмтэд ажиглаж тэдгээр нэгдлүүд хагас дамжуулагч шинж чанартай байж болох юм гэсэн таамаглал хийжээ.
Үнэхээр 1950-аад оны үеэр Зөвлөлтийн ба бусад орны эрдэмтэд индийн антомонид буюу InSb гэдэг нэгдэл нь шинж чанарын хувьд германитай төстэй хагас дамжуулал болохыг нээжээ. Эндээс эх авч гагцхүү III ба V группээр зогсохгүй бусад олон төрлийн нэгдлүүд ч мөн хагас дамжуулагчуудыг ч үүсгэж чадна. Гагцхүү эдгээр нэгдлүүдийг гарган авах, цэвэрлэх асуудал төвөгтэй учир шийдэгдээгүй шахам байгаа юм. Одоо үед зөвхөн III ба V группийн элементүүдийн нэгдлийг судлаж практикт хэрэглэх болж байна. Энэ нэгдлүүдийг А III ба В V гэж тэмдэглэнэ.
Германи ба цахиурын нэг давуутай тал бол тэдгээрт гүн цэвэрлэгээ хийж бараг гажиггүй тортой талст болгож болдогт оршино. InSb нэгдэл цэврийн хувьд германи, цахиурт ойртон очжээ. Тиймээс ч энэ нэгдэл сайн судлагдаж техникт өргөн хэрэглэгдэх болсон юм. А III B Y нэгдлийн Е=0.17( InSb) 2.25 эв (GaP) хүрнэ. Эндээс харахад InSb –аар хийсэн багаж температур даахдаа том дутагдалтай нь илэрхий байна. A III B Y групп дотроос арсениц галли Ga As гэдэг нэгдлийг хамгийн ирээдүйтэй гэж үзэж судалгааг дэлхийн олон лаборатори , институтууд хийж байна. GaAs бол цахиурын адил их температурт хайлдаг атлаа цахиураас Е нь 1.5 дахин их, цэнэг, зөөгчийн хөдлөх чанар 3 дахин илүү юм. Тэгвэл GaAs багаж цахиураас их температур дааж чадахаас гадна өндөр давтамжийн багаж техникт ч хэрэглэж болно. GaAs ийм сайн чанартай авч дутагдал байдаг. P-тицийн GaAs –ийн үндсэн цэнэг зөөгчийн хөдлөх чадвар нь типийн германийхаас даруй 5 шахам дахин бага байдаг. Одоогийн байдлаар бүхий л талаараа германиас давуу хагас дамжуулагч материал гараагүй байна. Олон янзын хагас дамжуулагч бодисууд орчин үеийн техникийн шаардлагыг хамтын хүчээр хангаж байна гэж хэлж болно. Эцэст шингэн ба аморф хийгээд органик хагас дамжуулагчийн тухай цөөн үг бичье. Шингэн ба аморф биед харагдахуйц байгуулалтай кристалл тор байхгүй боловч тэдгээрийг бараг талст бүтэцтэй гэж үзэж түүндээ үндэслэн шингэн ба аморф хагас дамжуулагчийн онол зохиогджээ. Шингэн ба аморф биед жинхэнэ талстын адил атомуудын байршилд үелэгээр давтагдсан холын эрэмбэ байдаггүй боловч тэнд ойрын эрэмбэ хадгалагдаж байдаг. Ийм нөхцөлд байгаа зарим шингэн ба аморф бие талстад хагас дамжуулагч бодисын шинж чанарыг тодорхой хэмжээгээр агуулж байна. Иймэрхүү бодисыг шингэн ба аморф хагас дамжуулагч гэж нэрлэжээ. Олон тооны органик нэгдлүүд мөн хагас дамжуулагч шинжтэй ажээ. Жишээлэхэд цианин, хлорофил, фуксин зэрэг бодисыг дурдаж болно, синтезлэхдээ ба дулаан боловсруултыг тодорхой нөхцөлд хийвэл хагас дамжуулагч шинжтэй полимерыг гарган авч болдог. Зарим полимер бодис маш сайн механик шинж чанартай байдаг билээ. Тэгвэл хагас дамжуулагч полимерын тусламжтай гоц бэх бат, харимхай чанартай багаж хийх боломж нээгдэх юм.
