ЕН.Ф.7.Физика_ОптикаКвантоваяАтомная+

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Мурманский государственный гуманитарный университет»
(МГГУ)
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
ЕН.Ф.7 ФИЗИКА: ОПТИКА; КВАНТОВАЯ ФИЗИКА; ФИЗИКА
АТОМНОГО ЯДРА
(ШИФР ДИСЦИПЛИНЫ И ЕЕ НАЗВАНИЕ В СТРОГОМСООТВЕТСТВИИ С ГОСУДАРСТВЕННЫМ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫМСТАНДАРТОМ И УЧЕБНЫМ ПЛАНОМ)
ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТА
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ(специальностям)
050202
Информатика с дополнительной специальностью «Системный администратор
учебных компьютерных сетей»
(код и наименование специальности/тей)
Утверждено на заседании кафедры
Физики и МОФ
Физико-математического факультета
(протокол №___от_________2011 г.)
Зав.кафедрой
____________________ В.С.Шолохов
РАЗДЕЛ 1. Программа учебной дисциплины.
1.1.Автор программы: к.п.н., доц. Коновалова И.П.
1.2.Рецензенты: к.ф.н., доц., Никонов О.А., к.ф.-м.н., доц. Шолохов В.С.
1.3.Пояснительная записка:
 Цель: курс общей физики в педагогическом институте является профилирующим курсом
для будущего учителя физики или учителя информатики с дополнительной
специальностью физика в средней школе, в нем органически сочетаются вопросы
классической и современной физики, четко определяются границы, в пределах которых
справедливы те или иные физические концепции, модели, теории. Курс общей физики
формирует у студентов представление о физике как науке, имеющей экспериментальную
основу, знакомит с историей важнейших физических открытий и возникновением теорий,
идей, понятий.
Цель изучения дисциплины – обеспечение фундаментальной физической подготовки,
позволяющей будущим специалистам ориентироваться в научно-технической информации,
использовать физические принципы и законы, а также результаты физических открытий в тех
областях техники, в которых они будут трудиться. Изучение дисциплины
должно
способствовать формированию у студентов основ научного мышления, в том числе:
пониманию границ применимости физических понятий и теорий; умению оценивать степень
достоверности результатов теоретических и экспериментальных исследований; умению
планировать физический и технический эксперимент и обрабатывать его результаты с
использованием методов теории размерности, теории подобия и математической статистики.
Изучение дисциплины на лабораторных и практических занятиях будет знакомить студентов с
техникой современного физического эксперимента, студенты научатся работать с
современными средствами измерений и научной аппаратурой, а также использовать средства
компьютерной техники при расчетах и обработке экспериментальных данных. Студенты
научатся постановке и выбору алгоритмов решения конкретных задач из различных областей
физики, приобретут начальные навыки для самостоятельного овладения новыми методами и
теориями, необходимыми в практической деятельности современного инженера.
На практических занятиях студенты закрепляют и конкретизируют полученные теоретические
знания путем решения прикладных качественных и количественных задач, получают навыки
моделирования процессов и явлений.
На лабораторных занятиях студенты приобретают навыки в проведении измерений и
физических экспериментов.

Задачи: важнейшей задачей курса общей физики является формирование у студентов
определенной суммы знаний, правильного мировоззрения, мышления и умения творчески
пользоваться диалектическим методом. Изучение физики должно помочь студенту
овладеть системой умений и навыков, позволяющих передать полученные знания
школьникам. Также, в целях осуществления политехнической подготовки будущих
учителей физики в курсе необходимо раскрыть взаимосвязь физики и техники, показать
применений физических законов в производстве.
 Место курса в общей системе подготовки специалиста:
ЕН.Ф. Физика
 Требования к уровню освоения содержания дисциплины:
должны знать: основные экспериментальные опыты, их авторов; основные понятия физики,
определения, явления, законы и формулы, которыми они описываются; принципы действия
различных приборов, механизмов, их устройство.

