Вестник ТГПУ им Л.Н. Толстого №4 2007

МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ № 4 , 2007 физических теорий. Это способствует формированию системы научных знаний и пред­ ставлений о физической картине мира. Тем не менее бурное развитие физической науки и ее практических приложений в течение последних десятилетий не позволяют нам оставлять без изменений как саму школьную программу, так и ее наполнение современным содержанием. В обязательном минимуме содержания основных образовательных программ, напри­ мер по курсу электричества, предусмотрено изучение полупроводников. Но в связи с тем, что авторы не включают в рассмотрение зонную теорию твердого тела, подход к изучению вопросов, связанных с полупроводниками, оказывается недостаточно полным и не дает возможности изучить важные свойства полупроводников. Итак, необходимость введения элементов зонной теории и рассмотрения на этом уров­ не свойств твердых тел (в частности, такого их свойства, как электропроводность) очевид­ на. Но чтобы это сделать нужно максимально адаптировать квантовую теорию твердого тела до уровня, на котором старшеклассник способен понять, например, строение атома, образование молекулы и кристалла и в конце концов - зонную теорию, которая и объясняет электрические, оптические и другие свойства твердого вещества. Решению этой проблемы и посвящена данная статья, в которой пойдет разговор именно о физике твердого тела, на­ учные результаты которой уже имеют важное практическое значение. Но преподавание зонной теории имеет ряд особенностей, связанных с определением места этого раздела в школьном курсе физики и спецификой изучаемого в нем материала. Для усвоения зонной теории твердого тела необходимо опираться на ранее получен­ ные знания. Некоторую базу в этом плане представляет учебник «Физика-11» под редак­ цией А. А. Пинского (М.: Просвещение, 2000), которому отдают предпочтение, как пра­ вило, в классах с углубленным изучением физики. Перед изучением элементов зонной теории твердого тела целесообразно повторить сведения о строении атома, которые учащиеся получили в базовом курсе физики и при изучении химии; вспомнить классификацию веществ по отношению их к электричеству в классическом представлении, согласно которой все вещества разделили на три основ­ ных типа (проводники, полупроводники и диэлектрики), взяв за критерий удельное электрическое сопротивление. Но ввиду того, что значения удельного сопротивления разных классов веществ перекрываются (проводник - КГ6- КГ4Ом • см, полупроводник -КГ4- ! О12Ом • см, диэлектрик -1010Ом ■см и выше), абсолютно точно квалифициро­ вать вещества по этому критерию нельзя. Для того чтобы ввести элементы зонной теории в школьный курс, целесообразно на­ чать с квантовой теории строения простейшего атома - водорода. В центре его находится ядро (протон), масса которого почти в 2000 раз больше массы электрона. Потенциальная энергия электрона с учетом его заряда е и расстояния от протона г определяется соотно­ шением (рис. 1): U ке( -, где к =4ле0 , е0- диэлек­ трическая постоянная. При г = гБ (радиус Бора) электрон удерживается кулоновскими силами и фак­ тически находится в потенциальной яме с энергией Е < 0, вращаясь по замкнутой траектории, которая определяется полу- квантовой теорией Бора (волновые свойст­ ва электрона не учитываются). Решение квантового уравнения Шре- дингера, где учитываются волновые свой­ ства электрона, дает практически тот же результат (рис. 1):