Бодисын төлөв
Бодис нь эгэл хэсгийн цугларсан төлөвөөс нь хамааруулж хий, шингэн, хатуу гэсэн гурван төлөвт хуваагддаг.
Тогтмол байршилтай, эгэл хэсгийн хоорондын таталцлын хүч нь их.
Хөдөлгөөн хийх боломжтой, эгэл хэсгийн таталцлын хүч бий.
Чөлөөтэй нисэж, эгэл хэсгийн хоорондын зай их тиймээс хоорондын таталцлын хүчийг тооцохооргүй бага.
Хатуугаас шууд хийн төлөвт шилжих процессийг сублимаци гэнэ.
Төлөвийн өөрчлөлт ба энерги
- а. Хайлахын дулаан: бодисын 1 моль хайлах үед хэрэгцээтэй дулааны энерги.
- б. Ууршихын дулаан: бодисын 1 моль ууршихад хэрэгцээтэй дулааны энерги.
Бодисын хатуу төлөв байдал
Хатуу бодисын хувьд түүний жижиг хэсгүүд болох молекул, атом, ионуудын хоорондох зай маш бага учир тэдгээрийн харилцан үйлчлэл их байна. Хатуу биетүүд тодорхой хэлбэр дүрс, эзлэхүүнтэй байх бөгөөд тэдгээрийн жижиг хэсгүүд бие биесээс тодорхой зайд оршино. Эдгээр жижиг хэсгүүд чөлөөтэй урсан шилжихгүй зөвхөн эзэлсэн байр орчим хэлбэлзэх хөдөлгөөнд оршино. Хатуу биетийн орших хэлбэрийг талст ба аморф төлөв байдал гэж 2 хуваана. Бодис талст төлөв байдалд оршихдоо түүний жижиг хэсгүүд орон зайд тодорхой дэс дараалалтайгаар байрлан талст торыг үүсгэнэ. Талст бодисуудын онцлог шинж бол тодорхой температурт хайлна.
Мөн шингэн байдлаас тодорхой температурт царцана. Аморф төлөв байдалд байгаа бодисын жижиг хэсгүүдийн байрлал тодорхой эрэмбэ дараалалтай биш, эмх замбараагүй байна. Нэг бодис аморф ба талст төлөв байдлын аль ч хэлбэрээр байж болно. Талст оронт тор Талст бодис бүрийн талстууд тодорхой хэлбэр дүрстэй байна. Натрийн хлоридын талст шоо дөрвөлжин, калийн сульфатын талст ромбо хэлбэртэй, кальцийн нитратын талст зөв найман талт байх жишээтэй. Талст оронт торыг бүрдүүлж байгаа жижиг хэсгийн байдлаас нь хамаарч түүнийг ионы, атомын, молекулын ба металл оронт тор гэж хуваадаг. Металл оронт тор Металлын талст оронт торын зангилаанууд дээр уг металлын ион ба цахилгаан саармаг атомууд ээлжлэн байрлаж, тэдгээрийн завсараар электронууд чөлөөтэй шилжин байрлана. Энэ чанар бүх металлуудад ерөнхий ижил байх учир тэд цөм гялтга, уян харимхай, цахилгаан дулаан дамжуулах чанараар төстэй байна. Шүлтийн металлууд ба төмөр, хром зэрэг бусад металлууд голдоо төвтэй шоо дөрвөлжин, магни, цайр зэрэг металлууд зургаан талт гонзгой дөрвөлжин хэлбэрийн талст оронт тор үүсгэн царцана.