должны уметь: использовать полученные знания для объяснения явлений природы,
действия различных механизмов, приборов, устройств, применяемых на производстве, в
технике, и, особенно, в быту, в физическом кабинете; решать различные практические и
теоретические задачи, делать простые расчеты цепей; ремонтировать приборы и
устройства, применяемые в быту и физическом кабинете, конструировать и создавать
новые приборы, схемы и т.п.
 Основными результатами изучения дисциплины должны являться:
Усвоение студентами системы знаний, включающей в себя описание физических явлений,
важнейшие законы движения материи, физические теории и фундаментальные опытные факты.
Приобретение студентом умений и навыков практического применения усвоенных им физических
явлений.
Развитие умения наблюдать физические явления, выделять существенные и отбрасывать
несущественные факторы, устанавливать качественные и количественные связи между разными
сторонами физических явлений, применять полученные знания для анализа новых явлений,
предвидеть следствия, вытекающие из физических теорий.
Формирование культуры умственного труда, овладение навыками использования современных
средств измерений и обработки получаемой информации.
 Ссылки на авторов и программы, которые использовались в подготовке.
Примерная программа дисциплины "Физика": Мерзляков В. П., кандидат физ.-мат. наук,
доцент.2001г, Программа обсуждена и одобрена на заседании учебно-методического совета по
направлению 540100 Естественнонаучное образование Учебно-методического объединения по
направлениям педагогического образования на базе РГПУ им. А.И. Герцена
Программа «Физика»: Седов А.Н., доцент МЭИ (ТУ); Иванов Д.А., доцент МЭИ (ТУ).
Гладун А.Д. - профессор Московского физико-технического института (государственного
университета)
Колоколов А.А.- доцент Московского государственного технологического университета.
Суханов А.Д. - профессор Российского университета дружбы народов
Уханов Ю.И. - профессор Санкт-Петербургского государственного технического
университета
1.4.Извлечение из ГОС ВПО специальности (направления), включающее требования к
обязательному минимуму содержания дисциплины и общее количество часов (выписка).
050202
Информатика
ЕН.Ф.2.2
Физика
Оптика; атомная и ядерная физика; электричество и
магнетизм;
144
1.5. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
(для всех специальностей, на которых читается данная дисциплина)
Трудоемкость
Всего аудит.
ЛК
ПР/СМ
ЛБ
Сам. раб.
Вид итогового
контроля (форма
отчетности)
050202 Информатика со специализацией
«Системный
администратор
учебных
Семестр
Шифр и наименование
специальности
Курс
Виды учебной работы
3
6
84
42
20
8
14
74
экзамен
компьютерных сетей»
1.6. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ:
1.6.1. Разделы дисциплины и виды занятий (в часах). Примерное распределение учебного времени
№ Наименование раздела, темы
Количество часов
Вариант 1
Вариант 2
п/п
8
9
10
11
12
ИТОГО:
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
4
5
4
4
5
2
1
2
5
4
5
3
4
2
2
2
2
1
1
1
2
1
1
4
5
5
4
3
2
1
5
42
20
14
74
1
8
Сам.
раб
ЛБ
ПР/СМ
ЛК
Всего
аудит.
5
(заочная форма
обучения)
Сам
раб.
1
1
2
1
1
2
ЛБ
2
3
4
3
3
3
ПР/СМ
ЛК
1.
2.
3.
4.
5.
6
7
Оптика
Исторический обзор развития учения о свете
Фотометрия
Интерференция света. Дифракция света
Геометрическая оптика
Поляризация света
Дисперсия и поглощение света
Экспериментальные основания теории
относительности. Скорость света и ее
измерения. Постулаты А. Эйнштейна.
Атомная и ядерная физика
Квантовые свойства излучения
Волновые свойства микрочастиц
Физика атомов и молекул
Физика атомного ядра
Физика
элементарных
частиц.
Фундаментальные взаимодействия
Всего
аудит.
(очная форма обучения)
1.6.2. Содержание разделов дисциплины
ФИЗИКА:
ОПТИКА
Введение. Предмет оптики. Краткий исторический обзор развития учения о свете.
Электромагнитная природа света. Источники и приемники света. Основные энергетические и
световые величины. Фотометрия.
Интерференция света. Явление интерференции. Понятие о когерентности. Временная и
пространственная когерентность. Методы наблюдения интерференции в оптике. Двухлучевые
интерференционные схемы. Интерференция в тонких пленках. Многолучевая интерференция.
Интерферометры. Интерференционные фильтры. Просветление линз.
Дифракция света. Явление дифракции. Принцип Гюйгенса—Френеля. Зоны Френеля. Дифракция
Френеля и Фраунгофера.
Объяснение прямолинейности распространения света по волновой теории. Зонная пластинка.
Дифракция Френеля на круглом отверстии, на круглом экране, на краю полубесконечного экрана.
Дифракция Фраунгофера на щели. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей.
Формула Вульфа—Брэгга. Дифракция на ультразвуковых стоячих волнах. Понятие о голографии.
Геометрическая оптика. Геометрическая оптика как предельный случай волновой оптики.
Принцип Ферма. Законы отражения и преломления света. Полное отражение. Волоконная оптика.
Зеркала. Призмы. Тонкие линзы. Формула линзы. Оптическая сила линзы. Аберрации линз.
Глаз как оптическая система. Оптические приборы. Лупа, микроскоп, телескоп, фотоаппарат,
проекционные аппараты.
Дифракционная природа изображения.
Разрешающая способность оптических приборов.
Поляризация света. Поляризованный и неполяризованный свет. Линейная, эллиптическая и
круговая поляризация. Поляризаторы и анализаторы. Закон Малюса. Поляризация света при
отражении от диэлектрика. Угол Брюстера. Поляризация света при двойном лучепреломлении.
Дихроизм. Пластинки λ/4 и λ/2. Интерференция линейно-поляризованных волн. Искусственная
анизотропия. Фотоупругий эффект, эффект Керра.
Вращение плоскости поляризации. Поляризационные приборы и их применение.
Дисперсия, поглощение и рассеяние света. Нормальная дисперсия. Аномальная дисперсия.
Коэффициент поглощения. Электронная теория дисперсии и поглощения света. Фазовая и
групповая скорости. Эффект
Вавилова — Черенкова.
Спектры испускания и поглощения. Спектрометры. Спектральный анализ. Цвета тел. Радуга.
Понятие о нелинейной оптике.
Явление рассеяния света. Закон Рэлея. Поляризация рассеянного света. Цвета неба и зорь.
Релятивистские эффекты в оптике. Скорость света. Классические опыты по измерению скорости
света. Опыты по распространению света в движущихся средах: опыты Физо и Майкельсона. Экспериментальные основания СТО. Эффект Доплера в оптике. Аберрация света. Современные
методы измерения скорости света.
Атомная и ядерная физика
Элементы атомной и ядерной физики. Постулаты Бора. Атомное ядро, его состав и
характеристики. Изотопы. Взаимодействие нуклонов. Понятие о ядерных силах.
Несостоятельность протонно-электронной теории ядра. Протонно-нейтронная модель ядра.
Энергия связи ядра. Дефект массы. Естественная радиоактивность. Физические основы ядерной и
термоядерной энергетики. Элементарные частицы. Ускорители, методы получения и регистрации
элементарных частиц. Квантовые свойства излучения. Предмет квантовой физики. Тепловое
излучение. Фотоэлектрический эффект. Рентгеновское излучение. Давление света. Эффект
Комптона. Волновые свойства микрочастиц. Гипотеза де Бройля. Соотношение
неопределенностей Гейзенберга. Волновая функция и ее физический смысл. Уравнение
Шредингера. Операторы физических величин. Квантовые числа. Принцип Паули. Периодический
закон Менделеева.Физика атомов и молекул. Понятие атома. Модели Томсона, Резерфорда.
Модель атома Бора. Спектральные серии. Квантово-механическая модель атома. Вырожденные
состояния. Молекулярные спектры. Квантово-механическое строение молекул.
Физика атомного ядра. Состав и строение ядра. Ядерные силы. Энергия связи. Деление ядер.
Ядерные реакции. Цепная и термоядерная реакции. Атомная энергетика.
Физика элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия. Свойства и классификация
элементарных частиц.
1.6.3. Темы для самостоятельного изучения.
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины.
ОПТИКА
Форма самостоятельной
работы
Кол-во
часов
Форма контроля
выполнения
самостоятельной работы
75
1
2
3
Фотометрия.
Интерференция света.
Дифракция света
- тематические
контрольные работы,
собеседование при
12
12
12
проверка
контрольных работ,
их
анализ
перед
Геометрическая оптика.
Поляризация света.
Дисперсия, поглощение и
рассеяние света.
Понятие о нелинейной оптике.
Релятивистские эффекты в оптике.
4
5
6
7
8
№
п/п
защите лабораторных
работ
Наименование раздела
дисциплины.
Кватовая физика; физика атомного
ядра
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Энергия, импульс и масса фотона
Фотоэффект
Давление света
Тормозное рентгеновское излучение
Эффект Комптона
Тепловое излучение
Волны де Бройля
Принцип неопределенности Гейзенберга
Уравнение Шредингера
Закон Мозли
Модель атома Резерфорда – Бора
Строение ядра
Закон радиоактивного распада
Ядерные реакции
Элементарные частицы
12
8
8
6
5
Форма
самостоятельной
работы
- рефераты
Кол-во
часов
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
аудиторий,
собеседование
по
лабораторным
работам
в
целях
контроля знаний
Форма контроля
выполнения
самостоятельно
й работы
- защита
рефератов
1.5.Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.
1.5.1. Тематика и планы аудиторной работы студентов по изученному материалу (планы
последовательного проведения занятий: ПР, СМ, ЛБ) по предлагаемой схеме:
№
ПР
1
2
3
5
6
7
8
Наименование и содержание практических занятий (ПР)
Оптика.
Фотометрия.
Интерференция света.
Дифракция света
Геометрическая оптика. Отражение света. Преломление света. Линзы и
оптические системы. Оптические приборы.
Поляризация света
Дисперсия и поглощение света. Рассеяние света.
Релятивистские эффекты в оптике.
№
ПР
1
2
3
4
5
6
Наименование и содержание практических занятий (ПР)
Квантовая физика; физика атомного ядра
Квантовые свойства излучения. Энергия, импульс и масса фотона.
Фотоэффект. Давление света. Тормозное рентгеновское излучение. Эффект
Комптона. Тепловое излучение.
Волновые свойства вещества. Волны де Бройля. Принцип неопределенности
Гейзенберга. Уравнение Шредингера. Закон Мозли.
Модель атома Резерфорда-Бора.
Квантовые явления в твердых телах.
Физика атомного ядра. Строение ядра. Закон радиоактивного распада.
Ядерные реакции.
Элементарные частицы.
Тематика теоретических семинаров:
(Самостоятельная аудиторная работа студентов над теоретическим курсом под руководством
преподавателя):
IV. Квантовая физика
1. Экспериментальные основы квантовой механики: фотоэффект, опыт Франка и Герца,
энергетический спектр атома водорода.
2. Основные характеристики фотонов. Эффект Комптона.
3. Гипотеза де Бройля. Опыт Дэвиссона и Джермена. Дифракция микрочастиц.
4. Уравнение Шредингера. Стационарные состояния частицы.
5. Соотношение неопределенностей.
6. Туннельный эффект.
7. Гармонический осциллятор в квантовой механике.
8. Поглощение и испускание света атомами.
9. Характеристики лазерного излучения.
10. Модель свободных электронов кристалла.
11. Электропроводность полупроводников.
12. Энергетика ядерных реакций.
Тематика лабораторных работ:
1. Оптика
1. Определение фокусного расстояния собирательной и рассеивающей линз”.
2. “Определение показателей преломления жидкостей с помощью рефрактометров Аббе и
РЛ”.
3. «Изучение оптических приборов (микроскоп)»
4. “Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки”.
5. «Градуировка спектроскопа»
6. “Определение радиуса кривизны линзы при помощи колец Ньютона”
7. «Изучение законов поляризации света»
8. Определение длены волны лазерного излучения с помощью бипризмы Френеля.
9. Определение длины волны света с помощью колец Ньютона.
10. Изучение дифракции Фраунгофера на щели.
11. Изучение дифракционной решетки.
12. Изучение поляризованного света.
13. Определение показателя преломления стекла интерференционным методом.
14. Определение показателя преломления и дисперсии стеклянной призмы.
15. Изучение призменного монохроматора.
16. Изучение пространственной когерентности лазерного излучения.
17. Изучение малых деформаций и измерение показателя преломления с помощью
интерферометра Майкельсона.
1. уров»
Ш. Атомная и ядерная физика
1. «Определение истинных температур и световой отдачи источников света с помощью
пирометра ЛОП-72»
2. «Исследование спектральных характеристик различных фотоэлементов с помощью
монохроматора МУМ»
3. «Определение постоянной Планка методом запирающего напряжения»
4. «Определение постоянной Ридберга по линиям водорода с помощью монохроматора УМ2»
План-тематика лабораторных работ «Оптика»
Лабораторная работа №1 “Определение фокусного расстояния собирательной и рассеивающей линз”.
Лабораторная работа №
2 “Определение показателей преломления жидкостей с помощью
рефрактометров Аббе и РЛ”.
Лабораторная работа № 3 «Изучение оптических приборов (микроскоп)»
Лабораторная работа № 4 “Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки”.
Лабораторная работа № 6 «Градуировка спектроскопа»
Лабораторная работа № 8 “Определение радиуса кривизны линзы при помощи колец Ньютона”
Лабораторная работа № 9 «Изучение законов поляризации света»
План-тематика лабораторных работ «Квантовая физика; физика атомного ядра»
Лабораторная работа № 1 «Определение истинных температур и световой отдачи источников света с
помощью пирометра ЛОП-72»
Лабораторная работа № 2 «Исследование спектральных характеристик различных фотоэлементов с
помощью монохроматора МУМ»
Лабораторная работа № 3 «Определение постоянной Планка методом запирающего напряжения»
Лабораторная работа № 4 «Определение постоянной Ридберга по линиям водорода с помощью
монохроматора УМ-2»
1.6.Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
1.6.1. Рекомендуемая литература:
 основная:
1. Пинский А.А. Физика : [учебник для студ. учреждений сред. проф. образования] / Пинский
А. А., Граковский Г. Ю. ; под общ. ред. Ю. И. Дика, Н. С. Пурышевой. - 3-е изд., испр. - М.
: ФОРУМ, 2012. - 559 с.
2. Трофимова Т.И. Курс физики. Задачи и решения : [учеб. пособие для студ., обуч. по техн.
направл. и спец.] / Трофимова Т. И., Фирсов А. В. - 4-е изд., испр. - М. : Академия, 2011. 590, [1] с.
3. Трофимова Т.И. Основы физики. Электродинамика : [учеб. пособие для студ. вузов, обуч.
по инженерно-техн. спец.] / Трофимова Т. И. - М. : КноРус, 2011. - 269, [1] с.
4. Трофимова Т.И. Основы физики. Атом, атомное ядро и элементарные частицы : [учеб.
пособие для студ. вузов, обуч. по инженерно-техн. спец.] / Трофимова Т. И. - М. : КноРус,
2011. - 213, [1] с.
5. Трофимова Т.И. Физика : справочник с примерами решения задач / Трофимова Т. И. - М. :
Юрайт, 2010 ; Высшее образование. - 447 с.
6. Савельев И.В. Курс общей физики, т.т.1-5. – М.: Наука, 1998.
7. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.:Высшая школа, 1989. – 608 с.
8. Иванов Д.А., Иванова И.В., Седов А.Н., Славов А.В. Курс общей физики. Механика.
Молекулярная физика и термодинамика. Конспект лекций. – М.: Изд-во МЭИ, 2000. – 180
9. Э.Б. Абражевич, В.М.Белокопытов, И.В.Иванова и др. Сборник задач по общей физике.
Под ред. В.М.Белокопытова. – М.: Изд-во МЭИ, 1999. – 374 с.
10. Савельев И.В. Сборник задач и вопросов по общей физике. – М.: Наука, 1988. – 288
11. Ландсберг Г.С. Оптика.
12. Корсунский М.И. Оптика, атомная и ядерная физика.
13. Савельев И.С. Курс общей физики. Часть 3.
14. Королев Ф.А. Оптика, атомная и ядерная физика.
 дополнительная:
1. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.т. 1-5. – М.: Наука, 1999.
2. Болотина К.С. и др. Метрологические основы теплофизических экспериментов. – М.: Издво МЭИ, 1986. – 64 с.
3. Щербаков П.П. и др. Лабораторные работы по курсу “Физика”. Механика и молекулярная
физика. – М.: Изд-во МЭИ, 1987. – 140 с.
4. Тимошин М.Г. и др. Лабораторные работы по курсу “Физика”. Электромагнетизм. – М.:
Изд-во МЭИ, 2000. – 140 с.
5. Болотина К.С. и др. Лабораторный практикум по курсу “Физика”. Оптика. Атомная физика.
– М.: Изд-во МЭИ, 1996. – 176 с.
6. Ландсберг Г.С. Элементарный курс физики, ч.3.
7. Школьный учебник физики.
8. Матвеев. Оптика.
9. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики, ч.3.
10. Данилова В.Ф. Физика. – М., 1999.
11. Геворкян Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики. – М., 1966 и поздние издания.
12. Ремизов А.Н. Курс физики, электроники и кибернетики. – М., 1982.
13. Матвеев А.П. Механика и теория относительности. – М., 1976 и поздние издания.
14. Гершензон А.М., Махов П.П. Курс общей физики. – М., 1979.
15. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М., 1999.
16. Китайгородский А.И. Введение в физику. – М., 1973.
17. Волькенштейн В.С. Сборник задач по курсу общей физики. – М., 1990.
18. Ремизов А.Н., Исакова Н.Х., Максина А.Г. Сборник задач по медицинской и биологической
физике. – М., 1987.
19. Кемпфер Ф. Путь в современную физику. – М., 1972.
20. Уокер Дж. Физический фейерверк. – М., 1979.
http://ferro.phys.msu.ru/study/estestv/kuprianov.html
ЭБС «Университетская библиотека он-лайн»
1. Айзенцон А.Е. Курс физики: Учеб. пособие/А.Е.Айзенцон. – М.: Абрис, 2012. – 374 с.
2. Калашников Н.П. Основы физики. В 2 т.: учеб. для вузов / Н.П. Калашников, М.А.
Смондырев. – 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2007. – Т.1. – 398 с.
3. Калашников Н.П. Основы физики. В 2 т.: учеб. для вузов / Н.П. Калашников, М.А.
Смондырев. – 2-е изд., перераб. – М.: Дрофа, 2004. – Т.2. – 432 с.
4. Курбачев Ю.Ф. Физика: учебное пособие / Ю.Ф.Курбачев. – М.: Изд. центр ЕАОИ, 2011. –
216 с.
5. Никеров В.А. Физика. Современный курс: Учебник / В.А.Никеров. – М.: Издательскоторговая корпорация «Дашков и Ко», 2012. – 452 с.
1.7.Материально-техническое обеспечение дисциплины:
7. Оптические явления в природе, 1ч., цв., 1976.
8. Полное внутреннее отражение, 1ч., цв., 1977.
9. Интерференция света, 2ч., цв., 1977.
10. Основы голографии, 2ч., цв., 1978.
11. Линза, 1ч., ч/б, 1979.
12. Отражение и преломление света, 1ч., ч/б, 1979.
13. Дифракция света, 2ч., цв., 1980.
14. Дисперсия света и рассеяние, 2ч., цв., 1980.
15. Лазеры, 3ч., цв., 1982.
16. Методы регистрации быстропротекающих физических процессов, 2ч., ч/б, 1983.
17. Двойное лучепреломление, 2ч., цв., 1984.
18. Вращение плоскости поляризации, 1ч., ч/б, 1986.
19. Визуализация инфракрасного излучения, 2ч., ч/б, 1987.
20. Нелинейная оптика, 2ч., цв., 1988.
IV. Квантовая физика
1. Фотоэффект, 1ч., цв., 1976.
2. Опыты Франка и Герца, 1ч., ч/б, 1976.
3. Опыты Штерна и Герлаха, 1ч., цв., 1976.
4. Эффект Мессбауэра, 2ч., 1978.
5. Физические основы квантовой теории, 3ч., цв., 1980.
6. Элементарные частицы,2ч., ч/б, 1984.
7. Взаимодействие элементарных частиц, 2ч., ч/б, 1984.
8. Тепловое излучение 2ч., ч/б, 1984.
9. Туннельный эффект, 2ч., цв., 1968.
1.8.Примерные зачетные тестовые задания.
1.9.Примерный перечень вопросов к зачету (экзамену).
Оптика.
1. Поляризаторы и анализаторы. Закон Малюса. Рассмотреть разные случаи: источник света естественный или лазер.
2. Принципы, способы просветления линз, определение минимальных толщин просветляющих
линз.
3. Нормальная и аномальная дисперсия, поглощение света, электронная теория этих явлений.
4. Поляриметры - сахариметры: их назначение, устройство, действие, расчетные формулы.
5. Рассеивание света неоднородными (мутными) средами. Микро- и макроскопические
неоднородности. Закономерности рассеивания, законы Релея, Бугера-Ламберта.
6. Интерферометрический контроль качества поверхностей оптических деталей: схема установки,
возможные варианты интерферометрических картин, ее анализ, выводы.
7. Явление интерференции, ее проявления. Понятие о когерентности. Оптическая и
геометрическая разность хода, условия максимума и минимума.
8. Астрономические опыты по измерению скорости света: опыт Ремера, звездной аберрации, их
схемы, объяснение результатов, описание.
9. Интерференция света в тонких пленках в отраженном свете: ход лучей, подсчет разности хода,
условия максимума и минимума.
10.Земные методы определения скорости света: опыт Физо (или аналогичные), его схема,
описание принципа, расчетная формула.
11.Интерференция света в тонких пленках в проходящем свете: ход лучей, подсчет разности хода,
условия максимума и минимума.
12.Фундаментальные опыты СТО (экспериментальные основания СТО): опыты Физо и
Майкельсона, цель опытов, схема их осуществления, результаты и выводы.
13.Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля, свет за прозрачной
преградой, границы применимости закона прямолинейного распространения света. Зонная
пластинка Соре.
14.Поляризационные приборы: виды, используемые принципы, устройство, действие.
15.Дифракция Фраунгофера на щели: схема установки, разность хода, подсчет зон Френеля,
условия максимума и минимума.
16.Спектральные приборы: их принципы, схемы, вид даваемых спектров, их характеристики
(дисперсия, разрешающая способность), чем они определяются.
17.Современные представления о свете, его свойства. Основные энергетические и световые
величины, единицы их измерения.
18.Метод фотоупругости (интерференция поляризованных волн): схемы осуществления,
происходящие явления, наблюдаемая картина, где применяется.
19.Дифракция Фраунгофера от многих щелей. Дифракционная решетка. Получение
дифракционной картины (схема), подсчет разности хода, условия максимума и минимума.
20.Рефрактометры - приборы для измерения показателей преломления: принципы работы,
конкретная схема, действие.
21.Поляризация света при отражении и преломлении света. Закон Брюстера. “Бьющие” и
“скользящие ” колебания. Стопа Столетова.
22.Оптические инструменты: лупа, микроскоп, телескоп Галилея, труба Кеплера, их оптические
схемы, особенности схем, увеличение даваемое ими.
23.Интерференционные полосы (линии) равной толщины и наклона: в чем отличия, как
осуществляются (схемы).
24.Зеркала: плоские, вогнутые, выпуклые, их свойства и константы, построение изображений,
даваемых зеркалами во всевозможных случаях (4-5 случаев).
25.Дифракционные явления Френеля: на краю экрана, на круглом отверстии, на диске и т.п.
26.Тонкие линзы: виды, свойства, константы, роль окружающей среды, построение изображений,
получаемых с помощью линз во всевозможных случаях и средах (4-5 рисунков), их формулы.
27.Прибор Ньютона: устройство, ход лучей, подсчет разности хода, условия максимума и
минимума, различие картин в отражении и проходящем свете , требования к качеству
оптических деталей.
28.Понятие о голографии: особенности ее по сравнению с фотографией, схемы получения
голограммы и ее восстановления, свойства голограммы, ее применение.
29.Геометрическая оптика как предельный случай волновой. Законы отражения света,
преломления света, явление полного внутреннего отражения и обратное, полный конус
преломления, применение. Волоконная оптика.
30.Многолучевая интерференция: интерферометры Фабри-Перо, Люммера-Герке или
аналогичные, их схемы.
31.Поляризованный и неполяризованный свет. Линейная, круговая, эллиптическая поляризация.
Поляризация света при двойном лучепреломлении.
32.Методы наблюдения интерференции света: зеркала Френеля, опыт Юнга, зеркало Ллойда, опыт
Линнка, бипризма Френеля и др., их схемы, объяснение.
33.Интерференция линейно-поляризованных волн, пластинки /4, /2, . Схема метода
наблюдения интерференционной картины.
34.Поляризационные, интерференционные и абсорбционные
фильтры - принцип действия,
области применения.
35.Искусственная анизотропия: фотоупругий эффект, эффект Керра, их применение. Вращение
плоскости поляризации, магнитное вращение.
36.Цвет неба, захода и восхода солнца, цвет мыльных шаров - дать подробное объяснение этих
явлений.
37.Недостатки оптических систем: сферическая и хроматическая аберрация, кома, дисторсия, их
устранение.
38.Интерферометр Майкельсона: устройство, действие, наблюдаемые интерференционные
картины, примеры применения для конкретных измерений.
39.Спектры испускания и поглощения, закон Бугера. Спектрометры, Спектральный анализ.
40.Компенсаторы (типа Солейля, Бабине) - их назначение, устройство, действие. Полутеневой
анализатор сахариметра - его устройство, действие, преимущества.
Квантовая физика; физика атомного ядра
1. Тепловое излучение и его характеристики.
2. Закон Кирхгофа.
3. Закон Стефана – Больцмана, закон смещения Вина.
4. Квантовая энергия излучения. Формула Планка.
5. Фотоэффект. Закон фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
6. Фотоны. Энергия и импульс фотона.
7. Давление света. Опыты Лебедева.
8. Тормозное рентгеновское излучение.
9. Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли.
10. Эффект Комптона.
11. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Волны де Бройля.
12. Модели атома Томпсона и Резерфорда.
13. Линейный спектр атома водорода.
14. Постулаты Бора. Спектр атома водорода по Бору.
15. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.
16. Описание микрочастиц с помощью волновой функции. Волновая функция и ее физический
смысл.
17. Принцип суперпозиции в квантовой механике.
28. Стационарное уравнение Шредингера.
19. Временное уравнение Шредингера.
20. Квантование энергии частицы в «потенциальной яме».
21. Прохождение частицы через потенциальный барьер. Туннельный эффект.
22. Квантование энергии линейного гармонического осциллятора в квантовой механике. Нулевая
энергия и нулевые колебания.
23. Планетарная модель атома Резерфорда.
24. Постулаты Бора. Модель атома Бора.
25. Линейчатый спектр атома водорода. Формула Бальмера-Ридберга.
26. Квантовые числа электрона в атоме.
27. Спин электрона.
28. Магнитный момент электрона.
29. Принцип неразличимости тождественных частиц. Принцип Паули. Состояние электрона в
атоме.
30. Периодическая система элементов Менделеева.
31. Молекулы: понятие о химической связи.
32. Молекулярные спектры.
33. Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры.
34. Экспериментальные методы ядерной физики. Счетчики частиц.
35. Состав ядра. Заряд и массовое число ядра.
36. Протоны и нейтроны.
37. Изотопы и изобары.
38. Ядерные силы. Энергия связи ядра.
39. Модели ядра.
40. Ядерные реакции и их классификация. Эффективное сечение реакции.
41. Трансурановые элементы.
42. Деление ядер.
43. Цепные реакции деления.
44. Ядерные реакторы.
45. Реакции термоядерного синтеза.
46. Элементарные частицы, их характеристики.
47. Классификация элементарных частиц.
48. Частицы и античастицы.
49. Лептоны.
50. Фундаментальные взаимодействия.
1.10.
Комплект экзаменационных билетов (утвержденный зав. кафедрой до начала
сессии).
1.11.
Примерная тематика рефератов.
Квантовая физика; физика атомного ядра
1. Общие характеристики электронных спектров сложных молекул.
2. Инфракрасные спектры сложных молекул.
3. Эффект Штарка.
4. Эффект Зеемана.
5. Приложение теории гармонического осциллятора в атомной, молекулярной и ядерной физике.
6. Спектр атома гелия.
7. Оптические резонаторы.
8. Газовые лазеры.
9. Лазеры на твердом теле.
10. Полупроводниковые лазеры.
11. Химические лазеры.
12. Технологические применения лазеров.
13. Электрон.
14. Слабые взаимодействия.
15. Состав и характеристики атомного ядра. Ядерные модели.
16. Теория дейтона.
17. Мезонная теория ядерных сил.
18. Классификация элементарных частиц.
19. Кварки.
20. Лазерный термоядерный синтез.
21. Ускорители заряженных частиц (часть 1).
22. Ускорители заряженных частиц (часть 2).
23. Атомная энергетика сегодня и завтра.
24. Применение радиоактивных изотопов.
ТЕМЫ ДОКЛАДОВ:
1.
Классические представления о времени и пространстве.
2.
Основная задача механики и ее решение.
3.
Относительность движения. Влияние выбора оптимальной системы отсчета на
решение задач кинематики.
4.
Значение и место Г. Галилея в становлении научного метода исследования
природных явлений.
5.
Законы Ньютона - основа классической динамики.
6.
Законы сохранения и их значение.
7.
Реактивное движение и его практические применения.
8.
Освоение космического пространства и полеты к другим планетам. Законы небесной
механики.
9.
Работа и энергия в механике. Золотое правило механики.
10. Простые механизмы от античности до наших дней.
11. Практическое применение механических колебаний.
12. Акустика. Звуки в природе и технике.
13. Применение ультразвука.
14. Специальная теория относительности о полетах к звездам.
15. Развитие представлений о строении вещества от древности до наших дней.
16. Тепловые процессы обратимые и необратимые. Закон сохранения энергии в
тепловых процессах.
17. Свойства кристаллов.
18. Вещество и поле. Свойства полей и их взаимодействие с веществом.
19. Источники тока.
20. Производство алюминия.
21. Гальванопластика.
22. Полупроводниковые приборы в современной технике.
23. Плазмотроны.
24. Производство, передача и использование электроэнергии.
25. Радиосвязь и ее виды.
26. Радиолокация.
27. Применение оптических приборов.
28. Лазеры.
29. Голография.
30. Спектральный анализ.
31. Применение рентгеновского излучения в медицине и технике.
32. Открытие радиоактивности.
1.12.
Примерная тематика курсовых работ.
4. Методы дефектоскопии.
5. Разрешающая способность оптических приборов.
6. Акустическая модуляция света и ее использование в информационно-измерительной технике.
7. "Парадоксы" спектрального разложения.
8. Лазерный интерферометр.
9. Резонансная кривая вынужденных нелинейных колебаний /расчет с приложением ЭВМ/.
10. Вычислительная томография и неразрушающий контроль в технике.
11. Спекл-интерферометрия.
12. Оптическая фурье-фильтрация.
13. Численный расчет дифракции света на круглом отверстии.
14. Растровый электронный микроскоп.
15. Эффект Допплера и его применение в технике.
16. Элементарная теория радуги.
17. Оптические методы измерения шероховатости поверхности.
18. Изгибные и крутильные колебания. Задача о флаттере.
IV. Квантовая физика
1. Применение лазеров в технологических процессах.
2. Принцип туннельной микроскопии.
3. Лазерное разделение изотопов в магнитном поле.
4. Принцип ЯМР - томографии.
5. Водородная энергетика.
6. Эффект Джозефсона и его применение в технике.
7. Устройство и принцип действия твердотельных лазеров.
8. Высокотемпературная сверхпроводимость.
9. Проблемы термоядерного синтеза.
10. Экситоны в полупроводниках.
11. Взаимодействие мощного лазерного излучения с атомами и молекулами.
12. Рекомбинационная неустойчивость тока в полупроводниках.
1.13.
Примерная тематика квалификационных (дипломных) работ. НЕТ в учебном
плане
1.14.
Методика(и) исследования (если есть). Нет в учебном плане.
1.15.
Балльно-рейтинговая система, используемая преподавателем для оценивания
знаний студентов по данной дисциплине. Система оценивания – традиционная.
РАЗДЕЛ 2. Методические указания по изучению дисциплины (или ее разделов) и
контрольные задания для студентов заочной формы обучения.
Принципы отбора содержания и организации учебного материала
Отбор материала основывается на том, что физическое образование является важнейшим
элементом естественнонаучного образования и одной из составляющих подготовки бакалавра.
Содержательное наполнение дисциплины направлено на формирование естественнонаучного
мировоззрения и создание единой научной картины окружающего мира, обусловлено задачами,
которые рассматриваются в дисциплинах естественнонаучного цикла, и необходимостью
установления внутрипредметной и межпредметных связей.
В основу программы положены принципы фундаментальности, интегрированности и
дополнительности. Лабораторно-практические занятия не дублируют лекции, а содержат
материал, ориентированный на практическое овладение физическими методами исследования. В
лекционном курсе главное место отводится общетеоретическим основам физических знаний.
Самостоятельная работа студентов реализуется в виде:
 подготовки к контрольным работам;
 подготовки к семинарским занятиям;
 оформления лабораторно-практических работ (заполнение таблиц, решение задач,
написание выводов);
 выполнения индивидуальных заданий по основным темам дисциплины;
 написание рефератов по проблемам дисциплины "Физика".
Основные понятия
Параметры состояния (материальной точки, системы: газа, жидкости), уравнения
движений, законы и их следствия, модели объектов и явлений.
Гипотеза, эксперимент, теория, область применимости; система отсчета, перемещение, скорость,
импульс, ускорение, уравнение движения, колебание, волна, акустика, спектр, работа, мощность,
давление, температура, статистическое распределение, начала термодинамики, теплоемкость,
энтропия, электрический заряд, напряженность поля, потенциал, электрический ток, законы Ома
и Кирхгофа, магнитная индукция, силы Ампера и Лоренца, электромагнитная индукция,
уравнения Максвелла, электромагнитная волна, интерференция, дифракция, оптические приборы,
поляризация света, строение атома, ядро атома, изотопы, ядерные силы, ядерная энергия.
Текущий контроль качества усвоения материала
Проверка качества усвоения знаний осуществляется в течение всех семестров как в устной
(отчеты по индивидуальным заданиям, работа на практических и семинарских занятиях)., так и
письменной форме (групповые самостоятельные и контрольные работы).
Итоговая аттестация
Экзамен в конце дисциплины, на котором проверяются знания теоретического материала и
практические навыки: а) работа с измерительными инструментами и приборами; б) обработка
результатов лабораторных работ и их анализ; в) решение прикладных задач; г) применение
физических законов для объяснений природных процессов и явлений.
Методические указания к программе «ФИЗИКА»
При изучении дисциплины не следует делать излишний акцент на будущей
профессионализации выпускника. Необходимо дать панораму наиболее универсальных методов,
законов и моделей современной физики, продемонстрировать специфику рационального метода
познания окружающего мира, сосредоточить усилия на формировании у студентов общего
физического мировоззрения и развитии физического мышления. Курс "Физика" представляет
собой целостный и фундаментальный курс, единый в своих частях и демонстрирующий роль
физики как основы всего современного естествознания. Необходимо преодолеть
распространенное расчленение физики на классическую и современную и дать изложение всей
дисциплины с точки зрения логики физики как науки. При этом следует иметь в виду, что физика
как наука и физика как учебная дисциплина отнюдь не тождественные понятия.
Если курс физики в вузе начинается с I семестра, то целесообразно чтение
пропедевтического курса математики, в объеме и по содержанию достаточного для изучения
начальной части курса физики.
В основании современной естественнонаучной картины мира лежат физические принципы
и концепции. Физика составляет фундамент естествознания. Ее роль здесь трудно переоценить. С
другой стороны, она является теоретической базой, без которой невозможна успешная
деятельность выпускника вуза в области знаний "Технические науки".
Курс физики представляет собой единое целое. Всякого рода попытки разделить его на
части, некоторые из которых изучаются на других кафедрах, не имеют под собой ни
методических, ни научных, ни дидактических оснований. Они в корне противоречат идее
бакалавриата. Изучение целостного курса физики совместно с другими дисциплинами цикла
способствует формированию у студентов современного естественнонаучного мировозрения,
освоению ими современного стиля физического мышления. Целостность курса физики является
одной из фундаментальных предпосылок для воспитания образованного члена общества.
Данная программа отражает современное состояние физики и ее приложений. В ней
естественным образом сочетаются макро- и микроскопические подходы. В ее разделах вскрыты
внутренние логические связи. Порядок расположения материала соответствует современной
структуре физики как науки и отражает мировой педагогический опыт. Программа носит
комплексный характер: в ней приведен минимальный перечень рекомендуемых теоретических
семинаров, лабораторных работ, практических занятий, лекционных демонстраций, учебных
кинофильмов, а также примерные темы курсовых работ.
Приоритетами курса являются:
- изучение основных физических явлений; овладение фундаментальными понятиями,
законами и теориями классической и современной физики, а также методами физического
исследования;
- овладение приемами и методами решения конкретных задач из различных областей
физики;
- ознакомление с современной научной аппаратурой, формирование навыков проведения
физического эксперимента, умения выделить конкретное физическое содержание в прикладных
задачах будущей деятельности.
На основе представленной программы для каждой специальности разработаны конкретные
рабочие программы. Рабочая программа включает в себя материал всех разделов данной
программы. Однако степень углубленного изучения отдельных подразделов, содержание лекций,
практических занятий, самостоятельной аудиторной работы под руководством преподавателя
определяется кафедрой физики с учетом числа часов, отводимых на изучение физики, опыта и
особенностей кафедры.
Существенно при этом, что на изучение первых трех разделов программы должно
затрачиваться не более половины времени, отводимого на курс физики в целом. Элементы
профессиональной направленности будущей деятельности выпускника могут быть отражены в
практических и лабораторных занятиях и в тематике курсовых работ.
Одним из принципиальных отличий программы дисциплины от традиционных курсов
является новый подход к организации самостоятельной работы студентов. Его основу составляет
самостоятельная аудиторная работа студентов над теоретическим курсом под руководством
преподавателя, осуществляемая в рамках теоретических семинаров. Учебное время, отводимое на
эти занятия, должно быть сравнимо с временем для проведения практических занятий. Кроме того,
в самостоятельную работу студентов входит подготовка к практическим и лабораторным
занятиям, работа практикумов, защит лабораторных работ, сдачи домашних заданий.
Наилучшей гарантией глубокого и прочного усвоения физики является заинтересованность
студентов в приобретении знаний. Для поддержания интереса студентов к физике следует
использовать богатый и разнообразный материал ее специальных приложений, лекционные
демонстрации и аудиовизуальные средства. В курсе должны найти отражение основные этапы
сложного исторического развития физики как научной дисциплины. Это означает, что все
атрибуты процесса научного познания (анализ и синтез; абстрагирование, идеализация,
обобщения и ограничения; аналогия, моделирование, формализация; историческое и логическое;
индукция и дедукция) должны быть использованы преподавателями.
РАЗДЕЛ 3. Содержательный компонент теоретического материала.
1. ие и использование у электромагнитных волн.
Тема 21. Геометрическая оптика
План: Отражение и преломление света на границе раздела двух диэлектрических сред.
Формула Френеля. Законы отражения и преломления. Линзы. Построения в линзах. Оптические
приборы.
Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика. Рефракция в атмосфере. Радуга,
миражи.
Поляризованный свет. Плоскость поляризации, степень поляризации. Закон Малюса.
Поляризация света при отражении и преломлении. Угол Брюстера. Вращение плоскости
поляризации. Поляроиды.
Вопросы для самопроверки
1. Законы отражения и преломления. Призма. Линза.
2. Оптические приборы и их применение.
3. Внутреннее отражение. Световоды. Волоконная оптика и ее применение.
4. Распространение света в атмосфере. Рефракция. Радуга, миражи. Мониторинг состояния
атмосферы оптическими методами.
5. Поляризация света. Поляроиды. Применение поляризованного света.
Тема 22. Генерация света. Элементарная квантовая теория излучения света
План: Элементарная квантовая теория излучения света. Атом по Бору. Тепловое и
люминесцентное излучение. Природные и искусственные источники света.
Спонтанное и вынужденное излучение. Принцип работы и конструкция лазера. Свойства
лазерного излучения. Голография.
Спектральные закономерности излучения света веществом. Оптическая пирометрия. Закон
Стефана-Больцмана. Закон Кирхгофа, Вина. Абсолютно черное тело. Квантовый характер
излучения.
Вопросы для самопроверки
1. Излучение света веществом. Тепловое и люминесцентное излучение.
2. Источники света.
3. Вынужденное излучение. Лазер.
4. Распределение энергии в спектре излучения твердого тела.
5. Соотношение излучения и поглощения света веществом. Белое и черное тела.
Тема 23. Внешний фотоэффект
План: Взаимодействие фотонов с электронами. Фотоэффект. Законы фотоэффекта в
работах Столетова. Уравнение Эйнштейна. Эффект Комптона Давление света, опыты Лебедева.
Гипотеза Л. де Бройля. Принцип неопределенности. Корпускулярно-волновой дуализм
частиц. Уравнение Шредингера. Волновая функция.
Вопросы для самопроверки
1. I Взаимодействие света с веществом. Опыты Столетова. Законы фото-,4 эффекта.
2. Объяснение законов фотоэффекта Эйнштейном.
3. Квантово-волновой дуализм света. Гипотеза Планка.
4. Гипотеза Л. де Бройля. Уравнение Шредингера.
24. Строение атома по Бору - Резерфорду
План: Модели строения атома. Опыт Резерфорда. Постулаты Бора. Опыт франка и Герца.
Спектры испускания и поглощения света для атомов и молекул.
Радиоактивность. Строение атомного ядра. Нуклоны. Изотопы. Энергия вязи ядра. Закон
радиоактивного распада. Период полураспада. Правило смещения. Ядерные реакции. Цепная
реакция и ее применение. Атомная энергетика.
Элементарные частицы и их регистрация. Систематика элементар-ных частиц. Кварки.
Вопросы для самопроверки
1. Капельная модель строения атома Томсона.
2. Опыт Резерфорда. Планетарная модель атома. Элементарные частицы.
3. Обоснование планетарной модели атома Бором. Происхождение линейчатых спектров.
4. Радиоактивность. Изотопы. Применение изотопов.
5. Закон радиоактивного распада. Правило смещения для α- и β-распада.
6. Цепная реакция деления урана, ее использование в различных целях.
7. Методы регистрации частиц. Дозиметрия. Действие радиоактивных излучений на
окружающую среду и важность защиты.
Лекционные демонстрации
. Светопровод.
IV. Квантовая физика
1. Излучение светлого и темного тела при одной температуре.
2. Спектр испускания и поглощения паров натрия.
3. Модель абсолютно черного тела.
4. Зависимость спектра испускания от температуры.
5. Фотоэффект /красная граница, работа выхода, знак выбиваемых зарядов, вольт-амперная
характеристика, фотореле/.
6. Модель рассеяния -частиц.
7. Опыт Франка и Герца.
8. Модель туннельного эффекта на УКВ.
9. Спектр водорода.
10. Тонкая структура спектральной линии.
11. Усиление света. Газовый лазер.
12. Одно- и двумерные стоячие волны.
13. Зависимость теплоемкости твердого тела от температуры.
14. Выталкивание переменного магнитного поля из проводника при охлаждении /модель
поведения сверхпроводника/.
15. Зависимость электропроводности полупроводника от температуры.
16. ТермоЭДС.
17. Эффект Пельтье.
18. Эффект Холла.
19. Вольт-амперная характеристика p-n перехода.
20. Фотодиод и светодиод.
21. Твердотельный лазер.
22. Капельная модель атомного ядра.
23. Счетчики частиц /счетчик Гейгера, модель искрового счетчика/.
24. Треки частиц в диффузионной камере.
25. Наблюдение реакции.
V. Статистическая физика и термодинамика
1. Модель газа с одно- и двухатомными молекулами.
2. Броуновское движение /под микроскопом или на модели/.
3. Адиабатическое сжатие и расширение /воздушное огниво и образование тумана/.
4. Модель случайного процесса /бросание игральной кости/.
5. Статистическое распределение /опыт с насыпанием пшена/.
6. Модель распределения Больцмана.
7. Зависимость давления от высоты /опыт с пламенем/.
8. Модель теплового двигателя /опыт Дарлинга или др./.
9. Вязкость газов.
10. Теплопроводность газов.
11. Диффузия газов /аммиак/; эффузия.
12. Распределение скоростей электронов при термоэмиссии.
Примеры некоторых лекций.
ОПТИКА
Лекция 10
Представления о свете.
§ !0 –1 Развитие представлений о свете.
Хотя попытки дать объяснения природы света были сделаны еще в древности (Евклид
и Лукреций Кар), первая стройная теория света была разработа И.Ньютоном в кон-це семнадцатого века. Ньютон считал, что свет – это поток мельчайших частиц – корпус-кул, поэтому его
теория получила название корпускулярной. Одновременно с ним Гук и Гюйгенс развивали
волновую теорию, однако она не получила широкого признания отчасти из-за высокого
авторитета Ньютона и отчасти из-за недостатков самой теории. которая представляла свет как
упругие колебания среды Ньютон установил, что свет в представле-ниях волновой теории должен
быть поперечными колебаниями, что казалось маловероят-ным, учитывая эмпирические факты
распространение света в воздухе и,особенно, в меж-звездном пространстве.Лишь позднее была
предложена гипотеза о существовании особой среды,заполняющей всю Вселенную,- эфира,
упругие свойства которого обеспечивали тре-буемую скорость распространения света.Успехи
волновой теории связаны с работами Юн-га, Френеля и Пуассона, которые были выполнены в
первой половине XIX века. Работы этих исследователей позволили объяснить такие явления как
интерференция и дифракция света. Д.Максвелл установил, что свет – это электромагнитные
волны. В тот момент, когда волновая теория стала общепризнанной, были установлены
закономерности излучения света атомами и открыт фотоэффект. Эти факты противоречили
волновой теории. Позднее была развита новая теория – дуалистическая, где свету приписывались
и волновые и кор-пускулярные свойства. Луи де Бройль высказал гипотезу о всеобщем дуализме
материи: каждая частица обладает волновыми свойствами, и каждой волне могут быть приписаны
определенная масса и импульс. Свет – лишь пример проявления дуализма в природе. В нашем
курсе мы будем рассматривать преимущественно волновые явления.
§ !0 –2 Законы отражения и преломления света.
Волновая теория широко использует принцип Гюйгенса: каждая точка среды, до которой
дошел волновой фронт, становится источником вторичных колебаний так, что положение
волнового фронта в любой последующий промежуток времени находится как огибающая этих
вторичных возбуждений. Отметим, что волновым фронтом называется поверхность, соединяющая
точки,колебания в которых имеют одинаковые фазы.
Рис.38. К выводу закона преломления света.
На рис.38 это изображается линией S. Руководствуясь
этим принципом, выведем законы преломления и отражения света.Пусть на границу раздела двух сред падает плоский волновой фронт АВ.В момент, когда его
левый край достигнет точки А (см. рис.38), в среде 2
вокруг этой точки начнет образовываться сферическая волна. Правый край фронта подойдет к границе
раздела через время t =BD/c, где с – скорость распространения света в среде1. За это время сферическая
волна из точки А успеет распространиться на расстояние АС=vt (v –скорость распространения света в
среде 2).Из рис.видно,что BAD =  и АDC = 
как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Поэтому можно записать:
sin  
BD
ct
AC
vt

.

; sin  
AD AD
AD AD
Сравнивая эти два выражения, можно заметить, что
sin  c
 .
sin  v
Как уже упоминалось,скорость электромагнитных волн в среде v =c/  = c/n .Поэтому
отношение синусов можно приравнять к показателю преломления второй среды относи-тельно
первой:
sin 
 n 21 .
sin 
Если свет распространяется в обратном направлении, т.е из среды 2 в среду 1, то закон
преломления остается в силе, но теперь n12 – это показатель преломления среды 1 относи-тельно
среды 2. Можно заметить, что в этом случае угол преломления становится больше угла падения,
но существует предельное значение угла преломления, т.к. синус не может быть больше
единицы. Угол падения, который соответствует этому углу преломления назы-вается
предельным. При дальнейшем увеличении угла падения свет не проходит в среду 1, испытывая
полное внутреннее отражение.
Вывод закона отражения света производится аналогичным способом, с той разницей, что теперь вторичная волна распространяется в той же среде (рис.39).
Треугольники  ACD и ABD равны, т.к. сторона
AD - общая, а АВ = СD =ct, где как и прежде t – время распространения волнового фронта от точки С до
точки D. Из равенства треугольников следует, что
Рис.39. К выводу закона отражения света.
CAD = ABD, как углы с взаимно перпендикулярными сторонами, но CAD =  и ABD =  и , т.е.
угол падения равен углу отражения.
§ !0 –3 Явление интерференции.
Интерференцией называется сложение волн от двух или нескольких источников, когда
в результате сложения нарущается принцип суперпозиции интенсивностей. Как сле-дует из
прошлых лекций, плотности энергии электрического и магнитного полей пропор-циональны
квадратамвеличин Е и В, поэтому можно считать, что плотность энергии в элек-тромагнитной
волне также пропорциональна квадрату амплитуды волны. Принято считать, что плотность
энергии определяет интенсивность световой волны, которую человеческий глаз оценивает как
освещенность. При сложении волн должен выполняться принцип супер-позиции энергий каждой
из слагаемых волн. Наша повседневная практика дает примеры справедливости этого положения:
две лампы дают в два раза больше света, чем одна. Можно показать, однако, что этот принцип
выполняется не всегда.
Пусть имеется две плоских волны y1 = A1sin(t –kx1) и y2 =
=A2sin(t –kx2), где х1 и х2 -расстояния, которые прошли волны
до момента встречи. Для того, чтобы найти сумму колебаний от
двух волн в точке встречи, представленных в векторном виде
(рис.40). Как видно из рис., по теореме косинусов можно записать
Рис.40. Сложение когерентных колебаний.
A 2  A12  A 22  2A1A 2 cos k( x 2  x 1 ) ,
т.е. результат сложения зависит от разности х2 – х1. При условии
k(x2 –x1) =2n ( n = 0,1,2 и т.д.)
A 2  A12  A 22  2A1A 2  (A1  A 2 ) 2 ,
а при k(x2 –x1) =(2n-1) 
A 2  A12  A 22  2A1A 2  (A1  A 2 ) 2 .
Очевидно, что при условии А1=А2 A 2  4A12 или A 2  0 в зависимости от разности хода x2 –
x1. Если учесть, что энергия каждой волны равна А2, суммарная энергия должна равняться 2А2,
тогда как результат сложения либо в два раза больше, чем суммарная энергия, либо равен нулю,
т.е. кажется, что не выполняется закон сохранения энергии. Колебания, для которых подобные
результаты имеют место, называются когерентными. Если принцип суперпозиции выполняется,
то источники называют некогерентными. Для того, чтобы волны давали когерентные колебания,
необходимо выполнение трех условий:
1.должны иметь одинаковую частоту,
2. разность фаз колебаний должна быть постоянной хотя бы на время волны наблюдений,
3. колебания каждой из суммируемых волн должны лежать в одной плоскости.
Практическое получение когерентных колебаний связано с определенными трудностями.
Необходимо иметь в виду, что световые волны получаются при излучении атомов, когда
электорны переходят с одного энергетического уровня на другой. Время излучения крайне
незначительно и составляет около 10 –8 сек. Новый кат излучения происходит с другой на-чальной
фазой, которая раз от раза изменяется случайным образом. На языке корпускулярных представлений такая порция излучения называется квантом, а в волновой теории ее называют цугом. Для получения
когерентных волн необходимо, чтобы они происходили из
одного цуга. Это можно сделать лишь путем его деления (см.
рис.41). Для этих целей используются специальные приспособРис.41. Схема получения ления: билинзы Бийе, бипризмы и бизеркала Френеля и др.
когерентных волн. (рис.42). Во всех случаях явление интерференции возможно,
если максимальная разность хода не превышает длину цуга L = c, где  = 10
излучения цуга,т.е. L=3м.
–8
сек – время
Рис.42. Интерференционные схемы: а)бипризма Френеля, б)билинза Френеля.
«Раздвоение» источника достигается либо преломлением в призме, либо отражением в двух
зеркалах. Угол «разворота» зеркал и преломляющий угол призмы близки к 180 0 для того, чтобы
достичь наилучшей видимости картины интерференции.
Как было показано, амплитуда суммарных колебаний определяется разностью хода интерферирующих волн или разностью фаз складывающихся колебаний. Если разность фаз 
изменяется случайным образом, то среднее значение cos за время наблюдения равно ну-лю, и
мы видим обыкновенное сложение интенсивностей. Если же источники когерентны, то при
условии k(x2 –x1) = 2n колебания дадут максимум суммарной амплитуды, а при k(x2 –x1) = (2n1) - минимум. Учитывая, что k = 2/ , (  - длина волны ) условия макси-мума и минимума
интенсивностей можно записать так:
(x2 –x1) = 2n/2
для максимума и
(x2 –x1) = (2n-1)/2 для минимума.
Это значит, что если разность хода интерферирующих волн равна четному числу полуволн, то
получается максимум, а если нечетному – минимум интенсивности. Нарушение закона сохранения
энергии при этом не происходит. Она лишь перераспределяется – в max – боль-ше, а в min
меньше, но средняя энергия остается неизменной. Глаз воспринимает такое перераспределение
как чередование темных и светлых полос, контрастность которых определяется соотношением
интенсивностей интерферирующих источников.
§ !0 –4 Полосы равной толщины.
Наиболее часто в повседневной жизни явление интерференции проявляется в так
называемых полосах равной толщины, которые получаются при отражении света от тонких
Рис.43. Интерференция в тонких пленках.
пленок. Пусть имеется тонкая пленка переменной толщины (рис.43), на которую падают параллельные лучи
света. Выберем два луча, один из которых отражается от
верхней поверхности пленки, а другой – от нижней. Разность хода между лучами определяется удвоенной длиной
AD и участком ВС. Однако следует иметь в виду, что
пленка является более плотной оптической средой, и скорость света в ней меньше. Вследствие этого время, затрачиваемое светом на прохождение пути AD будет больше
в n раз, где n – показатель преломления пленки. Поэтому
принято говорить об оптической длине пути света, которая равна ADn. Теперь разность оптических путей лучей
1 и 2  = 2n(AD) – BC +/2. Величина /2 добавляется потому, что происходит изменение фазы
волны на 180 0, что эквивалентно увеличению пути на /2.Из рис можно увидить, что AD =
DF/cos;AF = DFtg;AC = 2AF= =2DFtg;BC =ACsin = 2DFtg sin. Согласно закону
преломления света sin = nsin. C учетом этого = 2nDF/cos - 2DFsintg + +/2 = 2nDF(1- sin2)/cos +/2 = 2DFcos +/2.
Если = (2n-1)/2, то 2DFncos =n cоответствует условию минимума освещенности, а = =n=
2DFncos +/2 – условию максимума.Условия интерференции будут одинаковыми для всех мест,
где толщина пленки также одинакова, в связи с чем говорят, что интерференци-онная картина
локализована на поверхности пленки. При наблюдении в белом свете карти-на усложняется, т.к.
для каждого из цветовых компонент белого света условия max и min будут свои. На поверхности
пленки будут видны цветные пятна (вспомните пленки бензи-на и масла на поверхности луж).
Частным случаем полос равной толщины являются
Рис.44. Схема для наблюдения колец Ньютона.
кольца Ньютона. Роль пленки переменной толщины здесь играет воздушная прослойка между собирающей линзой и стеклянной пластинкой (см.рис.44). Т.к. оптическая структура обладает осевой симметрией, наблюдающиеся интерференционные полосы принимают вид концентрических колец. Для
толщины прослойки h разность хода между лучами, отраженными от нижней поверхности линзы и от пластинки соответственно равна  =2h +/2 - (/2) добавляется из-за условий
отражения. В то же время из рис.44 на основании свойств
перпендикуляра. опущенного из вершины прямого угла на гипотенузу, следует:
2R  h h  rm2
,
где m – номер наблюдаеиого кольца. Пренебрегая малой величиной h2 по сравнению с ра-диусом
линзы R,находим 2Rh  rm2 . Для темных колец  = (2m+1)/2 = 2h + /2 и 2h =m. Подставляя это
соотношение в формулу для квадрата радиуса кольца, получим:
rm  mR  .
Лекция 11
Дифракция света.
§ 11 –1Метод зон Френеля.
Дифракией называется когерентное рассеяние света на объектах, геометрические размеры
которых сранимы с длиной световой волны. Наблюдающаяся дифракционная кар-тина является
результатом интерференции вторичных источников, образующихся на по-верхности объекта.
Расчет интерференционной картины можно проводить пользуясь мето-дом суперпозиции, однако
применение этого метода сопряжено с известными математи-ческими трудностями. В связи мы
ограничимся рассмотрения качественного подхода к ре-шению поставленной задачи, развитого
Френелем. Основной идеей, определяющей сущ-ность такого рассмотрения, является принцип
Гюйгенса –Френеля, который представляет собой дополненный принцип Гюйгенса. Френель
постулировал, что все элементарные вто-ричные источники являются когерентнми. Для оценки
результирующей амплитуды колебаний в точке наблюдения был разработан специальный метод,
получивший название метода зон Френеля. Согласно этому методу волновой фронт (будем
называть волновым фронтом поверхность, которая соединяет все точки, колеблющиеся в
одинаковой фазе) раз-бивается на отдельные участки, именуемые зонами. Разбиение на зоны
должно удовлетво-рять двум условиям:
1.площади всех зон одинаковы,
2.расстояния от двух соседних зон до точки наблюдения отличаются на половину длины волны.
Первое условие означает, что амплитуды колебаний от всех зон в точке наблюдения будут
одинаковыми, тогда как из второго условия следует, что колебания двух соседних зон складываются в противофазе. В этом случае вместо вычисления сложных интегралов достаточ-но
подсчитать число зон. Если оно – четно – в точке наблюдения будет минимум освещен-ности
(зоны попарно гасят друг друга), если же количество зон на участке волнового фрон-та, видимого
из точки наблюдения, окажется нечетным – в ней будет конечная освещен-ность.
§ 11 –2 Метод векторных диаграмм.
Для оценки вкладов от каждой зоны в суммарную освещенность используем метод
векторных диаграмм. Для этого разобьем каждую зону на ряд узких «подзон» так, что каж-дая
подзона отличается от соседней лишь небольшим сдигом по фазе. Колебания каждой из «подзон»
будем представлять в виде вектора, длина которого определяется амплитудой ко-
Рис.45. Векторная
диаграмма одной
лебаний. Площади «подзон» выберем одинаковыми. Как видно из
рис.45, вектора каждой «подзоны» оказываются повернутыми относительно соседних на небоьшой угол, но «подзоны» на противоположных краях зоны отличаются по фазе на 1800 .Суммарное действие всех
«подзон» изображается вектором Е . Нетрудно сообразить, что при
устремлении ширины каждой «подзоны» к нулю, получившаяся ломаная линия превращается в плавную полуокружность.
зоны.
Действие двух зон должно быть равным нулю, но оказывается, что амплитуды колебаний зон не
совсем одтнаковые. Их величина зависит от косинуса угла между нормалью к по-верхности зоны и
направлением на точку наблюдения. Результат сложения двух и трех зон
показан на рис.46( б,в и г).
Как видно из рис., две зоны почти уничтожаются, а
амплитуда третьей зоны
почти равна амплитуде
первой. Там же показано
(рис.46а) действие всего
волнового фронта А0, когда препятствие отсутству-
Рис.46. Векторные диаграммы для разного числа зон.
ет. Оно оказывается в два раза меньше, чем действие первой зоны. Витки спирали располо-жены
достаточно плотно, и при большом количестве открытыз зон суммарная амплитуда А  А0
остается практически неизменной при изменении числа зон.
§ 11 –3 Дифракция Френеля на круглом отверстии.
Применим метод зон к анализу так называемой дифракции Френеля, когда источник
света – точечный, и волновая поверхность
имеет форму сферы.В качестве препятствия
рассмотрим небольшое круглое отверстие в
непрозрачном экране. выберем точку наблюдения О так, чтобы в отверстии укладывалось бы целое число зон Френеля. Пусть
волновой фронт от точечного источника S,
Рис.47. К вычислению радиуса зоны.
дошедший до экрана, имеет радиус SB = а (см. рис.47). Расстояние от точки наблюдения О до
плоскости экрана равно МО = b+. Мысленно разобьем волновой фронт на концентри-ческие зоны
( на рис.47 показана одна зона) так, что расстояние от n – зоны до точки наблю-дения О равно b +
n/2. Из треугольника SBM по теореме Пифагора получим:
МВ2 = SB2 – SM2 = rn  a  a    2a .
2
2
2
Аналогично из ОМВ : MB  SB  SM = rn  a  a    2a .
2
2
2
2
2
2
(IV)
(V)
Члены, содержащие множители 2 и 2, отброшены как малые по сравнению с a и b. При-равнивая
правые части уравнений (IV) и (V), получим 2a  b   bn Выражая отсюда  и подставляя
его в (IV), получим формулу для радиуса любой зоны:
rn 
abn
.
ab
Численные значения радиуса первой зоны можно оценить, полагая a  b  1м,   0,5мкм.
Подстановка этих значений показывает, что r1 0,3 мм. Поэтому при диаметре отверстия 1 - -2 мм
в нем уложится 5-7 зон. Поскольку их амплитуды примерно одинаковы, результат сложения
существенно зависит от числа зон. При нечетном числе зон в точке наблюдения
будет максимум, а при четном – минимум освещенности. Рассмотрим, как будет изменяться результат сложения колебаний при изменении положения точки О. Если точка смещается
вдоль оси SO, то характер разбиения на зоны
не изменится, произойдет лишь изменение
числа зон, укладывающихся в отверстии, т.е.
будет наблюдаться чередование максимумом и
минимумов освещенности. Если же точка О
смещается перпендикулярно оси SO, то характер разбиения на зоны также не изменится, но
произойдет поворот направления наблюдения
относительно перпендикуляра, восставленного
из центра отверстия к плоскости экрана (см.
Рис.48. Смещение зон относительно
рис. 48. Вследствие этого часть зон начнет заотверстия.
крываться, что приведет к изменению освещенности. Пусть для определенности в тот момент, когда точка наблюдения находится на оси OS, а в отверстии укладывается нечетное число
зон (например – три). Когда часть наружной зоны начнет закрываться, освещенность
уменьшится.Одновременно с противоположного края отверстия появится часть новой зоны,
которая еще больше уменьшит освещенность ( здесь нада вспомнить, что соседние зоны гасят друг
друга). Поэтому при дальнейшем удалении точки наблюдения от оси наступит момент, когда
освещенность уменьшится до нуля..Это условие будет выполняться для всех точек, находящихся
на окружности, радиус которой определяется расстоянием от точки на-блюдения до оси OS.
Вокруг светлой точки появится темное кольцо, продолжая рассужде-ния подобным образом,
можно придти к заключению, что дифракционная картина от круг-лого отверстия пред-ставляет
собой чередование чветлых и темных колец.
§ 11 –4 Дифракция Френеля на круглом экране.
Рис.49. Диффракция на круглом
экране.
Пусть препятствием служит теперь небольшой непрозрачный диск, и пусть радиус волнового фронта
настолько велик, что волновая поверхность практически совпадает с плоской поверхностью диска
( рис.49). Разобьем волновой фронт на зоны способом, аналогичным изложенному в предыдущем параграфе. В точку наблюдения В приходят все колебания волнового фронта за исключением тех зон,
которые закрыты диском. Это суммарное колебание
на векторной диаграмме (см. рис.46) изобразится
вектором АД . Начало вектора соответствует точке,
лежащей на краю диска. При изменении расстоя-
ния от диска до точки В число закрытых зон будет меняться, и начало вектора А Д станет
описывать окружность вокруг центра спирали, тогда как конец вектора всегда находится в ее
центре. При большом числе открытых зон длина вектора почти не изменяется. Поэтому в точке В
будет наблюдаться светлое пятно (пятно Пуассона).
§ 11 –5 Дифракция Фраунгофера.
Этот вид дифракции наблюдается в параллельных лучах, когда волновой фронт ста-новится
плоским, а зоны Френеля принимают вид узких прямоугольных полосок. Опти-
Рис.50. Диффракция Фраунгофера на
ческая схема наблюдения этого вида дифракции представлена на рис.50. В роли препятствия здесь выступает узкая прямоугольная щель (узкая сторона щели лежит в плоскости рисунка). Разбиение поверхности щели
на зоны Френеля осуществляется следующим
образом: через край щели (точка М0 ) проводится плоскость (М0 Р), перпендикулярная
идущим в точку наблюдения лучам, а затем
проводятся параллельные ей плоскости, отстоящие друг от друга на полволны.Эти плоскости, пересекая плоскость щели, разбивают
ее на зоны Френеля, которые представляют
собой полосы, параллельные краям щели:
щели.
границы зон изображаются точками М 0,М1, М2 …, а отрезки М 0М1 , М1М2 определяют ширину
первой, второй и т.д.зон.Из рис видно,что в расчете не учитывается разность хода от плоскости
М0Р до фокуса линзы Л, предназначенной для создания резкого изображения на экране. Это
является следствием таутохронизма линзы, означающего, что лучи прохо-дят пути от М0Р до
фокуса линзы за одинаковое время. Попутно заметим, что линза ЛК предназначена для создания
параллельного пучка лучей. Предположим, что угол  выбран таким образом, что на ширине
щели укладывается целое число зон, т.е. МР = k/2 ( k = 1,2,3 …). В то же время из М0РМ
следует, что МР = ММ0 sin  или MP = bsin. Если число зон четное ( k =2m), то выбранное
направление соответствует минимуму освещенности ( зоны попарно гасят друг друга), а если –
нечетно
(k
=
2m-1)
–
то
максимуму.
Таким
образом,
имеем:
bsin = m - условие минимума,
bsin = (2ь-1)/2 – условие максимума.
При движении точки наблюдения в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка
(вдоль длинной стороны щели) картина не изменяется, и на экране видны чере-дующиеся темные
и светлые полосы. Однако интенсивности светлых полос быстро убы-вают так, что практически с
трудом удается наблюдать более двух таких полос с каждой стороны от центрального максимума.
§ 11 –6 Дифракционная решетка.
Возьмем теперь в качестве препятствия дифракционную решетку, т.е непрозрачную пластинку с одинаковыми параллельнымии равноотстоящими друг от друга щелями(рис51).
Обозначим, как и прежде, ширину щели b, а
ширину непрозрачного участка – а . Величину d = а + b назовем периодом или постоянной решетки.Выбирая ту же волновую поверхность, что и при рассмотрении дифрак-
Рис.51. Дифракция на щели.
ции на одной щели, и применяя принцип Гюйгенса-Френеля, можно заметить, что теперь в
каждой точке экрана для наблюдений собираются лучи, идущие от всех N щелей. Для вы-числения
результата сложения выделим в каждой щели одинаковые точки(например- верх-ние).Две таких
точки в соседних щелях при заданном угле  имеют разность фаз, равную
2
d sin  . В точке наблюдения колебания от всех щелей сложатся в одинаковых фазах, если

2
d sin  = 2n, откуда получается ус-ловие для
разность фаз  равна 2n (n =0,1,2…), т.е.  =

максимумов dsin = n . Можно показать, что кроме этих максимумов существу-ют еще другие,
положения которых зависит от числа щелей, но интенсивность их крайне не значительна. Чтобы
различать эти максимумы с теми, которые удовлетворяют условию dsin = n, принято называть
их дополнительными максимумами, а максимумы, соответ-ствующие условию dsin = n главными. Значение числа n определяет порядок главного максимума (первый максимум, второй и
т.д) Между максимумами должны располагаться минимумы освещенности, но с практической
точки зрения они не представляют особого интереса и в нашем курсе не рассматриваются.
=
Полученные условия главных максимумов справедливы для одной длины волны све-та.
Если же свет – белый, то для каждого из его составляющих цветов условия максимумов будут
соответствовать различным углам , т.е. на экране получится набор цветных полос. Другими
словами, дифракционная решетка позволяет анализировать спектральный состав световых лучей.
Поэтому решетку можно использовать как спектральный аппарат. Все спектральные аппараты
характеризуются такими величинами как дисперсионная область, угловая дисперсия и
разрешающая способность.
Дисперсионная область G определяет ширину спектрального интервала от до+ , в
котором максимумы для различных волн не перекрываются друг с другом.Величина G =/n, где n
- порядок максимума.
Угловая дисперсия D определяет угловое расстояние между волнами, длина которых
отличается на единицу (длины).Выражение для определения D можно получить, дифферен-цируя
условия главных максимумов: dcos =nd. Отсюда D определяется как
D
n
.
d cos 
Под разрешающей способностью А подразумевается возможность спектрального аппарата
различать линии, соответствующие близким значениям длин волн  и  + . Она определяется
выражением
A

.