Эхлээд хагас дамжуулагчийн кристалл торын тухай цөөн зүйлийг дурдав. Металл бодис авч үзэхэд түүний дотор байх чөлөөт электроны тоо асар олон юм. Энд чөлөөт элетроны тоо атомын тоотой тэнцүү буюу түүнээс илүү байж болно. Нэг хос дөрвөлжин сантиметр металл дотор ойролцоогоор 1023 электрон байгаагаас металл доторхи электронуудын хоорондын үйлчэл нилээд хүчтэй байна. Эдгээр электронууд нийтдээ нийлж нэгэн ерөнхий систем үүсгэж уг системийн төлөв байдлаар метөллын механик. Оптик, соронзон ба цахилгааны эерэг шинж чанаруууд тодорхойлогдоно. Хагас дамжуулагч бодист бол чөлөөт электроны тоо атомынхаа тооноос олон мянга, сая дахин цөөхөн байх болохоор хоорондын зай нь атомуудын хоорондын зайнаас хэдэн арав, зуу дахин тавиу байдаг байна.
Энд цахилгаан дамжууллын гол шалтгаан болох электроны хөдөлгөөнд нөлөөлөх үндсэн нөхцөл нь их төлөв кристалл торын бүтцээр тодорхойлогдох ба электронуудын харилцан үйлчлэлийг анхаарахгүй байж ч болдог. Ингээд бодоход хагас дамжуулагч бодист чөлөөт электронуудын бүхэл системийн байдлыг үзэхээс гадна кристалл торын атомуудын дундуур хөдөлж байдаг электроны тус тусын төрх байдлыг ч ангилан ялгаж үзэх хэрэгтэй байдаг. Хагас дамжуулагчийн дулааны хөдөлгөөний дундаж энерги металлын чөлөөт электроны энергээс /5-10/ хэдэн зуу дахин бага байдаг. Байдал иймээс шалтгаалан хагас дамжуулагчийн доторхи электронуудын ойж сарних явдал атомын машстабын гэмтэл, гажгуудаас биш харин10-7-10-8 см хэмжээний том гажиг бүхий хэсгүүдээс үүсдэг байна. Хагас дамжуулагч доторхи электроны долгионы урт металлын электроны долгионы уртаас барагцаагаар 20 дахин илүү буюу 10-6 см хүрдэг учраас ийм байна. Хагас дамжуулагч дотор гол төлөв валент ба ион холбоонууд тохиолдоно. Хагас дамжуулагчийн шинж чанарууд нь түүний талст торын бүтэц, өөрөөр талст ямар сингонид хамаарах, симметр чанар зэргээс шууд хамаарна. Нэгэнт хагас дамжуулагчийн, тухайлбал цахилгаан дамжуулах чанар нь талстууд орсон атомуудын байр байдлаас хүчтэй хамаарах учир тэдгээрийн талст торын бүтцийг / торын параметрүүд, симметр чанар, кристаллографийн онцлог чиглэлүүд зэрэг / нягтлан тодорхойлохгүйгээр хагас дамжуулагчийг судалж болохгүй юм. Орчин үед талстын бүтцийг рентгонографи, электронографи, нейтронографи ба бусад аймгуудаар тодорхойлж байна. Хагас дамжуулагчийн шшнж чанарыг тодорхойлох чухал зүйлийн тоонд түүний талст торын ойрын ба алсын эрэмбэ гэдэг ойлголт орно. Талстад түүний кристаллографийн чиглэлүүдийн дагуу адил зай тутамд ижил атомууд тасралтгүй дахин дахин дайралдана. Иймэрхүү байрлалыг алсын эрэмбэ гэж нэрлэнэ. Алсын эрэмбийн дахин давтагдах зай буюу үе-хоёр, гурав, дөрвөн атомын үеийн хиртэй байна. Гэвч заримдаа арав буюу хэдэн арван үеийн зайтайгаар давтагдах нь ч байдаг.