§ 11 –7 Дифракция рентгеновских лучей.
Рентгеновскими лучами называют электромагнитное излучение, длина волн которого
примерно равна !0 –10 м. Длина волны рентгеновских лучей много меньше световых волн,
Рис.52. Дифракция рентгеновских лучей.
поэтому наблюдать дифракцию этих лучей в стандартных схемах не удается. Препятствиями, размеры которых сравнимы с длиной волны рентгеновских лучей,
могут служить лишь межатомные расстояния в твердых телах. Схема дифракции показана на рис.52. Атомы кристалла расположены в правильном порядке, образуя плоскости, отражающие лучи. Коэффициент преломления лучей близок к единице, и лучи отражаются
от различных плоскостей без заметного преломления
(nр  1). Обозначая угол скольжения лучей через , а
расстояние между отдельными слоями через d, можно
заметить, что разность хода между интерферирующими лучами  =AD +DC – BC. Из ADF AD =
FD/sin; AF = dtg, а из АВС ВС = 2AFcos. С учетом того, что AD = DC, имеем:
2d
2d cos2 


 2d sin .
sin 
sin 
Условие максимума будет выполняться при 2dsin = k , где k –целое число. Полученная формула
носит название формулы Вульфа – Брэггов.
Рассмотренный случай дифракции относится к конкретным межатомным плоскостям и
монохроматическому излучению, что заметно упрощает анализ условий образования максимумов. В действительности же межатомные плоскости могут быть ориентированы произвольным образом, причем в роли интерферирующих лучей могут выступать лучи, отраженные не
только от соседних плоскостей. Кроме того, следует иметь ввиду, что реаль-ные кристаллические
структуры имют три измерения, каждому из которых могут соответст-вовать различные условия
образования максимумов. Тем не менее рентгенографический метод анализа кристаллов нашел
широкое применение в петрографии, рентгеноструктур-ном анализе и ряде других приложений.
Лекция 12
Поляризация света. Взаимодествие света с веществом.
§12-1 Явление поляризации.
Обычно считается, чтопонятие поляризации связано с сохранением неизменной ориен-тации
плоскости колебаний. Говорить о поляризации имеет смысл только для поперечных колебаний.
Свет, как мы знаем, является электромагнитной волной, а эти волны – попереч-ны и поляризованы
(см.рис.37) так, что казалось бы, световые колебания всегда должны быть поляризованы. Однако
мы знаем, что световые волны испускаются отдельными цуга-ми, продолжительность которых не
превышает 10–8 сек. Процесс испускания является слу-
чайным, и фаза испущенной волны, а также ориентации векторов Е и В в плоскости, пер пендикулярной
направлению излучения, могут быть любыми.Т.к.
вектора Е и В в волне жестко связаны друг с другом,
имеет смысл рассматривать лишь один из них (пусть,
для определенности, это будет вектор Е). В среднем, в
любой волне все допустимые ориентации вектора Е
Рис.53. Прохождение света через
анализатор и поляризатор.
равновероятны (см. рис.53). Существуют приспобления, называемые поляризаторами, которые обладают
способностью пропускать через себя световые лучи
только с одним направлением плоскости колебаний электрического вектора Е, так что на выходе
поляризатора свет становится плоско (линейно) поляризованным. Человеческий глаз не в
состоянии обнаружить, поляризован свет или неполяризован. Для того, чтобы обнаружить это,
необходимо использовать второе такое же приспособление, которое на-зывают анализатором.
Если направление пропускания анализатора и поляризатора совпа-дают, луч света на выходе из
анализатора имеет максимальную интенсивность. При про-извольном угле  между
направлениями анализатора и поляризатора (см.рис.53) амплитуда световых колебаний,
выходящих из анализатора ЕА = ЕП cos, где ЕП – амплитуда колеба-ний на выходе из
поляризатора. В электромагнитной волне плотность энергии (интенсив-ность) пропорциональна
квадрату амплитуды колебаний Е, т.е. I П  Е 2П и IА  Е 2А . На осно-вании этого получаем:
I A  I П cos 2  .
Это соотношение называется законом Малюса.
§12-2 Закон Брюстера.
Простейшим приспособлением для поляризации света может служить прозрачное
диэлектрическое зеркало. Пусть на диэлектрик (см. рис.54) падает луч естественного света. Обозначим через n2 коэффициент преломления диэлектрика,
а через n1 – коэффициент преломления среды, откуда падает свет
( - угол падения,  - угол преломления). Условимся изображать
направление колебаний вектора Е в виде точек или тонких черточек, где точка изображает направление вектора, перпендикулярное плоскости чертежа, а черточка означает, что вектор Е лежит в плоскости чертежа. В естественном свете равновероятны
все направления колебаний Е, что изображается в виде того, что
количество точек и черточек одинаково. Опыт показывает, что
Рис.54. Поляризация отраженный и преломленнвй лучи становятся частично полярисвета при отражении зованными, причем в отраженном свете преобладающими становятся колебания, плоскость которых перпендикулярна плоси преломлении.
кости чертежа, а в преломленном предпочтительнее оказываются направления колебаний в
плоскости чертежа ( на рис. это изображается в виде преимущества числа точек или черто-чек).
Существует угол падения, при котором
отраженные лучи становятся полностью поляризованными. Этот угол называется углом Брюстера, его значение связано с отношением n2/n1 =
n21, т.е. относительным показателем преломления:
tg  n 21 .
Качественное объяснение этого закона следует из рассмотрения микроскопической картины
распространения светв в веществе. Рассмотрим упрощенную модель взаимодействия света с
веществом, согласно которой переменное электрическое поле световой волны приводит в
двихение атомы вещества. Атом же представим как диполь, где роль отрицательного заряда
Рис.55. Индикатрисса излучения диполя.
играет внешний электрон, а вся остальная
часть атома рассматривается как положительный заряд (ион). Т.к. масса положительного иона во много раз ( более 2000) больше,
чем масса электрона, можно рассматривать
лишь колебания электрона. Строгая теория
электромагнетиза показывает, что колеблющийся диполь становится излучателем электромагнитных волн, причем интенсивность
излучения различна в разных направлениях.
Для иллюстрации анизотропности излуча-
тельной способности диполя строится диаграмма (индикатрисса), на которой интенсивность
излучения в заданном направлении изображается в виде вектора. Длина этого вектора и характеризует интенсивность излучения. Пространственное изображение индикатриссы при-ведено
на рис.55. В правой части рисунка показано сечение диаграммы вертикальной пло-скостью,
проходящей через центр диаграммы.
Положения рассмотренной модели применим для объяснения закона Брюстера. В падающем на границу раздела двух сред естественном свете вектор Е принимает всевозмож-ные
направления (см.рис.53), но без ограничения общности можно рассматривать лишь два:
Рис.56. К выводу закона Брюстера.
Е и Е , т.к. любой вектор Е можно представить как их сумму (см. левую часть
рис.56). Вектор Е соответствует колебаниям, которые происходят в направлении, перпендикулярным плоскости чертежа,а Е характеризует колебания в этой плоскости.
Представляет интерес рассмотреть лишь составляющую Е .Если диполь излучает волну
Е в направлении преломленного луча ( пра-
вая часть рис.56), то из диаграммы направленности следует, что в направлении,перпендикулярном этому лучу, никакого излучения не происходит. В этом направлении излучаются лишь
волны с напряженностью Е . Из этого следует, что если луч преломленный и луч от-раженный
перпендикулярны друг другу, то в отраженном свете полностью отсутствуют ко-лебания с Е .Из
рисунка видно, что  + + 900 = 1800,или + =900, тогда как из закона преломления следует, что
sin = n21 sin . Подставляя в закон преломления  = 900 -  , по-лучим sin = n21sin(900 -) =
n21cos, т.е.
tg = n21.
§12-3 Поглощение света.
При прохождении света через вещество часть энергии световой волны поглощается,
переходя во внутреннюю энергию вещества. Для оценки величины этих по-терь рассмотрим
световой поток, распространяющейся вдоль оси х (рис.57).0пыт показы-вает,что при прохождении
очень тонкого слоя вещества толщиной dx относительная убыль
Рис.57. Изменение интенсивности света при его поглощении.
интенсивности, т.е.отношение изменения интенсивности dI в этом слое к интенсивности падающего света
I(х) ( см.рис.57),пропорциональна толщине слоя:
dI
  Kdx ,
I
где коэффициент К, зависящий от свойств вещества,
называется коэффициентом поглощения.Знак минус
отражает убывание интенсивности с ростом х. Изменение интенсивности света при прохождении слоя конечной толщины х находится путем прямого интегрирования вышеприведенной формулы:
I
x
dI


 I 0 Kdx .
I0
Потенцируя последнюю формулу, получим известный закон Бугера: I  I 0 e  Kx .
§ 12 - 4 Рассеяние света.
Плоская волна, распространяющаяся в однородной среде, остается плоской.Однако если
среда неоднородна и в ней имеются включения с другими оптическими свойствами, то кроме
волны, распространяющейся в первоначальном направлении, появляются волны, рассеянные в
стороны. Эти волны уносят часть энергии и уменьшают интенсивность первоначального луча.
Характер рассеяния зависит от размеров и природы неоднородностей.Если их размеры больше
длины волны.то наблюдается чисто геометрическое рассеяние.Это касается прежде всего твердых
частиц, взвешенных в воздухе.Падающий на разные участки поверхности частицы солнечный свет
отражается под различными углами. Если при этом спектральный состав света не меняется, то
рассеянный свет остается белым (примером это-го может служить белый цвет неба в
пустынях.когда восходящие воздушные потоки пере-носят в верхние слои атмосферы мелкие
частицы песка). В целом наблюдаемая картина рас-сеяния очень чувствительна к размерам и
форме неоднородностей( радуга и гало вокруг солнца, вызванные наличием в земной атмосфере
соответственно капелек и льдинок).
Если размеры неоднородносей существенно меньше длин волн света, то интен-сивность
рассеянного света удовлетворяет закону Рэлея: Iрас~ Io 4 , где  -частота падаю-щего света,
причем интенсивность рассеянного света различна по разным направлениям (т.е анизотропна).
Сильная зависимость интенсивности рассеянного света от частоты означает,
что существенно сильнее рассеиваются волны с большей частотой. В частности, если
через среду идет волна от источника белого
света (от Солнца - см.рис.58),то при наблюдении сбоку среда кажется голубоватой, а
сам источник на просвет выглядит более
красным. Этим объясняется голубой цвет
неба и красный цвет зари. Разные цветовые
Рис.58. Рассеяние света в атмосфере.
оттенки получаются из-за разных геометрических расположении источника и наблюдателя. Так в глаз наблюдателя 1 ( см.рис.) прихо-дит
прямой луч, тогда как наблюдатель 2 видит, в основном, рассеянные лучи.
§ 12 - 5 Дисперсия света.
Дисперсией называется зависимость скорости распространения световой волны в среде от
частоты. Поскольку скорость волны однозначно связана с показателем прелом-ления среды ( v =
c/n; n =  ), то нашей задачей будет выяснение характера зависимости диэлектрической
постоянной от частоты. Здесь уместно напомнить, что  =1+  ( - диэлектрическая
восприимчивость, определяющая соотношение между поляризацией ве-щества Р и действующем
электрическим полем Е : Р = о Е ).В то же время величина вектора поляризации определялась
как суммарный дипольный момент единичного объема: Р =Nqx, гдe величина qx характеризует
дипольный момент каждой молекулы диэлектрика. При решении задачи будем пользоваться той
x
m

(02
eE
  )  4 
2 2
2 2

,
же моделью.что применялась ранее при рас-смотрении закона Брюстера. Под действием
переменного электрического поля световой волны расстояние электрона до положительного иона
периодически изменяется.т.е. элек-трон совершает вынужденные колебания под действием
внешней периодической силы.Вид этого уравнения, и его решение уже изучались ( см уравнение
колебаний в кон-туре).Поэтому можно сразу написать выражение для амплитуды колебаний
электрона в атоме:
где  характеризует затухание колебаний, а 0 может рассматриваться как собственная частота
колебаний электрона в атоме.Для упрощения математических выкладок будем пренебрегать
затуханием,т.е положим  = 0.Тогда величина поляризации равна:
Р = Ne
2
m
E

02
 2
.
С другой стороны,выше указывалось,что Р = 0 Е, поэтому
1
 = Ne 2
.
m 0  02   2 
Ne 2
Тогда
 = 1 + = 1 +
;  = n2 .
 0 m 02   2
Таким образом, имеем:
Ne 2
n2  1
.
 0 m 02   2
График частотной зависимости в сделанных упрощениях показан на рис.59. Из рис. видно,что вдали от резонансной
частоты показатель преломления (точнее n2 ) возрастает пропорционально квадрату частоты.Такая частотная зависимость
получила название нормальной дисперсии. Когда же частота
внешних колебаний приближается к частоте собственных,
амплитуда возрастает неограниченно.Ясно,однако,что этот
результат есть следствие наших упрощений. При наличии затухания кривая имеет конечный максимум ( см. рис.59 ).
Вблизи резонансной кривой показатель преломления имеет
другой характер зависимости. Говорят, что - это область аноРис.59 Частотная зависимальной дисперсии, т.к. для нее величина n2 падает с ростом
мость показателя преломчастоты, причем это наблюдается на фоне повышения погления.
лощения света (амплитуда колебаний электрона возрастает).


Лекция 13


Законы теплового излучения.
§13 - 1 Закон Кирхгофа.
Обычно тепловым излучением считают электромагнитные волны, длина волны которых
лежит в интервале от одного до нескольких десятков микрон (1 мкм = 10 - 6 м). Эти волны, также
как и свет, испускаются атомами в виде отдельных цугов, начальная фаза и поляризация которых
изменяются хаотически от одного элементарного акта испускания к другому. Поэтому тепловое
излучение является некогерентным,и его закономерности ока-зываются справедливыми для всего
диапазона электромагнитных волн.
Опыт показывает, что тепловое излучение можно охарактеризовать некоторыми па-раметрами. Известно,например, что интенсивность излучения зависит от температуры. Дру-гим
важным свойством излучения является его спектральный состав, т.е распределение интенсивности по различным частотам. Наиболее общей величиной для характеристики теп-лового
излучения может служить поток энергии.Количество энергии, приходящееся на еди- ничный
интервал частот, которое испускает единица площади (1м2) нагретого тела называется
излучателыной способностью:
Е ,Т = d Физл / d  .
Одновременно вводится понятие поглощательной способности А ,Т , определяемой как
отношение поглощенной энергии к падающей,т.е.А ,Т = dФпог / dФпад .Тело, погло-щательная
способность которого равна единице.называется абсолютно черным телом.
Между испускательной Е ,Т и поглощательной А ,Т способностями существует
определенная взаимосвязь. Для установления этой взаимосвязи
рассмотрим некую замкнутую полость, вырезанную внутри
изолированного от внешних воздействий тела(см.рис.60).
Каждый участок поверхности полости излучает и поглощает
лучистую энергию.Согласно законам термодинамики через некоторое время внутри полости наступит равновесие – темпераРис.60.Излучение в зам- тура всех ее частей(и излучения тоже) станет одинаковой.
Излучение, находящееся в тепловом равновесии с окружающикнутой полости.
ми телами,называется равновесным. Опыт показывает, что в природе излучение всегда
равновесно, т.е.его интенсивность и спектральный состав в точности соответствует темпе-ратуре
излучившего его тела.
Существующий между различными участками поверхности тепловой баланс должен выполняться для всех каналов теплообмена, т.к. в противном случае можно бы было перекрыв любой из
них добиться нарушения равновесия,что противоречит законам термо-динамики.В частности.это
значит.что равновесие выполняется для каждого частотного интервала. Выделим внутри полости
некоторую площадку S, излучательная способность которой равна Е,Т, а поглощательная - А,Т , и
пусть на эту площадку падает поток энергии dФпад.B интервале частот от  до + d площадка
излучает поток энергии dФизл = Е,Т Sd и поглощает dФпог = А,ТdФпад.В равновесии dФизл = dФпад.
E  ,T
Из этого следует:
dФпад =
dS .
A  ,T
Заменим теперь площадку S участком поверхности абсолютно черного тела с излучатель-ной
способностью ,Т .Равновесие от этого нарушится не должно, и поток падающей энер-гии должен
сохранить свое значение: dФпад = ,Т S d . Сравнивая это выражение с выраже-нием для
падающего потока энергии на площадку S, получим:
E  ,T
   ,T
A  ,T
т.е. отношение испускательной и поглощательной способностей остается постоянным для любого
тела.. Другими словами, их отношение есть универсальная функция частоты и температуры.Это
положение носит название закона Кирхгофа.
§ 13 - 2 Вывод выражения для излучательной способности.
Это выражение впервые было получено М.Планком, который, опираясь на известный ему
экспериментальный материал, предположил, что энергия световой волны пропорциональна не
квадрату ее амплитуды, а частоте , т.e. Есв = h , где h - коэффициент пропорциональности,
известный теперь как постоянная Планка ( h = 6,62 10 -34 Дж сек.), причем про-цесс излучения
происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. В связи с этим предположением
энергия диполей также изменяется скачком от E1 до Е2. Однако мы приведем более простой
вывод, принадлежащий А.Эйнштейну. Основная идея этого вывода состоит в том, что кроме
спонтанных актов излучения, происходящих с вероятностью А i k существуют вынуженные
элементарные акты излучения и поглощения под действием внеш-ней периодической силы,
вероятности которых Вi k или Вk i , в зависимости от направления перехода.
Рассмотрим систему, состоящую из большого числа (No) диполей, находящуюся в сос-тоянии
равновесия с тепловым излучением, спектральная плотность энергии которого( т.е. излучательная
способность) равна ,Т .
Обозначим энергию диполя до момента излучения через E1, a энергию диполей после излучения –
E2 ; число диполей в состояниях Е1 и Е2 - через N1и N2 . Количество спонтанных переходов из
cп
состояния с энергией Е1 в состояние с энергией Е2 равно  N12
= A12 N1 .B то же время под
действием теплового излучения, характеризующегося излучательной способ-ностью ,Т
происходят вынужденные переходы как из состояния 1 в состояние 2, так и обратно.Число этих
вын
переходов равно  N 12
= N1В12 ,Т ,  N вын
21 = N2 B21,Т .
В состоянии теплового равновесия число переходов из состояния I в состояние 2 должно
равняться числу переходов из состояния 2 в состояние l.Ha основании этого запишем
вын
cп
 N12
+  N 12
=  N вын
21 или А12N1 +N1В12 ,Т = N2 B21,Т .
Отсюда находим ,Т :
A12
.
N2
B 21
 B12
N1
Для оценки отношения N2 / N1 используем представления классической статистики, позволяющей
на основании распределения Больцмана вычислить число частиц с заданной энергией:
N1  N 0 e  E1 / kT ; N 2  N 0 e  E 2 / kT , где N0 -общее число частиц в системе. Отсюда
,Т =
A12 N1

B 21 N 2  B12 N1
N2
 e E1 E 2  / kT .
N1
Тогда с учетом того, что, как показывает эксперимент,В12 =В 21 , получим
A /B
,Т = h12/ kT 12 .
e
1
В последнем выражении использовано представление Планка, что E1 –E2 = h. Отношение A12 /
B12 не может быть вычислено в нашем курсе. Строгий расчет показывает, что оно рав-но h3 /с2 ,
где с – скорость света. Поэтому выражение для излучательной способности при-обретает
следующий вид:
1
h 3
,Т = 2
.
h
c
e kT  1
Графическая зависимость излучательной способности
приведена на рис.61, где по оси частот отложена угловая частота  =2n.
§ 13-3 Законы Стефана- Больцмана и Вина.
Из рис.61 видно, что для каждой температуры
излучательная способность имеет максимальное
значение при определенной частоте излучения. Для
определения этой частоты проведем исследова-ние на
экстремум величины ,Т , предварительно проведя
замену перемен-ной в целях сокращения записи.
Введем новую переменную х:
h
х=
;
kT
xkT
kT
x 3 k 3T 3
тогда  =
;
3 =
и
d =
dx .
3
h
h
h
Рис.61 Зависимость излучательТеперь выражение для излучательной способности
ной спосбности от частоты и
приобретает такой вид:
температуры.
1
k 3T 3
,Т = 2 2 x 3 x
.
e 1
c h
Вычисляя первую производную и сокращая полученный результат на постоянную величи-ну,
имеем:


3x 2 e x  1  x 3 e x
e
x

1
2
= 0.
Из этого выражения видно, что оно равно нулю, если числитель дроби равен нулю, откуда для
определения экстремального значения х получаем трансцендентное уравнение:
e x 3  x   3 .
Можно показать,что это уравнение имеет решение (приближенное значение х м =2,8214 ), для
простоты обозначим его а',т.е. х М = а', или hМ / kT = а', откуда следует закон Вина:
М =аТ.
В этом выражении постоянная а является комбинацией других постоянных: а = a’ , k / h .
Определим интегральную излучательную способность Ет (она называется энергети-ческой

светимостью) как ЕT =    ,T d , или в обозначениях новой переменной:
0

k 4T 4
x3
dx .
h 4 c 2 0 e x  1
Интеграл в этом выражении является табличным,его величина равна л4 / 15.0бозначая через 

4k 4 
 получаем следующее выражение для энергети-ческой
комбинацию постоянных   
4 2 
15
h
c


светимости: ЕТ = Т4, которое известно как закон Стефана-Больцмана.
Сравним теоретические выводы с практикой.Экспериментальные данные показывают, .что
при комнатной температуре максимум излучения лежит в далекой инфракрасной об-ласти,
излучение в видимой области практически отсутствует. При температуре, приближающейся к
1000 К, максимум по-прежнему в инфракрасной области, однако и из-лучение в видимой части
спектра становится заметным ( см.рис.61). В силу того, что интен-сивность от длинных, красных
волн, к коротким, фио-летовым, падает, наибольшая интен-сивность излучения приходится на
красную часть спектра - это температура «красного каления». По мере роста температуры
различие в интенсивностях падает, излучение приоб-ретает желтый, а затем белый цвет. При
температуре между 5000 и 6000° К максимум про-ходит через область спектра, к которой
человеческий глаз наиболее чувствителен. Тем-пературе 5900 К отвечает температура
поверхности Солнца, лучеиспускательная способ-ность которого близка к лучеиспускательной
способности абсолютно черного тела. Такое излучение воспринимается глазом как белый, дневной
свет. При более высоких темпера-турах максимум смещается в ультрафиолетовую область, а
интенсивность в фиолетово - голубой области становится большей, чем в красной. Излучение
приобретает голубой отте-нок.
ET =
Лекция 14


Строение вещества.
§14-1 Теория атома Бора.
Изучая прохождение а-частиц (ядер атомов гелия) через тонкую золотую фольгу, английский ученый Э.Резерфорд обнаружил, что большинство этих частиц свободно прохо-дит через
многочис-ленные слои атомов, и вещество в этих экспериментах ведет себя как крупное
сито.свободно пропускающее довольно тяжелые заряженные частицы. Для объяс-нения полученных результатов Резерфорд разработал так называемую планетарную модель атома, где
основная масса сосредоточена в ядре, размеры которого крайне малы,а электро-ны, входящие в
состав атома, вращаются вокруг этого ядра. Планетарная модель хорошо объясняла поведение ачастиц, но противоречила выводам классической физики: двигаясь с ускорением любая
заряженная частица должна излучать электромагнитные волны. Энергия электрона в этом случае
должна быстро уменьшаться,и он должен упасть на ядро.
Датский физик Н.Бор сумел разрешить это противоречие, сформулировав три постулата,
которые легли в основу боровской теории строения атома. Эти постулаты гласили:
1.в атоме существуют стационарные орбиты, на которых электрон не излучает и не пог-лощает
энергии,
2.радиус стационарных орбит дискретен; его значения должны удовлетворять условиям
квантования момента импульса электрона:
h
mvr =n
, где n - целое число,
2
3.при переходе с одной стационарной орбиты на другую электрон испускает или поглощает квант
энергии, причем величина кванта в точности равна разности энергий этих уровней:
h = E1 – Е2.
Из этих постулатов видно,что фактически Бором были введены новые - квантовые представления
о свойствах электрона в атоме. Покажем,что в этих предположениях энергия элек-трона также
становится дискретной (квантуется).
Пусть Ze - заряд ядра атома, вокруг которого вращается один электрон массы m. Радиус
орбиты обозначим г, а скорость электрона на орбите - v. Тогда уравнение движения электрона
можно записать в следующем виде:
mv 2
1 Ze 2
,

r
40 r 2
где сила, стоящая в правой части этого уравнения, представляет собой кулоновскую силу взаимодействия двух зарядов: е и Ze, a величина v2 /r характеризует центростремительное ускорение
электрона. Сокращая знаменатели обеих частей этого уравнения и используя выражение второго
постулата Бора, получаем систему из двух уравнений, где неизвестными являются скорость v и
радиус орбиты r :
40 mv 2 r  Ze 2 ;
2mvr  nh .
Деля почленно одно уравнение на другое, получаем: v =
Ze 2
.Подставим выражение
2 0 nh
для скорости во второе уравнение нашей системы и найдем выражение для радиуса орбиты:
0n 2h 2
.
mZe 2
Общая энергия электрона на орбите складывается из его кинетической энергии и потен-циальной энергии его взаимодействия с зарядом ядра:
Wo = Т кин + Uпот ,
mv 2
1 Ze 2
W0 