Жишээлэхэд, цахиурын карбид дотор түүний бүтцийн бүхэл элементүүд 243 атомын үе өнгөрсний дараа давтагддаг ажээ. Металлын дотор бол ижил атомууд 3-7 ангестрем /1А0=10-8/ дутамд давтагдан дайралдана. Уурагт бодист бүтцийн ижил элементийн дахин дайралдах зай 1000А0 орчим байдаг. Ер нь талстын бүтэц хичнээн зөв байгуулалтай болох дутам алсын эрэмб улам хүчтэй болдог. Идеал талстад л идеал /100%/ алсын эрэмб байж болно. Реал талстын туушид нь шувт үргэлжилсэн алсын эрэмбэ ховор тохиолдоно. Их төлөв нэг алсын эрэмбэ 1000 орчим атом хоорондын зай хэмжээтэй үргэлжлээд дуусч дараа нь дахин эхлэх жишээтэй. Алсын эрэмбийг ойлгохдоо заавал ижил атомуудын дахин давтагдахыг хэлэх бишээ. Талст дотор олон атомаас тогтсон бүтцийн элемент дахин давтагдаж болдог. Үүнийг мөн алсын эрэмбэ гэж ойлгох хэрэгтэй. Одоо ойрын эрэмбэ авч үзье. Талст бодисыг хайлахад эзлэхүүн нь ойролцоогоор 3% ихэсдэг. Яагаад вэ? Хатуу байдалд байдаг бөмбөгүүдийн нягт өрөлт хайлахад сийрнэ. Ойр орчимдоо эрэмбэтэй атал холдох тутам ямар ч эрэмбэ журамгүй болсон байрлалыг ойрын эрэмбэ гэнэ. Ойрын ба холын эрэмбэ талстын шинж чанарт хүчтэй нөлөөлдөг. Жишээлэхэд холын эрэмбэтэй бол талст хатуу төлөвт, холын эрэмбээ алдаж зөвхөн ойрын эрэмбэтэй болбол шингэн төлөвт ордог. Хагас дамжуулагч болисын атом хоорондын зай нь байрлах байдал атомуудын хоорондын харилцан үйлчлэх хүчний хэмжээ, чиглэлтэй шууд холбоотой. Үүнээс хагас дамжуулагчийн энергийн төвшний бүтэц, хаалттай зонын өргөн шалтгаална. Тэгвэл хагас дамжуулагчийн чөлөөт электрон ба “ нүхийн “ тоо ойрын эрэмбээр тодорхойлогдоно гэсэн хэрэг. Хагас дамжуулагч талст дотор хоосон зангилгаа үүсэх хольц атом орох нь түүний шинж чанарт хүчтэй нөлөө үзүүлнэ гэж дээр дурдсан билээ. Эдгээр дефект нь хааш хаашаа 5-10 торын үетэй тэнцүү газарт гажиг үүсгэнэ. Торын 10 үе гэдэг маань 1000 эгэл шоо хамаарна. Ийм ч учраас 0.1% хольц гэхэд талстын шинж чанарыг үндсээр өөрчлөхөд хүрэлцээтэй юм. Ингээд бодоход өчүүхэн төдий боловч хольц нь хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанарт хичнээн нөлөөтэй гэдэг нь тодорхой байна. Ийм учраас хагас дамжуулагч бодисыг маш цэвэр байдалтай гарган авах асуудал хичнээн учир холбогдолтойг хэлэх юун. Хэт цэвэр хагас дамжуулагч гарган авах явдал орчин үеийн аналитик химид урьд өмнө байгаагүй нарийн шаардлагыг тавих боллоо. Хагас дамжуулагчийн асар цэвэр талстыг гарган авах хэрэгт физикийн аргуудыг хэрэглэсэн явдал ихээхэн том амжилтанд хүргэлээ. Ийм аргын тоонд юуны өмнө зонын хайлалт орох болжээ.