или
.
2
40 r
r=
Знак минус отражает тот факт,что заряд электрона - отрицательный. Подставляя в это выражение
полученные ранее значения скорости и радиуса, находим:
mZ 2 e 4
mZ 2 e 4
1
W0 = 2 2 2  2 2 2   R 2 ,
8 0 n h
4 0 n h
n
2 4
mZ e
где R  2 2 называют постоянной Ридберга .
8 0 h
Таким образом общая энергия электрона в атоме оказывается отрицательной, и она увеличивается с ростом n.
Частота излучения, которое соответствует переходу с орбиты номера n на орбиту с номером
m, равна:
=
R 1
1 
 2  2 .
h m
n 
Если атомы являются изолированными и не участвуют в других взаимодействиях, то допускаемые
частоты образуют набор отдельных спектральных линий, соответствующих различным значениям
чисел n и m. Обычно такое состояние атомов наблюдается в газах. Каждому химическому
элементу соответствуют свои спектральные линии - на этом основан спектральный анализ,
позволяющий по наблюдаемому набору линий установить химичес-кий состав исследуемого
объекта. При исследовании спектров испускания наблюдаются узкие светящиеся линии, а если
свет проходит через холодный газ, то наблюдаются темные линии на тех местах, которые
соответствуют положению линий излучения горячим газом. Эти темные линии называются
спектрами поглощения.
При очень низких температурах электроны в атомах стремятся занять орбиты с наименьшими
значениями энергии, но при конечных температурах за счет энергии теплового движения атомов
электроны могут приобретать дополнительную энергию и переходить на более высоколежащие
орбиты, степень заселенности которых определяется распределением Больцмана: чем выше
значения энергии, тем меньшее количество электронов занимают данный уровень. Поэтому в
обычном состоянии атомы больше поглощают электромагнитные волны ( набор разрешенных
частот может лежать в любом диапазоне), чем излучают. Для того, чтобы процесс излучения
преобладал над процессом поглощения, атому необходимо сообщать энергию. Приобретая эту
энергию, атомы переходят в возбужденное состояние, но оно является энергетически невыгодным,
и обычно через очень короткий промежуток времени электроны возбужденного атома переходят
на орбиты с меньшей энергией. Процесс перехода является случайным, поэтому значение
начальной фазы и направления колебаний векторов электрического и магнитного полей
изменяются от одного атома к дру-гому хаотическим образом. Получающееся электромагнитное
излучение является некоге-рентным. Однако существует возможность своебразной синхронизации
процессов излуче-ния. Использование такой возможности определяет принцип действия
генераторов корот-коволнового излучения - мазеров и лазеров.
§ 14 - 2 Принцип действия лазера.
Как уже отмечалось, кроме случайных переходов электронов в атоме с одной орбиты на
другую, существуют еще и вынужденные переходы, происходящие под действием внешнего
переменного поля. В этом случае фаза и направление световых колебаний жестко связываются с
аналогичными параметрами вынуждающего излучения. Если в качестве та-кого излучения можно
бы было использовать один или несколько квантов, то возникающее вторичное излучение носило
бы когерентный характер. Для достижения этого необходимо, чтобы один и тот же квант
вынуждающего излучения инициировал излучение большого количества возбужденных атомов,
которые ждали бы такого внешнего воздействия, т.е.их время жизни в возбужденном состоянии
было бы значительно больше, чем у обычных атомов.Это значит, что атомы, как принято
говорить, должны находится в метастабильном состоянии.
Такое метастабильное состояние обычно получается в атомах примеси, находящихся в
окружении "чужих" атомов. Причины такой метастабильности суть прямое следствие
квантовомеханических расчетов, которые в нашем курсе не проводятся. Длительность пре-бывания атома в метастабильном состоянии в несколько тысяч раз превышает их время жизни в
обычном возбужденном состоянии. Для того, чтобы процессы излучения превалировали над
процессами поглощения, требуется создать инверсию заселенности атомных уровней,
т.е.добиться того, чтобы число атомов с энергией Е2 было больше.чем число атомов с энергией Е1
(Е2 >E1). Такая инверсионная заселенность достигается с помощью внешнего воздействия: это
либо сильный некогерентный свет, как в рубиновом лазере, либо газовый разряд - в газовых
лазерах, где энергия передается путем ионизации при столк-новениях. Схема получения
когерентного излучения в газовом лазере, работающего на сме-
си гелия и неона показана на рис.62. Смесь
гелия и неона помещена в газоразрядную
трубку. Атомы гелия испытывают возбуждения в газовом разряде и переходят в метастабильное состояние. При их столкновениях с атомами неона, последние также
переходят в возбужденное метастабильное
состояние. Трубка помещена между двумя
плоскими параллельными зеркалами так, что
случайно излученный квант многократно
отражается от зеркал и проходит через всю
трубку по ее длине. Такой квант могут
Рис.62. Схема действия гелиево-неонового излучать лишь атомы неона. Проходя мимо
лазера.
метастабильно возбужденных атомов неона,
этот квант вызывает у них вынужденное излучение. Это когерентное излучение, в свою очередь,
многократно отражаясь от зеркал, вызывает новые вынужденные переходы и т. д. Процесс
развивается лавинообразно.Для того, чтобы получившийся когерентный свет мог выйти наружу,
одно из зеркал делается полупрозрачным. Для лучшей фокусировки луча зеркала делаются
немного вогнутыми. Кроме того, для улучшения условий возбуждения зеркала размещаются так,
чтобы между ними укладывалось целое число световых волн. Когерентный свет образуется при
переходе с уровня Е2 на уровень E1 . Накопления атомов в состоянии с Е1 не происходит, т. к.
вступает в действие механизм передачи энергии от этих атомов стенкам труб-ки путем упругих
столкновении, если диаметр трубки не слишком велик. Торцевые стенки трубки имеют важную
конструктивную особенность. Если сделать их перпендикулярными лучу, то при каждом
прохождении луча света на границе раздела теряется примерно 8-10% интенсивности падающего
света. При многократном про-хождении мощность потерь во много раз может превысить
мощность выходящего луча.
Чтобы этого не происходило, торцевые стороны трубки делаются наклонными так , что
угол наклона (см. рис.63) равен углу Брюстера. Как мы знаем, при падении света под
углом Брюстера на прозрачную границу в
отраженном свете полностью отсутствует
Рис.63. Конструкция выходных окон лазе- поляризация, лежащая в плоскости падения.
ра.
Другими словами, это значит, что поляризация в плоскости падения целиком проходит через границу раздела вакуум - диэлектрик.
Лазеры ( название состоит из первых букв английского light amplification by stimulated emission of
radiation) находят очень широкое применение в современной науке и технике. Их применяют при
изготовлении деталей современной электроники, для сварки тканей в медицине, термообработке
деталей в машиностроении, передаче информации и т.п. С лазерами связываются определенные
надежды в получении управляемой реакции ядерного синтеза.
§ 14 - 3 Строение ядра атома.
Согласно современным представлениям в состав ядра атома входят протоны и нейтроны.
Размеры ядра очень малы – всего10-'5 м. Частицы удерживаются в столь малых размерах с
помощью особых ядерных сил. Эти силы характеризуются тем, что они дей-ствуют только на
очень малых расстояниях. Кроме того, они сильно зависят от расстояния (не менее.чем 1/г3) и
обладают свойством насыщения. Теория ядерных сил не может быть изложена в рамках
настоящего курса ввиду отсутствия соответствующей математической базы, но некоторые
представления о природе ядерных сил можно получить из гипотезы японского физика Х.Юкавы,
который в 1935 году предположил, что нейтроны и протоны удерживаются благодаря тому, что
они обмениваются друг с другом некими частицами, масса которых примерно равна 300 массам
электрона. Эти частицы получили название мезонов ( для теории Юкавы - это так называемый
минус  - мезон). Суть взаимодействия сводится к тому, что нейтрон испускает  -мезон и
превращается в протон, тогда как протон в ядре тут же захватывает получившийся мезон и
превращается в нейтрон. В настоящее время идея Юкавы получила разразвитие в рамках другой
теории - так называемой теории глюонов ( от английского слова glue - клей), однако изложение
основ этой теории невозможно в курсе общей физики.
Число протонов в атоме определяет его как химический элемент, тогда как число нейтронов в атоме может меняться - при этом образуются разные изотопы. У каждого элемента
периодической таблицы может быть несколько изотопов. Например, существуют три изотопа
водорода: протий, дейтерий и тритий.
Массы нейтрона и протона измерены достаточно точно. При этом было замечено.что суммарная
масса всех протонов и нейтронов, входящих в состав ядра атома, никогда не равняется массе
данного химического элемента - масса ядра меньше суммарной массы всех нейтронов и протонов.
Это явление получило название дефекта масс. Сущность этого дефекта в том, что часть массы как
бы превращается в энергию связи протонов и нейтронов в ядре( для численной оценки
используется знаменитая формула Е = m с2). Чтобы атом снова распался на составные части, ему
нужно сообщить энергию. Для большинства элементов средней части таблицы Менделеева
величина энергии, необходимой для"разбиения" атома на составляющие, очень велика, но к концу
таблицы энергия связи уменьшается, и может случится, что сообщение ядру сравнительно
небольшой энергии окажется достаточным для преодоления притяжения протонов и нейтронов.
Переносчиком такой "затравочной" энергии обычно служат свободные нейтроны. При распаде
ядер тяжелых элементов энергия связи выделяется в виде большого количества тепла.
Распад тяжелых элементов, в первую очередь, таких как уран и плутоний, используется на
практике для получения энергии. Выделение энергии может происходить либо за малый
промежуток времени (взрыв), либо достаточно плавно( атомный котел). Это выделение энергии
достигается путем осуществления цепной реакции деления. Наиболее известна реакция деления
92
изотопа урана 235 U В природном уране концентрация 235 - изотопа незначительна, поэтому
добытую руду подвергают предварительному обогащению, однако даже в обогащенном уране
превалирует основной изотоп - уран-238. Деление ядер урана происходит при попадании в них
нейтронов, причем разные изотопы "требуют" различных нейтронов. Так 238-изотоп делится при
попадании в него быстрых нейтронов, тогда как 235 -изотоп делится под действием медленных
нейтронов (термин"медленный"означает, что скорость нейтронов сравнима с скоростью теплового
движения молекул).При каждом элементарном акте деления кроме тепловой энергии получается
некоторое число (от одного до трех) нейтронов, наличие которых и обеспечивает цепной характер
реакции. Для осуществления цепной реакции деления урана-235 необходимо выполнение трех
условий:
1.нейтроны должны быть медленными,
2-коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы,
З.масса изотопа должна быть больше критической.
Для получения медленных (тепловых) нейтронов используются замедлители (тяжелая вода или
графит). Скорость размножения нейтронов регулируется путем введения специальных
поглотителей (бор или кадмий). Требование критической массы связано с тем, что процесс
поглощения вторичных нейтронов является случайным - нейтрон должен пролететь мимо
достаточного числа делящихся атомов, прежде чем он будет поглощен. Требуемые для начала
реакции первичные нейтроны всегда присутствуют в окружающей среде как следствие природной
радиоактивности, или как результат воздействия на земную атмосферу космических лучей (
космические лучи - это поток тяжелых частиц с очень большой энергией ). Кроме цепной реакции
деления возможна реакция синтеза более тяжелых ядер из ядер легких элементов. Выделяющееся
при этом количество тепла во много раз превышает тепло, образующееся при цепной реакции
деления. Для возникновения такой реакции необходимо преодолеть кулоновские силы
отталкивания, что достигается сообщением ядрам высоких скоростей встречного движения.
Высокие скорости, а следовательно, и высокие энергии, достигаются тем, что атомы
разогреваются до температур порядка 10 млн. градусов. В земных условиях это достижимо лишь
при атомном взрыве. Реакция синтеза при этом носит неуправляемый характер. Устройство, где
осуществляется реакция синтеза атомов гелия из смеси дейтерия и трития, называют водородной
бомбой. Реакция синтеза сопровождается выделением большого числа нейтронов и также является
цепной (пример - Солнце).
§ 14-4 Строение элементов и периодическая таблица.
Как уже отмечалось, заряд ядра атома, а следовательно, и его положение в таблице
Менделеева определяется количеством протонов. Число электронов, окружающих ядро, должно
соответствовать числу протонов. Вследствие запрета Паули, электроны располагаются на разных
энергетических уровнях. Величина энергии зависит от значения главного квантового числа n.
Форма орбиты (в рамках теории Бора) определяется орбитальным квантовым числом l, значения
которого могут изменяться от ( n-1) до -( n-1). 0рбиты с разными l носят названия: s - оболочек ( l
= 0 ), р- оболочек (l = 1), d- (l = 2), f- ( l = 3) и т.д. На каждой оболочке размещается 2( 2l + 1)
электронов, т.е. их число равно 2 (одному значению l соответствуют два электрона с
противоположными направлениями спинов), 6,10,14 и т.д. Общее число электронов в атомах, где
оболочки полностью заполнены равно 2,8,18,32 и т.д. Рассматривая таблицу, можно заметить, что
этим числам соответствуют атомы гелия, неона, аргона, криптона и т.д. ,т.е. атомы инертных
газов. Свойства каждого элемента определяются тем, как выгоднее ему достроить свою внешнюю
оболочку до замкнутой: отдавая. или получая электроны.
Заполнение оболочек происходит постепенно при переходе от одного элемента к другому, но
порядок заполнения может нарушаться для так называемых переходных элементов. Электронам
оказывается энергетически выгоднее занимать орбиты с большим квантовым числом, оставляя
незаполненной внутреннюю оболочку. По названию незаполненной оболочки переходные
элементы образуют 3d-, 4d - и 5d - группы. Отдельные группы образованы редкоземельными и
трансурановыми элементами.
1. Предмет оптики.
Оптика  раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его
взаимодействие с веществом.
Под светом понимают видимый свет, а также инфракрасную и ультрафиолетовую часть
спектра. Диапазон оптического спектра:  = 2мм  10нм;  = 1,5*1011 Гц  3*1016Гц.
Для объяснения световых явлений в физике используются 2 теории света: корпускулярная (И.
Ньютон) и волновая (Х. Гюйгенс).
По волновой (электромагнитной) теории световое
электромагнитные волны. Свет  волны поперечные.
излучение
представляет
собой
Е  световой вектор (оказывает физиологическое, фотоэлектрическое и фотохимическое и др.
воздействия).
с = 3*108м/с  скорость света в вакууме = 1/  (0 * 0).
Фазовая скорость распространения электромагнитных волн: V -= с /  ( * ).
Отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости в среде называется абсолютным
показателем преломления этой среды: n = с / V =  ( * ).
При помощи волновой теории объясняют законы распространения света.
По корпускулярной (фотонной) теории световое излучение представляет собой поток фотонов
(корпускул). На основе корпускулярной теории объясняют законы взаимодействия между светом
и веществом.
Волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции.
Интерференция света.
1. Понятие о цуге световых волн.
Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых отдельными атомами. Процесс
излучения отдельного атома продолжается  108c. За это время успевает образоваться
последовательность горбов и впадин протяженностью  3х метров, так называемый "цуг волн".
"Погаснув" атом через некоторое время "вспыхивает" вновь. Одновременно вспыхивают много
атомов. Возбуждаемые ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют световую волну.
Плоскость колебаний каждого цуга ориентирована случайным образом. Поэтому, несмотря на то,
что световые волны  волны поперечные, в результирующей световой волне колебания
происходят во всевозможных направлениях.
2. Понятие о когерентности световых волн.
Когерентностью называется согласованное протекание нескольких колебательных или
волновых процессов.
Колебания называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени.
3. Сложение световых волн от некогерентных источников.
Естественные источники света некогерентны, т.к. фаза нового цуга волн никак не связана с
фазой предыдущего.
Пусть две волны одинаковой частоты от когерентных источников, накладываясь друг на друга,
возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления (т.е. векторы Е 1
и Е2 однонаправлены). у1 = А1 * cos (t + 1); у2 = А2 * cos (t + 2).
Амплитуда результирующего колебания: А2 = А21 + А22 + 2 А1 А2 * cos , где  = (2  1) 
разность фаз колебаний, т.к. источники некогерентны, то  непрерывно изменяется, принимая с
равной вероятностью любые значения. Поэтому среднее по времени значение <cos > = 0, тогда:
<А2> = <А21> + <А22>, т.к. J  Е2  А2, то J = J1 + J2, т.е. интенсивность, наблюдаемая при
наложении некогерентных волн, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн в
отдельности.
1. Сложение световых волн от когерентных источников света. Интерференция света.
В случае когерентных волн cos  имеет постоянное во времени для каждой точки пространства
значение.
Тогда: J = J1 + J2 + 2  (J1J2) * cos .
С тех точках пространства где:
cos  > 0 , то J > J1 + J2
cos  < 0 , то J < J1 + J2
т.е. при наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового
потока в пространстве: в одних местах возникают максимумы, в других  минимумы
интенсивности.
Интерференция света – сложение в пространстве двух (или нескольких волн), при котором в
разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны.
2. Интерференция световых волн от двух источников.
Щели S2 и S1 находящиеся на расстоянии d друг от друга и являются когерентными
источниками света. Интерференция наблюдается в производной точке А экрана, параллельной
обеим щелям и расположенным от них на расстоянии l, причем l >> d.
Интенсивность в любой точке А, лежащей на расстоянии от х до 0, определяется оптической
разностью хода  = S2  S1  S22 = l2 + (x + d/2)2, S12 = l2 + (x  d/2)2 
S22  S12 =
2xd   = S2  S1 = 2xd / (S2 + S1), т.к. l>>d, то S2 + S1  2l   = xd/l.
хMAX =  m * 0 * l / d  условие максимума
хMIN=  (m + ½) * 0 * l / d  условие минимума.
Расстояние м/д двумя соседними максимумами (или минимумами), называется шириной
интерференционной полосы: ч = l * 0 / d.
Интерференционная картина, создаваемая на экране 2-мя когерентными источниками света,
представляет собой чередование светлых и темных полос параллельных друг другу.
3. Способы наблюдения интерференции.
Естественные источники света испускают некогерентные волны. Поэтому когерентность
интерферирующих волн обеспечивают искусственным способом: разделение каждой волны на две
волны в одном месте и соединение их в другом месте. Эти волны проходят различные пути, и
между ними существует разность фаз.
1) Метод Юнга. Источником света служит ярко освещенная щель S, от которой световая волна
падает на две узкие равноудаленные щели S1 и S2, параллельные щели S. Т.о. щели S1 и S2 играют
роль когерентных источников. Интерференционная картна наблюдается на экране, расположенном
на некотором расстоянии параллельно S1 и S2.
2) Зеркала Френеля. Свет от источника S падает расходящимся пучком на два плоских зеркала
А1О и А2О, расположенных относительно друг друга под углом, лишь немного отличающимся от
1800 (угол  мал). Учитывая правила построения изображения в поских зеркалах, можно показать,
что и источник, и его изображения S1 и S2 (угловое расстояние между которыми равно 2) лежат
на одной и той же окружности радиуса r с центром в О (точка соприкосновения зеркал).
Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими из мнимых
источников S1 и S2, являющихся мнимыми изображениями S в зеркалах.
Мнимые источники S1 и S2 взаимно когерентны, и исходящие из них световые пучки,
встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрывания. Можно показать,
что максимальный угол расхождения перекрывающихся пучков не может быть больше 2.
Интерференционная картина наблюдается на экране, защищенном от прямого попадания света
заслонкой З.
3) Бипризма Френеля: она состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с
малыми преломляющими углами. Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в
результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых
источников S1 и S2, являющихся когерентными. Т.о., на поверхности экрана происходит
наложение когерентных пучков и наблюдается интерференция.
4. Применение интерференции.
1. Явление интерференции обусловлено волновой природой света; его количественные
закономерности зависят от длины волны 0, и поэтому это явление применяется для измерения
длин волн (интерференционная спектроскопия).
2. Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов
(просветление оптики), и получения высокоотражающих покрытий, т.е. на свободные поверхности
линз наносят тонкие пленки с показателями преломления меньшим, чем у материала линзы.
3. Применяется в очень точных измерительных приборах, называемых интерферометрами,
позволяющих определять незначительные изменения показателя преломления прозрачных тел в
зависимости от давления температуры, примесей и т.д.
1. Понятие о дифракции света.
Дифракцией называется совокупность явлений, которые обусловлены волновой природой
света и наблюдается при его распространении в среде с резко выраженными неоднородностями.
Дифракция  огибание волнами препятствий. Дифракционные явления обусловлены
интерференцией элементарных волн на границе отсеченного препятствием фронта волны. При
этом, чем меньше размеры препятствия или отверстия по сравнению с длиной волны, тем заметнее
явление дифракции.
Когда размеры препятствия (отверстия) соизмеримы с длиной волны, дифракция
обнаруживается в непосредственной близости от препятствия. Однако когда препятствие велико
по сравнению с длиной волны, дифракцию тоже можно обнаружить, но на более далеком
расстоянии от препятствия. Это объясняется тем, что изменения во фронте волны, обусловленные
препятствием, по мере удаления от него делаются все заметнее.
Существует два вида дифракции:
1) Френеля – источник и экран находятся на конечном расстоянии от препятствия;
2) Фраунгофера – источник и экран бесконечно удалены друг от друга (дифракция в
параллельных лучах).
2. Принцип Гюйгенса.
Волновой поверхностью (фронтом волны) называется геометрическое место точек среды,
колеблющихся в данный момент времени в одинаковой фазе.
По принципу Гюйгенса: каждая точка до которой доходит волновое движение, служит центром
вторичных волн; огибающая этих волн дает положение фронта волны в следующий момент.
Пусть на плоскую преграду с отверстием падает параллельный ей фронт волны. По Гюйгенсу
каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит центром вторичных
волн, которые в однородной и избранной среде будут сферическими. Построив огибающую
вторичных волн, мы убеждаемся, что за отверстием волна проникает в область геометрической
тени.
Принцип Гюйгенса не дает никаких сведений об интенсивности распространяющихся
световых волн.
3. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Проникновение световых волн в область геометрической тени может быть объяснено с
помощью принципа Гюйгенса. Однако этот принцип не дает сведений об амплитуде, т.е. и об
интенсивности волн, распространяющихся в разных направлениях. Френель дополнил принцип
Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн в любой точке пространства.
Развитый таким способом принцип Гюйгенса получил название принципа Гюйгенса-Френеля.
В любой точке, находящейся вне поверхности , световая волна, возбуждаемая источником S,
может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, которые
излучаются элементарными фиктивными (воображаемыми, виртуальными) источниками,
непрерывно распределенными вдоль вспомогательной поверхности .
Обычно вспомогательную поверхность совмещают в положением в некоторый момент
времени одной из волновых поверхностей первичной волны, т.е. начальные фаза всех вторичных
волн одинаковы.
Таким образом, искусственную гипотезу Гюйгенса об огибающей вторичных волн Френель
заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны при наложении
интерферируют друг с другом.
Свет должен наблюдаться во всех местах пространства, где при интерференции вторичные
волны усиливаются; в тех местах, где они взаимно гасятся, должна наблюдаться темнота.
К огибающей все вторичные волны приходят в одинаковых фазах, и их интерференция
приводит к большой интенсивности света. Становится понятным отсутствие обратной волны.
Вторичные волны, идущие от волнового фронта вперед, вступают в свободное от возмущений
пространство. Они интерферируют друг с другом. Вторичные волны, идущие назад, вступают в
пространство, где уже есть волновое возмущение  прямая волна. При интерференции вторичные
волны гасят прямую волну, так что после прохождения волны пространство за ней оказывается
невозмущенным.
Принцип Гюйгенса-Френеля означает: волна, отделившаяся от своих источников, в
дальнейшем ведет автономное существование, совершенно независящее от наличия источника.
4. Дифракция света на одномерной дифракционной решетке.
Дифракционная решетка представляет собой систему из большого числа N одинаковых по
ширине и параллельных друг другу щелей в экране, разделенных также одинаковыми по ширине
непрозрачными промежутками.
Этот случай дифракции наиболее важен, т.к.
экспериментальных методах спектрального анализа света.
широко
используется
во
многих
На рисунке показаны только две соседние щели решетки.
При расчете дифракционной картины на экране Э, установленном в фокальной плоскости
линзы Л, необходимо учитывать интерференцию вторичных волн как от разных участков одной
щели, так и от разных щелей решетки. Если плоская монохроматическая волна падает нормально
на решетку, то колебания во всех точках щелей происходят в одинаковой фазе.
Колебания, возбуждаемые в произвольной точке F экрана Э каждой из щелей, совпадают по
амплитуде и отличаются по фазе. Для каждой пары щелей сдвиг фаз 0 между этими
колебаниями одинаков:
0 = 2  d * sin  / 
условие главных максимумов:
d * sin  =  n * 
условие главных минимумов:
a * sin  =  m * 
В монохроматическом свете дифракционная картина на экране Э, имеет при больших N, вид
узких главных max, разделенных практически темными широкими промежутками.
Между каждыми двумя главными max находится (N-1) дополнительных максимумов.
При освещении решетки белым светом на экране наблюдается неокрашенный центральный
максимум нулевого порядка, а по обе стороны от него – дифракционные спектры 1-го, 2-го и т.д.
порядков. Спектры имеют вид радужных полосок, в которых непрерывный переход от окраски
сине-фиолетового света у внутреннего края спектра к красной у внешнего края.
Поляризация света.
Поляризация возможна только у поперечных волн.
Поляризованной называется волны, в которой существует предпочтительное направление
колебаний.
Различают следующие виды колебаний: 1) линейная (плоская) поляризация; 2) круговая
(циркулярная) поляризация; 3) элептическая поляризация.
Волну с круговой и эллиптической поляризацией можно разложить на 2 линейнополяризованные волны.
Естественный и поляризованный свет.
Световые колебания – колебания поперечные.
Естественный свет неполяризован, т.к. он излучается атомами с совершенно произвольной
ориентацией в пространстве. В естественном свете результирующая направленность (вектор Е)
совершает в каждой точке поля колебания, направление которых быстро и беспорядочно
изменяется в плоскости, перпендикулярной лучу.
Плоскость колебаний вектора Е в световой волне называется плоскостью поляризации.
Поляризованным называется свет, в котором колебания вектора Е упорядочены каким-либо
образом.
Если колебания вектора Е происходят только в одной проходящей через луч плоскости, свет
называется плоско(линейно)поляризованным.
Если вектор поворачивается вокруг луча, одновременно пульсируя по величине, своим концом
огибает эллипс, то свет называется эллиптически поляризованным.
Если конец вектора Е описывает окружность, то свет циркулярно поляризован.
Осевая асимметрия колебаний вектора Е сохраняется и для смеси естественного света с
нелинейно-поляризованным. Такой свет называется частично поляризованным.
Линейно-поляризованный свет можно легко получить, пропустив естественный свет через
пластину турмалина, вырезанную параллельно её кристаллографической (оптической) оси.
Турмалин сильно поглощает световые лучи, в которых вектор Е перпендикулярен к оптической
оси. Если вектор Е параллелен оси, то такие лучи проходят через турмалин почти без поглощения.
Поэтому естественный свет, пройдя через пластину турмалина, наполовину поглощается и
становится линейно-поляризованным с вектором Е, ориентированным параллельно оптической
оси турмалина.
Таким же свойством обладают поляроиды, более удобные в обращении. Они представляют
собой искусственно подготовленные коллоидные пленки, служащие для получения
поляризованного света.
Поляризатор – всякий прибор, служащий для получения поляризованного света.
Анализатор - прибор-поляризатор, применяемый для исследования поляризованного света.
Т.о. кристаллы турмалина или поляроиды могут служить поляризаторами или анализаторами.
1. Закон Малюса.
Допустим, что два кристалла турмалина или 2 поляроида поставлены друг за другом так, что
их оси ОА1 и ОА2 образуют между собой некоторый угол.
1-ый поляроид пропускает свет, электрический вектор Е0 которого параллелен его оси ОА1.
Пусть J0 – интенсивность этого света. Разложим Е0 на вектор Е11, параллельный оси ОА2 второго
поляроида, и вектор Е, перпендикулярный к ней: Е = Е11 + Е.
составляющая Е будет задержана вторым поляроидом. Через оба поляроида пройдет свет с
электрическим вектором Е  Е11, длина которого Е = Е0 * cos .
Интенсивность света, прошедшего через оба поляризатора: J = J0 * cos2  - закон Малюса, где J
– интенсивность света, вышедшего из поляроида; J0 – интенсивность падающего
плоскопараллельного света;  - угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью
поляризатора.
Поставим на пути естественного луча два поляризатора, плоскости которых образуют угол .
Из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого J0 составит
половину интенсивности естественного света Jест. Согласно закону Малюса из второго
поляризатора выйдет свет интенсивности J0 * cos2 .
Интенсивность света, прошедшего через два поляризатора: J = ½ Jест * cos2 .
При  = 0 - поляризаторы параллельны (J = ½ Jест  максимальная интенсивность).
При  = /2 – скрещенные поляризаторы (J = 0, поляризаторы света не пропускают).
2.
пособы получения поляризованного света.
а) поляризация при отражении и преломлении:
Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, то
отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче
преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном – колебания,
параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения.
Закон Брюстера: отраженный луч полностью поляризован при угле падения  = Бр,
удовлетворяющем условию tg Бр = n21, где n21  относительный показатель преломления
отражающей среды.
По закону преломления:
Sin Бр / sin  = n21
 = 90   = 90  Бр
sin Бр / sin (90  Бр) = sin Бр / cos Бр 
 tg Бр = n21
Для стекла Бр = 570.
В отличие от отраженного луча при  = Бр преломленный луч остается поляризованным
только частично, хотя степень его поляризации и достигает наибольшего значения.
Недостатком поляризации при отражении является малая доля отраженного от диэлектриков
излучения. Поэтому пользуются многократным отражением волны от стопы пластины,
отраженные лучи уносят колебания, перпендикулярные плоскости падения, и проходящий луч,
постепенно "очищаясь" от этих колебаний, становится почти полностью поляризованным.
б) поляризация при двойном лучепреломлении:
двойным лучепреломлением называется способность некоторых веществ расщеплять
падающий световой луч на два луча – обыкновенный (о) и необыкновенный (е), которые
распространяются в различных направлениях с различной фазовой скоростью и поляризованы во
взаимно перпендикулярных направлениях.
Такими веществами являются оптически анизотропные вещества, в которых фазовая скорость
электромагнитных волн зависит от направления распространения. К ним относятся: многие
кристаллы (кроме кристаллов кубической системы; многие прозрачные вещества, находящиеся
под давлением внутренних и внешних сил; некоторые изотропные вещества, под действием
электрического поля (эффект Керра)).
Кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением, подразделяются на одно- и двуосные. У
одноосных кристаллов один из преломленных лучей подчиняется закону преломления, в
частности, он лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей
поверхности. Это обыкновенный луч. Для необыкновенного луча отношение sin угла падения и
угла преломления не остается постоянным при изменении угла падения. Необыкновенный луч не
лежит, как правило, в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей
поверхности.
У двуосных кристаллов (слюда, гипс) оба луча необыкновенные – показатели преломления у
них зависят от направления в кристалле.
У одноосных кристаллов имеется направление, вдоль которого обыкновенный и
необыкновенный лучи распространяются не разделяясь и с одинаковой скоростью. Это
направление называется оптической осью кристалла. Оптическая ось – это не прямая линия,
проходящая через некоторую точку кристалла, а определенное направление в кристалле. Любая
прямая, параллельная данному направлению, является оптической осью кристалла.
Любая плоскость, проходящая через ось, называется главным сечением или главной
плоскостью кристалла.
Обыкновенный и необыкновенный лучи полностью поляризованы во взаимно
перпендикулярных направлениях. Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна
главному сечению кристалла. В необыкновенном луче колебания светового вектора совершаются
в плоскости, совпадающей с главным сечением.
В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого. Это явление называется
дихроизмом. Очень сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турмалина. В нем
обыкновенный луч практически полностью поглощается на длине 1 мм.
Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют в кристалле различные скорости
распространения, т.е. различные показатели преломления. Эти и объясняется двойное
лучепреломление.
Однако поляризованные лучи выходят из кристалла под очень малым углом друг к другу, что
затрудняет их раздельное использование. Чтобы "развести" эти лучи, пользуются различными
"поляризующими призмами". Наиболее распространенной является призма Николя,
представляющая собой специальным образом обработанный кристалл исландского шпата.
Передние грани призмы отшлифованы под определенным углом, кристалл распилен и склеен
канадским бальзамом. Обыкновенный луч отводится за счет внутреннего отражения плоскости
склейки.
а) Естественное вращение.
Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать
вращение плоскости поляризации проходящей через них плоско поляризованного света.
Плоскость поляризации при этом поворачивается вокруг направления светового луча. К числу
оптически активных веществ принадлежат кристаллические тела (кварц, киноварь...), чистые
жидкости (скипидар...) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях
(водные растворы сахара, винной кислоты...).
Кристаллические вещества сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет
распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота  пропорционален длине пути l,
пройденному лучом в кристалле:  =  * l, где   константа вращения, удельное вращение
(зависит от природы вещества, температуры, длины волны света в вакууме). Зависимость  от 
называется вращательной дисперсией.
В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе l и
концентрации активного вещества С:  = [] * С * l, где []  удельная const вращения (зависит
от природы оптически активного вещества и растворителя, длины волны света и температуры).
Большинство оптически активных кристаллов существует в двух модификациях. При
прохождении света через кристалл одной модификации, называемой правовращаемой, или
положительной, плоскость поляризации поворачивается вправо, т.е. по часовой стрелке (для
наблюдения, смотрящего навстречу лучу).
При прохождении света через кристалл другой модификации, называемой левовращаемой, или
отрицательной, плоскость поляризации поворачивается влево (против ч/с). значение удельного
вращения для обеих модификаций одного и того же оптически активного кристалла отличаются
только знаком:  > 0  правовращающий;  < 0  левовращающий.
Если между двумя скрещенными поляризаторами поместить оптически активное вещество, то
поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту нужно повернуть один из
поляризаторов на угол . В случае раствора, зная константу вращения [] данного вещества и
длину l, можно, измерив угол поворота , определить концентрацию раствора C. Такой способ
определения концентрации применяется в производстве различных веществ, в частности
сахароварении.
б) Магнитное вращение плоскости поляризации.
Оптически неактивная среда приобретает под действием внешнего магнитного поля
способность вращать плоскость поляризации света, распространенную вдоль направления поля.
Это явление называется эффектом Фарадея или магнитным вращением плоскости поляризации
света. Угол поворота  плоскости поляризации пропорционален длине пути света в веществе и
напряженности Н магнитного поля:  = V * H * l, где V  const Верде, зависит от природы
вещества и длины волны света.
Направление магнитного вращение плоскости поляризации (вдоль магнитного поля) одинаково
при распространении света по направлению вектора Н, так и в обратную сторону. в этом
отношении эффект Фарадея отличается от вращения плоскости поляризации света в естественных
оптически активных средах.
Оптически активные вещества под действием магнитного поля приобретают дополнительную
способность вращать плоскость поляризации, которая складывается с их естественной
способностью.
Взаимодействие эл/м волн с веществом с точки зрения классической электронной теории.
Макроскопическая электродинамика Максвелла не могла объяснить взаимодействие э/м волны
с веществом. Подобное взаимодействие удалось объяснить лишь с точки зрения строения
вещества, разработанной Г. Лоренцем: переменное эл/м поле световой волны,
распространяющейся в диэлектрике, вызывает вынужденные колебания связанных зарядов,
входящих в состав молекул Среды. При этом необходимо учесть, что ионы частицы значительно
массивнее электронов - совершают заметные колебания только под действием моночастотного
(инфракрасного) излучения; в области частот видимого и ультрафиолетового излучения.
Определенную роль играют вынужденные колебания внешних электронов атомов и молекул, т.н.
оптические электроны.
Электроны и ионы, совершая вынужденные колебания, излучают вторичные световые волны.
Эти волны когерентны и могут интерферировать друг с другом.
Поглощение света.
Поглощением света называется явление поглощения энергии световой волны при её
распространении в веществе.
Энергия световой волны преобразуется во внутреннюю энергию вещества и энергию
вторичного излучения.
Описывается законом Бугера-Ламберта:
J = J0 * е-L, где J0 - активность света при входе в слой вещества; J - интенсивность при выходе;
L - толщина слоя;  - линейный коэффициент поглощения среды, зависит от природы и состояния
поглощающей среды и от .
В диэлектриках нет свободных электронов, и поглощение света обусловлено явлением
резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах. Поэтому
диэлектрик поглощает свет более или менее избирательно; поглощение велико лишь в областях
частот, близких к частотам собственных колебаний частиц диэлектрика.
Так для одноатомных газов характерен линейчатый спектр поглощения света: дискретные
частицы интенсивного поглощения совпадают с частотами собственного излучения возбужденных
атомов газа.
У газов с многоатомными молекулами наблюдаются полосы поглощения, состоящие из тесно
расположенных линий поглощения.
Жидкие и твердые диэлектрики имеют сплошные спектры поглощения, состоящие из довольно
широких полос поглощения: расширение полос - это результат взаимодействия атомов друг с
другом.
Ме практически непрозрачны для света. В Ме много свободных электронов. Под действием
электрического поля световой волны эти электроны приходят в движение. При этом в Ме
возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением Ленц-Джоулева тепла. При
этом энергия световой волны быстро убывает, превращаясь в тепловую энергию Ме.
Рассеяние света.
Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся
изменением направления распространения света и появляющимся как несобственное сечением
света.
Это свечение обусловлено вынужденными колебаниями электронов в атомах рассеивающей
среды под действием падающего света. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны,
распространяясь во всех направлениях. эти вторичные волны когерентны и взаимно
интерферируют.
В случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга. Они дифрагируют
на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно
равномерным распределением интенсивности света по всем направлениям. Это - рассеяние света.
Интенсивность рассеянного света пропорциональна 4-ой степени частоты или обратно
пропорциональна 4-ой степени длины волны:
J - const: 4 = const / 4  Закон Рэлея.
Вследствие этого при прохождении белого света через рассеивающую среду рассеянный свет
имеет голубоватый оттенок, а прошедший - красноватый.
Закон Рэлея справедлив при  >> а, где а  параметр, характеризующий линейные размеры
рассеивающихся частиц среды.
Рассеяние света может наблюдаться и в однородных средах. В этих средах из-за
беспорядочного движения молекул возможны флуктуации плотности среды. Эти флуктуации
равнозначны оптической неоднородности среды. Такое рассеяние называется молекулярным (им
объясняется голубой цвет неба).
6. Давление света. Опыты Лебедева.
Световое давление  давление, производимое светом на отражающие и поглощающие тела,
частицы а также отдельные молекулы и атомы.
Гипотеза о световом давлении впервые была высказана немецким ученым И. Кеплером (1619)
для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца. В 1873г. английский
физик Д.К. Максвелл, исходя из электромагнитной теории, предсказал величину светового
давления, которая оказалась исключительно малой даже для самых сильных источников света
(Солнце, электрическая дуга). Согласно электромагнитной теории, давление, которое оказывает на
поверхность тела плоская электромагнитная волна, падающая перпендикулярно к поверхности,
равно плотности электромагнитной энергии  поверхности. Величина давления вычисляется по
формуле: Р = Q * (1+k) / с, Дж/м3, где
Q  мощность электромагнитной волны, падающей на единицу поверхности тела,
k  коэффициент отражения.
Существование светового давления показывает, что поток излучения обладает не только
энергией (следовательно, и массой), но и импульсом. С точки зрения квантовой теории, световое
давление  результат передачи телам импульса фотонов в процессах поглощения или отражения
света.
Давление света Р на плоскую поверхность тела S равно численному значению нормальной
составляющей суммарного импульса, передаваемого фотонами телу на единице площади
рассматриваемой поверхности за единицу времени.
Пусть монохроматический свет частоты  падает на поверхность S под углом i; n  число
фотонов, падающих за 1с на единицу площади поверхности S (рисунок). Если k  коэффициент
отражения света от поверхности S, то из n фотонов: kn  зеркально отражаются; (1k)n 
поглощаются.
Каждый отраженный фотон передает поверхности импульс, направленный нормально к
поверхности: 2Р = 2 * h *  * сos i / c (т.к. при отражении импульс фотона изменится на Р).
каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс, направленный нормально к
поверхности: Р = h *  * cos i / c.
Тогда kn * 2h * cos i / c  суммарный импульс отраженных фотонов.
(1k)n * h * cos i / c  суммарный импульс поглощенных фотонов.
Таким образом давление света:
Р = kn * 2h * cos i / c + (1k)n * h * cos i / c = (1+k)n * h * cos i / c.
Если n0  концентрация фотонов падающего света, то n = n0 * c * cos i и n0 * h = <> 
среднее значение объемной плотности энергии света. Поэтому Р = (1+k)n0 * h * cos2 i =
(1+k)<>* cos2 i.
Если свет падает нормально на поверхность, то его давление Р = (1+k)<>.
Учитывая, что <>*с = J  интенсивность света, последняя формула примет вид:
Р = J*(1+k) / с.
Если тело зеркально отражает падающие на него лучи, то k = 1 и Р = 2J / c.
Если тело полностью поглощает лучи (черное тело), то k = 0 и Р = J / с.
Световое давление на черное тело в два раза меньше, чем на тело, зеркально отражающее свет.
Т.о., давление света одинаково успешно объясняется как волновой теорией, так и квантовой.
В земных условиях световое давление маскируется побочными явлениями (конвекционными
токами, радиометрическими силами), которые могут превышать величину светового давления в
тысячи раз. Поэтому измерить величину светового давления было чрезвычайно трудно. Впервые
экспериментально измерить световое давление удалось П.Н. Лебедеву в 1899г.
Прибор Лебедева представлял собой очень чувствительные крутильные весы, помещенные
внутри стеклянного сосуда. Подвижной частью прибора являлся легкий стержень с укрепленными
на нём "крылышками"  светлыми и черными дисками толщиной от 0,1 до 0,01 мм. На крылышки
с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической
дуги. Т.к. давление на черный диск почти вдвое меньше давления на светлый, то на подвижную
систему будет действовать вращающий момент, который можно измерить по углу закручивания
нити. Плотность энергии Лебедей измерял с помощью специально сконструированного
миниатюрного калориметра, направляя на него пучок света на определенное время и регистрируя
повышение температуры. Он пришел к выводу, что в пределах погрешности эксперимента
величина светового давления согласуется с формулой, полученной на основе теории Максвелла.
В 1907  1910гг. Лебедев исследовал световое давление на газы, что было еще труднее, т.к. оно
в сотни раз меньше светового давления на твердые тела.
Понятие о тепловом излучении.
Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его
внутренней энергии. Все остальные виды свечения называются люминесценция.
Тепловое излучение наблюдается при Т > 0К и имеет сплошной спектр. Это единственное
излучение, которое может находиться в термодинамическом равновесии с веществом.
Количественно тепловое излучение характеризуется следующими величинами:
1. излучательность Re - физическая величина, численно равная энерги электромагнитных
волн всевозможных частот, излученных за единицу времени с единицы площади поверхности
тела: R = W / t * S (Вт/м2).
2. испускательная способность r (r) - физическая величина, численно равная отношению
энергии, излученной за единицу времени с единицы площади в узком интервале частот (от  до
(+d)) или длин волн (от  до (+d)) к ширине этого интервала: (dW - энергия, испускаемая за
единицу времени с единицы площади в узком интервале  или  ) r = dW / d (Дж/м2); r = dW /
d (Вт/м2). Причем r  r, а r = r * с/V2 = r * 2 / c.
3. Поглощательная способность а - безразмерная величина, показывающая какая доля
энергии эл/м волн с частотами от от  до (+d), падающих на поверхность тела, поглощается ими:
а = dWпогл / dWпад  1.
Абсолютно черным телом называется тело, которое полностью поглощает все падающее на
него излучение, ничего не отражая, и не пропуская: а* = 1.
Закон Кирхгофа и его следствия.
Рассмотрим тепловое излучение в полости между двумя плоскопараллельными пластинами
одинаковой температуры, но из разных материалов.
a2 r1 d - энергия, поглощаемая в единицу времени единицей площади пластины 2.
a1 r2 d - энергия, поглощаемая в единицу времени единицей площади пластины 1.
Так как излучение равновесное: a2 r1 d = a1 r2 d 
r1 / a1 = r2 / a2.
Можно обобщить на систему из n-тел, т.е. чем больше испускательная способность тела, тем
больше и его поглощательная способность.
r1 / a - не зависит от природы излучающего тела, а является функцией от () и температуры.
(; Т) - формула Кирхгофа.
Для абсолютно черного тела: r* / a* = {a* =1} = (; Т) = r*
Закон Кирхгофа: отношение испускательной способности тел к их поглощательной
способности не зависит от природы излучающего тела, равно испускательной способности
абсолютно черного тела и зависит от частоты температуры тела:
r / a = r*.
Испускательная способность тела всегда меньше испускательной способности черного тела
при той же температуре r < r*.
Если тело не поглощает эл/м волны, то оно их и не излучает.
Закон Стефана-Больцмана.
Излучательность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной
температуры.
R*e =  * Т4, где  = 5,67 * 108 Вт/м2К4.
Закон смещения Вина.
m (m) - частота (длина волны), на которую приходится max энергии в спектре излучения.
С ростом температуры m стремится в сторону больших частот, а m стремится в сторону
более коротких длин волн.
m, на которую приходится максимум энергии в спектре теплового излучения обратно
пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела.
m = b/T, где b = 2,9 * 10-3 мК.
Квантование энергии излучения. Формула Планка.
Впервые правильное выражение для функции Кирхгофа удалось Планку. Он также рассмотрел
модель полости с зеркальными стенками. При этом он полагал, что стенки состоят из атомов.
Атомы он рассматривал как электрические диполи, которые совершают колебания со
всевозможными частотами. И на основе этой модели
r* = 2 *  * 2 * <> / c2 
Связь между частотой и энтропией атома-осциллятора
<> = j / e -j / RT - 1, где h = j
r* = 2 *  * 2 * h / (e -j / RT - 1) * c2
1. Фотоэлектрический эффект
Фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного
излучения.
Фотоэффект был открыт в 1887г. Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования
фотоэффекта выполнены А.Г. Столетовым (1888), а затем немецким физиком Ф. Ленардом (1899).
Первое теоретическое объяснение законов фотоэффекта дал А. Эйнштейн (1905). Большой вклад в
теоретические и экспериментальные исследования фотоэффекта внесли А.Ф. Иоффе (1907), П.И.
Лукирский и C.С. Прилежаев (1928), И.Е. Тамм и C.Т. Шубин (1931).
Фотоэффект наблюдается в газах и в конденсированных (твердых и жидких) телах.
Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов и молекул газа под действием света и
называется фотоионизацией.
В конденсированных телах различают внешний и внутренний фотоэффекты.
Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим
состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием
света. Он проявляется в изменении концентрации носителей тока в среде и приводит к
возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.
Фотопроводимость – увеличение электрической проводимости вещества под действием света.
Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называется возникновение под
действием света ЭДС (фото-ЭДС) в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и
металла или двух разнородных полупроводников (например: в p – n переходе).
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов
твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения в вакуум или
другую среду.
Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются
фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во
внешнем электрическом поле, называется фотопотоком.
1.1.Внешний Фотоэффект. Законы Столетова.
Практическое значение имеет внешний фотоэффект из твердых тел в вакуум.
Опыт Столетова: Конденсатор, образованный проволочной сеткой и сплошной пластиной, был
включен последовательно с гальванометром Г в цепь батареи. В результате в цепи возникал ток,
регистрирующийся гальванометром.
На основании опытов Столетов пришел к выводам: 1) наибольшее действие оказывают
ультрафиолетовые лучи; 2) сила тока возрастает в увеличением освещенности пластины; 3)
испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.
Спустя 10 лет (1898) Ленард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых под действием
света частиц, установили, что эти частицы являются электронами.
Ленард и др. исследователи усовершенствовали прибор Столетова, поместив электроды в
эвакуированный баллон (рисунок).
Свет падает через кварцевое окно Д на фотокатод К.
Характер зависимости фототока J в трубке от разности потенциалов U анода А и катода К при
постоянной энергетической освещенности катода монохроматическим светом (вольтамперная
характеристика) изображен на рисунке.
Существование фототока при отрицательных значениях U от 0 до U0 свидетельствует о том,
что фотоэлектроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость и соответственно
кинетическую энергию. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов Vmax связана с
задерживающим потенциалом U0 соотношением:
m0 * V2max / 2 = e * U0, где e и me – абсолютная величина заряда и масса электрона.
Фототок увеличивается с ростом U лишь до определенного предельного значения Jн,
называемого фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, вылетающие из
катода под влиянием света, достигают анода. Если nСЕК – число фотоэлектронов, покидающих
катод за 1 с, то Jн = е * nСЕК.
Законы внешнего фотоэффекта:
5. При неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок
насыщения пропорционален энергетической освещенности катода: Jн  Еэ и nСЕК  Еэ;
6. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от
частоты света и не зависит от его интенсивности;
7. Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная
частота света 0, при которой ещё возможен внешний фотоэффект; частота 0 зависит от
материала фотокатода и состояния его поверхности.
Фотоэффект безынерционен, т.е. испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только
на фотокатод падает свет с частотой   0.
1.2. Невозможность объяснения фотоэффекта с точки зрения классической физики.
Второй и третий законы Столетова, а также безынерционность фотоэффекта находились с
резком противоречии с классическими представлениями о волновой природе света. С волновой
точки зрения качественно фотоэффект можно было объяснить следующим образом.
Электрический вектор электромагнитной волны ускоряет электроны в металле. Благодаря этому
электроны в металле начинают "раскачиваться". Если эта "раскачка" носит резонансный характер,
то амплитуда вынужденных колебаний электрона становится столь значительной, что электрон
вырывается за пределы металла, т.е. происходит фотоэффект.
Однако объяснить количественные закономерности фотоэффекта с волновой точки зрения
оказалось невозможным. Амплитуда вынужденных колебаний электрона с волновой точки зрения
пропорциональна амплитуде вектора электрической напряженности падающей электромагнитной
волны. С другой стороны, интенсивность светового потока прямо пропорциональна квадрату
амплитуды вектора электрической напряженности в световой волне. То есть, с волновой точки
зрения скорость вылетающих фотоэлектронов должна увеличиваться с увеличением
интенсивности падающего света. Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.
Т.к., по волновой теории, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности
света, то свет любой частоты, но достаточно большой должен был бы вырывать электроны из
металла; иными словами, "красной границы" фотоэффекта не должно быть, что противоречит
третьему закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не могла объяснить безынерционность
фотоэффекта.
Вывод: второй и третий законы фотоэффекта не удается истолковать на основе классической
электромагнитной теории света. Согласно этой теории вырывание электронов проводимости из
металла является результатом их "раскачивания" в электромагнитном поле световой волны,
которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света и пропорциональной ей
энергетической освещенности фотокатода.
Необъясним и факт безынерционности фотоэффекта. Согласно классическим волновым
представлениям требуется довольно значительное время для того, чтобы электромагнитная волна
заданной интенсивности могла передать электрону энергию, достаточную для совершения им
работы выхода.
Лишь квантовая теория света позволила успешно объяснить законы внешнего фотоэффекта.
Развивая идеи Планка о квантовании энергии атомов-осцилляторов, Эйнштейн высказал гипотезу
о том, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве, и поглощается
веществом в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения – фотонов.
2. Фотоны.
Фотон – от греческого "свет" – элементарная частица, квант электромагнитного
излучения.Термин введен Г.Н. Льюисом в 1929г.
Энергия фотона согласно гипотезе Планка:
 = h *  = ћ * , где
h = 6,63 * 10-34 Дж*с, ћ = h / 2 = 1,05 * 10-34 Дж*с – постоянная Планка (квант действия).
Масса фотона может быть получена из соотношения: m =  / с2 = h *  / c2.
Импульс фотона и его энергия в соответствии и его энергия в соответствии с общей формулой
теории относительности связаны соотношением:  = с * р2 + m20 * c2.
Для фотона m0 = 0, тогда р =  / с = h *  / c = m * c.
Если ввести волновое число k = 2/ , то выражение для р можно переписать в форме:
р = h *  / c = h /  = h * k / 2 = ћ * k.
Направление вектора импульса совпадает с направлением
характеризуемым волновым вектором k: р = ћ * k (в векторах).
распространения
света,
Из соотношения  = h *  = ћ *  и общих принципов теории относительности вытекает: 1)
масса покоя фотона равна нулю; 2) фотон всегда движется со скоростью с.
Выражения для  связывают корпускулярные характеристики фотона – массу, импульс,
энергию – с волновой характеристикой света – его частотой .
В этом факте проявляется корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) – это лежащее в
основе квантовой теории представление о том, что в поведении микрообъектов проявляются как
корпускулярные, так и волновые черты.
Волновые свойства сета играют определяющую роль в закономерностях его распространения,
интерференции, дифракции, поляризации; а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с
веществом (фотоэффект, эффект Комптона и т.д.). Чем больше длина волны. Тем меньше импульс
и энергия фотона и тем труднее обнаружить квантовые свойства света; чем меньше длина волны
электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем сильнее проявляются
корпускулярные свойства излучения.
Н-р: Красный свет:  = 7 *10-7м; m = 3,2 *10-36кг.
Рентген:  = 25*10-12м; m = 8,8 *10-32кг.
Гамма-лучи:  = 1,24 *10-12м; m = 1,8 *10-30кг.
Однако волновой и квантовый способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют
друг друга, т.к. свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами. Он
представляет собой диалектическое единство этих противоположных свойств.
В дальнейшем оказалось, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету, но и
микрочастицам вещества.
Наглядно представить корпускулярно-волновой дуализм невозможно. Отчасти трудности
восприятия дуализма обусловлены особенностями нашего мышления. Наши зрительные образы
(модели) основаны на том, что мы видим в повседневной жизни. Корпускулярно-волновой
дуализм существует реально, представление о нем – результат абстрагирующей деятельности
разума высокого порядка.
3. Уравнение Эйнштейна.
Согласно гипотезе Эйнштейна в случае поглощения света веществом каждый поглощенный
фотон передает свою энергию частице вещества, в частности, электрону.
Свободный электрон не может поглотить фотон, т.к. при этом не могут быть одновременно
соблюдены законы сохранения энергии и импульса. Фотоэффект из атома, молекулы или
конденсированной среды возможен из-за связи электрона с окружением. Эта связь
характеризуется в атоме энергией ионизации, в конденсированной среде – работой выхода Ф.
Закон сохранения энергии при фотоэффекте выражается соотношением Эйнштейна:
 = ћ *   i , где i – энергия ионизации атома, или  = ћ *   Ф.
При Т = 0 К и не очень высокой интенсивности света (когда многофотонные эффекты
практически отсутствуют), фотоэффект не возможен, если ћ *  < i или
ћ *  < Ф.
Фотоэффект в газах наблюдается на отдельных атомах или молекулах. Атом, поглощая фотон,
испускает электрон и ионизируется. Вся энергия ионизации передается испускаемому электрону.
В конденсированных средах механизм поглощения фотонов зависит от их энергии. При ћ *  
Ф излучение поглощается электронами проводимости (в Ме) или валентными электронами (в
полупроводниках и диэлектриках). В результате этого наблюдается либо фотоэлектронная
эмиссия, либо внутренний фотоэффект.
При ћ *  во много раз превышающих энергию межатомных связей в конденсированной среде
( - кванты), фотоэлектроны могут вырываться из глубоких оболочек атома.
Рассмотрим фотоэлектронную эмиссию из металлов.
Фотоэмиссия  результат трех последовательных процессов: поглощение фотона и появление
электрона с высшей энергией; движение этого электрона к поверхности, при котором часть
энергии электрона может рассеяться; выход электрона в другую среду через поверхность раздела.
Фотоэмиссия из металлов возникает, если энергия фотона ћ *  превышает работу выхода из
Ме Ф.
Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: h *  = Ф + me * V2max / 2.
 второй закон фотоэффекта: h *   Ф = me * V2max / 2 = е * U0.
Таким образом, Vmax и U0 зависят только от частоты света и работы выхода электрона из
фотокатода.
Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света по
линейному закону. Она обращается в нуль при частоте 0, соответствующей красной границе
внешнего фотоэффекта: 0 = Ф / h.
То есть, красная граница зависит только от работы выхода электрона из металла.
Для чистых поверхностей большинства металлов Ф>3 эВ, поэтому фотоэмиссия из металлов
может наблюдаться в видимой и ультрафиолетовой частях спектра (для щелочных металлов и Ва),
и только в ультрафиолетовой области спектра (для всех других металлов).
Количественной характеристикой фотоэмиссии является квантовый выход Y  число
вылетевших электронов, приходящихся на один фотон, падающих на поверхность тела. Величина
Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов. Вблизи порога
фотоэмиссии для большинства металлов Y  104 электрон/фотон. Малость Y обусловлена тем,
что свет проникает в металл на глубину  105 см, и там в основном поглощается. Фотоэлектроны
 движении к поверхности сильно взаимодействуют с электронами проводимости, которых в
металле много, быстро рассеивают энергию. Энергию, достаточную для совершения работы
выхода сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались вблизи поверхности, на
глубине  107 см. кроме того поверхность металла сильно отражает видимое и ближнее
ультрафиолетовое излучения.
При очень больших интенсивностях света, достижимых с помощью лазера, наблюдается
многофотонный (нелинейный) фотоэффект. При этом электрон может получить энергию не
одного, а N фотонов.
В этом случае уравнение Эйнштейна: N * h *  = Ф + me * V2max / 2.
Красная граница Nфотонного фотоэффекта: 0 = Ф / N * h.
9. Эффект Комптона.
Наиболее полно и ярко корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. А.
Комптон, исследуя в 1923 году рассеяние рентгеновских монохроматических лучей веществами с
легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с
излучением первоначальной длины волны наблюдается также излучение более длинных волн.
Схема опытов Комптона изображена на рисунке:
Монохроматические рентгеновские лучи, возникшие в рентгеновской трубке А, проходят через
диафрагмы В и узким пучком направляются на легкое рассеивающее вещество C. Лучи,
рассеянные на угол , регистрируются приемником рентгеновских лучей  рентгеновским
спектрографом Д, в котором измеряется длина волны рассеянных рентгеновских лучей.
Опыты Комптона показали, что рассеянные рентгеновские лучи имеют длину волны '
большую, чем длина волны  падающих лучей. Выяснилось, что разность   = '   зависит
только от свойств рассеивающего вещества и длины волны падающего света:
  = '   =2 k * sin 2 ( / 2) (*), где   длина волны падающего излучения; '  длина
волны рассеянного излучения;   угол рассеяния; k  2,43 * 1012м  комптоновская длина волны
электрона, величина, постоянная для всех веществ.
Это явление получило название эффекта Комптона.
Эффект Комптона  упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных (или
слабо связанных) электронах, сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при
рассеянии излучения малых длин волн  рентген и излучений.
Эффект Комптона не объяснить с точки зрения классической физики. С точки зрения волновых
представлений о свете электромагнитная волна, падающая на первоначально непокоящийся
свободный электрон, должна вызывать колебания электрона с частотой, равной частоте падающей
волны. Колеблющийся электрон должен в свою очередь излучать электромагнитную волну,
имеющую частоту, равную частоте колебаний электрона, т.е. частоте падающей волны. Таким
образом, с волновой точки зрения свободный электрон должен рассеивать свет, причем частота
рассеянного света должна равняться частоте падающего света. Последнее не согласуется с
экспериментальными данными.
Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света.
Согласно квантовой теории, эффект Комптона является результатом упругого столкновения
рентгеновского фотона со свободным или почти свободным электроном (у легких атомов энергия
связи электрона с атомом значительно меньше энергии рентгеновского фотона). При этом фотон
передает электрону часть своей энергии и импульса. То есть этот эффект аналогичен соударению
бильярдных шаров (рисунок).
Так как при рассеянии фотонов высокой энергии электрон отдачи может приобрести
значительную скорость, необходимо учитывать релятивистскую зависимость энергии и импульса
электрона от его скорости. На рисунке показан закон сохранения импульса при эффекте Комптона.
Рассмотрим упругое столкновение двух частиц  налетающего фотона, обладающего
импульсом Р = h *  / с и энергией  = h * , с покоящимся свободным электроном (энергия покоя
Е0 = me * c2, где mе  масса покоя электрона).
До столкновения электрон покоится. Р и Р'  импульсы налетающего и рассеянного фотонов;
Ре  импульс фотона отдачи;   угол рассеяния фотона;   угол, под которым лежит электрон
отдачи относительно направления падающего фотона.
Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть соей энергии и импульса и изменяет
направление движения (рассеивается). Уменьшение энергии фотона и означает увеличение длины
волны рассеянного излучения. Пусть импульс и энергия рассеянного фотона равны Р' = h * ' / с и
' = h * '. Электрон, ранее покоившийся, приобретает импульс Ре = m*V2 и энергию Е = m * с2 и
приходит в движение  испытывает отдачу. При каждом таком спонтанном столкновении
выполняются законы сохранения энергии и импульса.
Согласно закону сохранения энергии: Е0 +  = Е + '
импульса: (векторно) Р = Ре + Р' (2).
(1), а согласно закону сохранения
Подставив в выражение (1) значения величин и представив (2) в соответствии с рисунком,
получим: me * c2 + h *  = me * c2 + h * ' (3),
(mV)2 = (h *  / c)2 + (h * ' / c)2  2 * (h2 *  * ' * cos  / c2 (4).
Масса электрона отдачи связана с его скоростью V соотношением:
m = me / (12), где  = V / c
(5).
Возведя уравнение (3) в квадрат, а затем, вычитая из него (4) и учитывая (5), получим:
me c2(  ') = h  ' (1cos ).
Так как  = с/; ' = с/' и  =   ',
Получим:   = h * (1cos ) / me * c = 2h * sin2 (/2) / me * c (6).
Выражение (6) есть не что иное, как полученная экспериментально Комптоном формула (*): 
=
h
/ mec = 2.43*1012м  комптоновская длина волны электрона.
к
Так как |cos | < 1 при   0, то согласно (6), сдвиг длины волны излучения при его рассеянии
происходит в сторону более длинных волн, причем этот сдвиг не зависит от длины волны 
падающего излучения и определяется только углом рассеяния .
Таким образом, теоретически выведенная формула полностью совпала с формулой,
полученной экспериментально.
Если электрон сильно связан с атомом, то при рассеянии на нем фотона последний передает
энергию и импульс не электрону, а атому в целом. Масса атома во много раз больше массы
электрона, поэтому атому передается лишь незначительная часть энергии фотона, так что длина
волны ' рассеянного излучения практически не отличается от длины волны  падающего
излучения. Доля электронов, сильно связанных в атомах, увеличивается с ростом порядкового
номера элемента и соответственно с ростом массы атомов. Поэтому, чем тяжелее атомы
рассеивающего вещества, тем больше относительная интенсивность несмещенной компоненты (
= ') в рассеянном излучении.
Согласно (7) комптоновская длина волны электрона является существенно квантовой и
существенно релятивистской величиной. В неквантовом и нерелятивистском пределе, т.е. при h 
0 и с  , величина (7) обращается в нуль.
Физический смысл к заключается в том, что если длина волны излучения  оказывается
меньше величины к, то такое излучение может превращаться в электроны и их античастицы 
позитроны. Действительно, при  < к энергия одного кванта излучения:
 = hc /  < 2 mec2, т.е. по порядку величина сравнима или больше удвоенной энергии покоя
электрона. Это означает, что энергия электромагнитного кванта с длиной волны  < к сравнима
или превышает порог рождения электрона с его античастицей позитроном.
Еще один важный смысл комптоновской длины волны электрона состоит в том, что эта длина
ограничивает точность определения координат частиц с помощью электромагнитного излучения.
Это связано с тем, что положение частицы можно измерить только с точностью до длины волны
излучения, освещающего частицу. При этом излучение рассеивается и длина его волны
изменяется на величину порядка к.
Комптоновская длина волны существует не только у электрона. Она есть у всякой квантовой
релятивистской частицы. Если частица имеет массу m, то комптоновская длина волны этой
частицы получается из (7) после замены массы электрона mе на массу частицы m. Если m0 = 0
(нр, для фотона) комптоновская длина получается из (7) заменой m0 на /с2, где энергия
частицы.
В отличие от рассеяния фотонов, осуществляющегося как на свободных, так и связанных
электронах, поглощать фотон могут только связанные электроны (например, фотоэффект).
Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества.
В 1924 г. Де Бройль выдвинул гипотезу о том, что корпускулярно-волновой дуализм
характерен не только для света, но и для микрочастиц вещества, в частности, для электронов.
Р = h /  - соотношение для импульса фотона он обобщил и распространил на микрочастицы
вещества.
Бр = h / P - формула де Бройля, где Бр- длина волны де Бройля, т.е. присущая м/ч вещества; Р импульс м/ч; h - const Планка.
В 1926 г. Де Висоном и Джермером были поставлены опыты, в которых была обнаружена
дифракция электронов.
Брался монокристалл Ni и на него направлялся пучок электронов из электронной пушки 
обычная дифракционная картина (чередование max и min). Т.. гипотеза де Бройля была
подтверждена  электрону и любым м/ч как и свету присущ корпускулярно-волновой дуализм.
В случае макроскопических тел волновые свойства не существенны.
е порядка на 1000 меньше  света, т.е. электрон размазан по атому.
Чем меньше масса частицы, тем в большей степени проявляются её волновые свойства.
Для описания волновых свойств микрочастиц де Бройль предложил по аналогии с оптикой
использовать так называемую волновую функцию, охватывающую плоскую монохроматическую
волну, эта волновая функция в комплексной форме имеет вид: * = А * е -i (wt - kr), где А амплитуда волны; r - радиус-вектор, проведенный в рассматриваемую точку волнового поля; i мнимая единица; w - циклическая частота; k - волновой вектор; Е - энергия микрочастицы; р импульс микрочастицы.
Впервые правильную интерпретацию -функции дал в 1926 г. Макс Борн:  (r;t) =  (x;y;z;t),
представляет собой амплитуду вероятности, т.к. амплитуда вероятности может быть комплексной
величиной, а вероятность только действительной, то вероятность нахождения частицы в какойлибо точке пространства должна быть пропорциональна: W  | (r;t)|2, т.е. ||2 =  * *, где * функция комплексно сопряженная с , т.е. * = А * е i (wt - kr).
Вероятность нахождения частицы в объеме dV: dW = ||2 dV  W = ||2 = dW/dV - плотность
вероятности.
Физический смысл имеет не сама -функция, а ||2 определяющий плотность вероятности
того, что частица будет обнаружена в пределах объема dV.
-Функция должна удовлетворять условию нормировки вероятности, т.е. в бесконечном
пространстве частица должна быть.
Из смысла -функции вытекает, что квантовая механика имеет статистический характер, она
не позволяет определить местонахождение частицы в пространстве и траекторию её движения. С
помощью -функции можно лишь предсказать с какой вероятностью частица может быть
обнаружена в различной точке пространства. Сама -функция полностью отличает состояние
микрочастицы.
Соотношение неопределенностей Гейзенберга.
Получена в 1927 году на основе анализа процедуры измерения квантовой механики. В
классической физике считалось, что параметры, характеризующие состояние микрообъекта могут
быть определены одновременно со сколь угодно большой точностью. Считалось, что неточность
измерений связана с несовершенством методики измерения, либо с погрешностью приборов.
Гейзенберг доказал, что в квантовой физике существует принципиальное ограничение на точность
измерений, а также то, что не все величины могут быть измерены одновременно одинаково точно.
1. Соотношение для координат и импульса: невозможно одновременно точное измерение
координат микрочастицы и собственный компонент её импульса. х * Рх  ħ, у * Ру  ħ, z *
Рz  ħ, х, у, z - интервалы координат, в которых может быть локализована микрочастица. Рхуz
- пределы, в которых заключено значение проекций её импульса, т.е. х  0  Рх  .
2. Если система находится в стационарном состоянии, то справедливо соотношение: Е * t 
ħ , где Е - неопределенность энергии микрочастицы; t - длительность процесса измерения.
Соотношение неопределенностей позволило определить: стабильность атома; существование
нулевых колебаний; естественная ширина спектральных линий; по отношению к микрочастицам
теряет смысл понятие «траектория».
Соотношение неопределенностей является результатом корпускулярно-волнового дуализма
микрочастиц. Оно указывает в какой мере можно использовать понятия классической механики
применительно к микрочастицам,  понятие траектории в микромире теряет физический смысл.
Стационарное уравнение Шредингера.
Основное динамическое уравнение нерелятивистской квантовой механики. Оно ниоткуда не
выводится, а постулируется. Справедливость его доказывается многочисленными практическими
приложениями квантовой механики.
 (r) + 2m (E - U) (r) / ħ2 =0
 = 2 / х2 + 2 / у2 + 2 / z2 - оператор Лапласа.
M - масса, Е = полная энергия (const), U - потенциальная энергия.
Решением уравнения является волновая функция де Бройля.
Это уравнение хорошо описывает поведение электрона в атоме водорода или
водородоподобном ионе.
Функция , удовлетворяющая уравнению называется собственной. Она существует лишь при
определенном значении Е называемом собственным значением энергии.
Совокупность собственных значений называется спектром величины.
Применительно к атому Н спектр собственных значений энергии будет дискретным, т.е. Е
квантуется.
Модель атома водорода по Бору.
Теория Бора была успешно применена к атому водорода и водородоподобным ионам.
В 1913 г. Бор предложил постулаты:
1. в атоме существует набор стационарных состояний (орбит электронов), находясь в которых
атом не излучает электромагнитных волн.
2. В стационарном состоянии атома электрон, движущийся по круговой орбите, имеет
квантовые значения момента импульса. Len = me * V * rn, где Le -момент импульса, me - масса
электрона, V - скорость электрона, rn - радиус орбиты электрона, n - главное квантовое число
(номер стационарной орбиты).
3. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или
поглощается один фотон. Еn - Em = h.
Если Еn > Em - излучается, Еn < Em - поглощается.
Согласно 2-му постулату уравнение движения электрона в вакууме имеет вид:
me * V / rn = Z * e2 / 4  0 r2n, исключив V получим: rn = 4  0 ħ2 / me Z e2.
При n = 1 r1 = 4  0 ħ2 / me e2 = 0,529 * 10-10.
rn = r1 * n2.
Энергия электрона в атоме равна сумме кинетической и потенциальной энергий.
Е = (meV2 / 2)  (ze2 / 40r) =  ½ ze2 / 40r
En =  (z2mee4/32 2 02 ħ2 n2) =  (z2mee4 / 8 02 ħ2 n2), при n = 1; 2; 3 ...
Энергия электрона в атоме (водородоподобном) квантуется.
Рассмотрим атом водорода при z = 1. При переходе этого атома в состояние ni из nk (nk > ni)
излучается 1 фотон.
ħ = Еk  Ei = (mee4 / 32 2 02 ħ2) * ((1/nk2)  (1/ni2)).
Частота испущенного света:  = Еk  Ei = (mee4 / 32 2 02 ħ3) * ((1/nk2)  (1/ni2)).
Т.к.  = 2     = (mee4 / 64 3 02 ħ3) * ((1/nk2)  (1/ni2))
 = (mee4 / 8 02 ħ3) * ((1/nk2)  (1/ni2)).
mee4 / 8 02 ħ3 = R = 3,288 * 1015 с1  const Ридберга.
R' = R / с = 1,097 * 107 м1   = R * ((1/nk2)  (1/ni2)) = c * R' * ((1/nk2)  (1/ni2))  формула
Баймера-Ридберга.
Согласно формуле линии в спектре атома водорода объединяются в отдельные линии,
называемые сериями линий.
Квантовые числа электрона в атоме.
В квантовой механике доказывается, что уравнение Шредингера удовлетворяет собственные
волновые функции:  n l m mS (r) - определяемые четырьмя квантовыми числами.
n - главное квантовое число; l - орбитное квантовое число; m - магнитное квантовое число; mS магнитное спиновое квантовое число.
Главное квантовое число определяет энергетический уровень электрона в атоме.
a) Квантование момента импульса:
электрон, вращающийся по орбите вокруг ядра, обладает моментом импульса:
L e = me * V
* r.
В классической физике считалось, что момент импульса может принимать любые значения и
направления в пространстве. В квантовой физике из уравнения Шредингера вытекает, что момент
импульса электрона квантуется.
Правила квантования импульса:
Le = ħ (l * (l+1)), где l = 0 - s; 1 - p; 2 - d; 3 - f; ... (n-1).Состояние электрона, обладающего
различными значениями l, обозначаются буквами.
b) Квантование момента состояния импульса.
Из уравнения Шредингера следует, что проекция момента импульса на направление внешнего
магнитного поля также квантуется:
Le = ħ m, где m = 0; 1; 2;...l (2l + 1).
с) Спин электрона:
Электрон в вакууме кроме момента импульса, связанного с его вращением вокруг ядра
обладает также собственным моментом импульса LS.
Первоначально полагали, что этот собственный момент импульса связан с вращением
электрона вокруг собственной оси.
Этот собственный момент электрона называется спином. Оказалось, что первоначальные
полуклассические представления о спине электрона как о вращающемся волчке не верны.
Спин - это внутреннее свойство, присущее электронам и другим элементарным частицам,
подобно тому, как ему присущи заряд и масса, - это квантовая и релятивистская величина, у спина
нет классического аналога, спин также квантуется.
Le = ħ (S * (S+1)), где S = 1; 1/2 - спиновое квантовое число.
Для электрона S = 1/2, для фотона S = 1.
Проекция спина на направление внешнего магнитного поля также квантуется.
LSZ = mS * ħ, mS =  S - правило квантования проекции спина.
Частицы с целочисленным спином называются базонами. С полуцелым спином - фермионами.
Роль квантовых чисел электрона в атоме.
Совместно n l m mS задают состояние электрона в атоме. Энергия электрона зависит только от
главного квантового числа n. Следовательно, каждому собственному значению Еn (кроме Е1)
соответствует несколько собственных функций nlmmS, отличающихся значением квантовых
чисел l, m, mS. Т.е. атом может иметь одно и тоже значение энергии, находясь в нескольких
различных состояниях.
Состояния с одинаковой Е называются вырожденными.
Число различных состояний с каким-либо значением энергии называется кратностью
вырождения, соответствует энергетическому уровню. В квантовой механике принимается, что
квантовые числа n и l характеризуют размер и форму электронного облака, а квантовое число m
ориентацию электронного облака в пространстве.
Принцип Паули.
Для объяснения ряда эмпирических закономерностей атомных спектров Паули предложил
постулат о том, что одну электронную орбиталь могут занимать не более 2-х электронов.
В дальнейшем постулат был обоснован теоретически: 2 и более одинаковых фермиона не
могут находиться в одинаковых состояниях  состояние электрона описывается волновой
функцией.
На одной электронной орбитали могут быть 2 электрона, состояние которых отличается лишь
спином (mS = 1/2).
Т.е. в одном и том же атоме не может быть 2-х электронов обладающих одинаковой
совокупностью квантовых чисел n l m mS. Совокупность электронов в атоме, имеющих одно и то
же квантовое число n, называется электронной оболочкой. В каждой оболочке электрон
подразделяется по подоболочкам в соответствии с l. Количество электронов в подоболочке
определяется m и mS.
На основе принципа Паули удалось объяснить периодический закон Менделеева.
Образование энергетических зон в кристаллах.
Рассмотрим образование твердого кристаллического тела: пока атомы изолированы друг о
друга, они имеют совпадающие схемы энергетических уровней. При образовании кристалла по
мере сближения атомов из-за взаимодействия между ними их энергетические уровни смещаются,
расщепляются и расширяются в зоны. Заметно расширяются лишь уровни внешних валентных
электронов. Уровни внутренних электронов расщепляются слабо или не расщепляются.
Количество уровней в энергетической зоне равно числу атомов в кристалле. Образование
таких энергетических зон объясняется на основе соотношения неопределенностей Гейзенберга для
энергии и времени.
В кристаллической решетке атомы взаимодействуют друг с другом. Это приводит к тому, что
слабо связанные валентные электроны будут переходить от одного атома к другому. t  10-15c среднее время принадлежности электрона атому. Это приводит к расширению энергетического
уровня в зону. Е2 = ħ/t2 = 1эВ.
Валентная зона, зона проводимости, запрещенная зона.
Уровни, образовавшиеся при расщеплении 1-го атомного уровня образуют разрешенную зону.
Т.е. область значений Е, которую может принимать квантовая система.
Эти зоны разделены между собой запрещенными энергетическими промежутками
называемыми запрещенными зонами, т.е. область значений Е, которая не может иметь электронов
в кристалле.
Каждая разрешенная зона вмещает в себя столько близрасположенных энергетических
уровней, сколько атомов в кристалле.
Расстояние между этими уровнями:   10-22 эВ.
Ширина зоны несколько эВ.
Разрешенная зона может быть заполнена целиком, частично или быть свободной.
Электроны в кристалле могут совершать меж- и внутризонные переходы.
Разрешенную зону, возникшую из уровня на котором находится валентный электрон в
основном состоянии атома, называют валентной зоной.
При t = 0 К - валентная зона полностью заполнена электронами.
Зона проводимости частично заполнена или пустая энергетическая зона в электрическом
спектре твердого тела.
Диэлектрики.
У диэлектриков валентная зона целиком заполнена. Под действием электрического поля
электроны валентной зоны не могут перемещаться по энергетическим уровням и не могут
преодолеть запрещенной зоны.
Полупроводники.
1) собственная проводимость:  < 3 эВ.
При t = 0 К валентная зона полностью заполнена, запрещенная зона - пустая.
За счет теплового движения электроны с потолка валентной зоны могут попасть на дно
запрещенной зоны. В валентной зоне образуется дырка, в запрещенной электрон. - электроннодырочная проводимость.
2) примесная проводимость: валентность донорных примесей больше валентности атомов
полупроводника. У акцепторных ниже.
А) зонный спектр донорного проводника: в запрещенной зоне возникает примесной донорный
уровень, на котором сидят электроны.
ЕД <<Е  nn < np, т.е. концентрация электронов < концентрации дырок (полупроводник nтипа, электронная проводимость).
Б) зонный энергетический спектр акцепторного полупроводника: ЕА <<Е  nn > np, т.е.
концентрация дырок > концентрации электронов. (полупроводник р-типа, дырочная
проводимость).
Металлы. Уровень Ферми.
У Металлов двоякий энергетический зонный спектр.
1) з.пр. - заполнена частично и содержит свободные верхние уровни, поэтому электроны,
получив даже малую энергию (за счет теплового движения, эл.поля), сможет перейти на более
высокий энергетический уровень той же зоны и участвовать в проводимости. Такой характер
энергетического спектра характерен для щелочных Ме.
2) Для большинства др. Ме, а также щелочноземельных Ме характерен другой энергетический
спектр: когда зона проводимости и валентная зона перекрывают друг друга и образуют гибридную
зону. (Т.е. запрещенная зона отсутствует), гибридная зона заполнена частично  электрон также
может получать энергетическую добавку.
Принято считать, что кристаллическая решетка Ме играет для свободных электронов роль
потенциальной ямы (т.е. энергия электрона внутри Ме считается отрицательной). Если принять,
что вне Ме потенциальная энергия электрона = 0, то внутри Ме она равна -А, где А положительная работа выхода электрона из ме, (считается, что электрон, находящийся внутри
потенциальной ямы с вертикальными стенками и плоским дном).
В классической электронной теории работу выхода отсчитывают от дна потенциальной ямы. В
квантовой теории считается, что все электроны стремятся занять наиболее низкие уровни, как
наиболее устойчивые, поэтому они попарно заполняют дозволенные энергетические уровни,
начиная со дна.
Т.о. работу выхода электрона из Ме нужно отсчитывать не от дна потенциальной ямы, а от
верхнего из занятых энергетических уровней - называемых уровнем Ферми. Энергия электрона на
этом уровне называется энергией Ферми (ЕФ).
Электропроводимость Ме.
Электрический ток проводимости в Ме это упорядоченное движение электронов, которое
возникает под действием электрического поля. Для того, чтобы электроны начали упорядоченно
двигаться под действием внешнего электрического поля они должны увеличить свою энергию.
При обычных напряжениях цепи они принимают весьма малую энергию. Если существуют
близкие свободные энергетические уровни, осуществляется переход на эти уровни и возникает
электрический ток. Если свободные уровни отсутствуют электроны на них не могут перейти 
эл.ток не возникает.
Квантовая теория рассмотрела движение электронов с учетом их взаимодействия с
кристаллической решеткой, согласно корпускулярно-волновому дуализму движению электронов
соответствует волновой процесс. Идеальная кристаллическая решетка (частицы неподвижны,
отсутствует нарушение периодичности) ведет себя как оптически однородная Среда и эл.волны не
рассеивает, т.е. такой Ме не оказывает сопротивления току.
В реальной кристаллической решетке всегда есть неоднородности, частицы в узлах решетки
совершают тепловые колебания. В результате этих колебаний в кристалле возникает флуктуация
(отклонение от среднего значения) плотности, но колебания частиц не гармонические. Эти
неоднородности и служат центром рассеяния эл.волн.
частота колебаний частиц в узлах решетки соответствует звуковой частоте и приводит к
распространению в решетке звуковых волн, говорят, что в кристаллической решетке существует
звуковое поле. Квантами этого поля являются квазичастицы - фононы  эл.сопротивление Ме
является результатом рассеяния электронов проводимости на фононах  удельное сопротивление
 = 1 + 2.
1 - сопротивление, обусловленное тепловыми колебаниями решетки. Считается что при Т =
0К, 1 = 0.
2 - сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на примесных атомах (остаточное
сопротивление).
5.5. Состав ядра
Ядро атома было открыто английским физиком Э. Резерфордом в 1911 году в опытах по
рассеянию -частиц при прохождении их через вещество.
Атомное ядро – центральная массивная часть атома, состоящая из нуклонов (протон +
нейтрон).
Масса ядра атома примерно в 4*103 больше массы всех входящих в состав атома электронов.
Электрический заряд положителен и по абсолютной величине равен сумме зарядов электронов
нейтрального атома.
Размеры ядра атома составляют  10-14  10-15.
Плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (примерно 1017 кг/м3).
Ко времени открытия атомного ядра были известны только две элементарные частицы –
протон и электрон. В соответствии с этим считалось вероятным, что ядро атома состоит из них.
Однако в конце 20-х гг. протонно-электронная гипотеза столкнулась с серьезной трудностью.
Состав ядра был выяснен после открытия английским физиком Дж. Чедвиком (1932) нейтрона.
Идея о том, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов, была впервые высказана Д. Д.
Иваненко (1932) и развита В. Гейзенбергом. Предположение о протонно-нейтронном составе
ядра получило в дальнейшем полное экспериментальное подтверждение.
Периодически на короткое время (  10-23  10-24 с.) в ядрах появляются мезоны, в т.ч. пимезоны. Взаимодействие нуклонов сводится к многократным актам испускания -мезонов одним
из нуклонов и поглощения его другим.
В ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этой цели на
с . Принимается также атомная единица массы: 1 а.е.м.  1,66 * 10-27 кг = 931,44 МэВ.
2
5.6. Нуклоны (протоны и нейтроны).
Нуклоны (р)– от греческого – первый – стабильная элементарная частица, ядро атома
водорода.
Термин введен Резерфордом.
Масса: mр = 1,673 * 10-27 кг = 938,3 МэВ = 1,836 * mе.
Электрический заряд: е = 1,6 * 10-19 Кл.
Спин протона: S = ½ , т.е. фермион.
Собственный магнитный момент: р = 2,79 * я, где я = е * ħ / 2*mр*с = 5,05 * 10-27 Дж/Тл.
По экспериментальным данным среднее время жизни протона: р > 1030 лет.
Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, при этом
число протонов в ядре равно атомному номеру элемента и, следовательно, определяет место
элемента в периодической системе элементов Менделеева.
Существует античастица по отношению к протону – антипротон.
нейтрон - от латинского ни тот, ни другой – электрически нейтральная элементарная частица.
Открыта английским физиком Дж. Чедвиком (1932).
Масса: mn = 1,675 * 10-27 кг = 939,6 МэВ.
Разность масс: mn – mр = 2,5 mе.
Электрический заряд: е = 0.
Спин нейтрона: S = ½ , т.е. энтофермион.
Собственный магнитный момент: n = -1,91 * я (знак минус указывает на то, что направления
собственных механических и магнитных моментов противоположны).
В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) – он самопроизвольно
распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (е-) и антинейтрино (ύ). Период
полураспада, т.е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов,
равен  = 15,3 минуты. Схему распада можно написать следующим образом:
n  p + e- +ύ.
Масса нейтрино равна нулю.
5.7. Заряд и массовое число ядра.
Зарядом ядра является величина Zе, где е – заряд протона, Z – порядковый номер
химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре.
В настоящее время известны ядра с Z от Z = 1 до Z = 107. Для всех ядер, кроме 11Н; 23Н и
некоторых других нейтронно-дефицитных ядер N  Z, где N – число нейтронов в ядре. Для мелких
ядер N/Z  1; для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы,
N/Z  1,6.
Число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и
нейтрону) приписывают массовое число, равное единице, электрону – нулевое значение А.
Ядро химического элемента Х обозначается ZAX, где Х – символ химического элемента, Z –
атомный номер (число протонов в ядре), А – массовое число (число нуклонов в ядре).
5.8. Изотопы и изобары.
Атомные ядра с одинаковым числом нуклонов, т.е. массовым числом А и разными числами
протонов Z и нейтронов N называются изобарами.
Пример: 1840Ar, 2040Ca.
Изотопы – разновидности данного химического элемента, различаются по массе ядра, т.е. ядра
с одинаковыми Z, но различными А.
Обладая одинаковыми зарядами ядер Z, но различаясь число нейтронов, изотопы имеют
одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства, и занимают
одно и то же место в периодической системе.
Примеры: водород имеет три изотопа: 11Н – протий, 12Н – дейтерий, 13Н – тритий. Протий и
дейтерий стабильны, тритий – радиоактивен; Кислород имеет три стабильных изотопа: 816О, 812О,
18
8 О; у олова 10 и т.д.
В природе встречаются элементы с атомным номеров Z от 1 до 92, исключая технеций (Tc,
Z=43) и прометий (Pm, Z = 64). Остальные трансурановые (т.е. зауриновые) элементы (93-107)
были получены искусственным путем.
Стабильные изотопы встречаются только у элементов с Z  83.
Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000
естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов.
Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1906 – 10 гг.
при изучении свойств радиоактивных элементов. Термин "изотоп" предложен английским ученым
Ф. Содди в 1910 г.
Ядра с одинаковым числом нейтронов N называются изотопами (613С, 714N).
Изомерами называются радиоактивные ядра с одинаковыми Z и А, отличающиеся периодом
полураспада,.
В настоящее время известно приблизительно 1500 ядер, отличающихся либо Z, либо А, либо
тем и другим.
5.9. Ядерные силы.
Ядерные силы – силы, связывающие нуклоны в ядре. Ядерные силы оно из проявлений
сильных взаимодействий. Это взаимодействие можно описать с помощью поля ядерных сил.
Особенности ядерных сил:
1) ядерные силы являются короткодействующими. Их радиус действия имеет порядок 10-15 м.
На расстояниях существенно меньших 10-15, притяжение нуклонов сменяется отталкиванием;
2) сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие
между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, имеют одинаковую
величину, это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил;
3) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Так, например, нейтрон и
протон удерживаются вместе, образуя ядро дейтрона только в том случае, если их спины
параллельны друг другу;
4) ядерные силы не являются центральными. Их нельзя представлять направленными вдоль
прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов. Нецентральность ядерных сил
вытекает, в частности, из того факта, что они зависят от ориентации спинов нуклонов;
5) ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре
взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Насыщение проявляется в том. Что удельная
энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов не растет. А остается примерно
постоянной.
5.10. Энергия связи ядра.
Энергия связи ядра (Есв) – это энергия, которую необходимо затрать, чтобы расцепить ядро
на отдельные нуклоны.
Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделиться такая же
энергия, какую нужно затрать при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия
связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и
их энергия в ядре.
При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше. Чем сумма масс
составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется
выделением энергии связи. Если Есв – энергия, выделившаяся при образовании ядра, то
соответствующая ей масса: m = Есв / с2 – называется дефектом массы и характеризует
уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Если ядра с
массой Мя образовано из Z протонов с массой mр и из (А – Z) нейтронов с массой mn, то
 m = Zmp + (A – Z) * mn – Мя.
Вместо массы Мя ядра величину  m можно выразить через атомную массу Ма:
 m = ZmH + (A – Z) – Ма, где mH – масса атома водорода.
При практическом вычислении  m массы всех частиц и атомов выражаются в а.е.м..
Дефект массы служит мерой энергии связи ядра: Есв =  m * с2 = [ Zmp + (A – Z)mn – Мя] * с2.
Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.).
Удельной энергией связи ядра (св) называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон:
св = Есв / А.
Величина св составляет в среднем 8 МэВ/нуклон.
На рисунке приведена кривая зависимости удельной энергии связи от массового числа А,
характеризующая различную прочность связей нуклонов в ядрах разных химических элементов.
Ядра химических элементов в средней части периодической системы 28 < А < 138, т.е. от 1428 Si до
138
50 Ba, наиболее прочны. В этих ядрах св близка к 8,7 МэВ/нуклон. Тяжелые и легкие ядра менее
устойчивы. Это значит, что энергетически выгодны следующие процессы: деление тяжелых ядер
на более легкие; слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые. При обоих процессах
выделяется огромное количество энергии.
5.12. Радиоактивность.
Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно)
превращаться в другие ядра с испусканием частиц.
Открытие радиоактивности датируется 1896г., когда французский физик А. Беккерель
обнаружил испускание ураном неизвестного проникающего излучения, названного им
радиоактивностью.
Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее
дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние
сопровождается испусканием -фотонов.
К числу радиоактивных процессов относят: -распад, -распад (в том числе электронный
захват), -излучение ядер, протонная радиоактивность.
Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется
естественной.
Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной.
Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия.
Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.
Радиоактивное излучение имеет сложный состав. В магнитном поле узкий пучок
радиоактивного излучения расщепляется на три компонента: -частицы. Отклоняются
электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью
(поглощается слоем алюминия толщиной 0,05 мм). Представляет собой поток ядер гелия; заряд q
= -2, а масса совпадает с массой гелия 24Не; -частицы. Отклоняются электрическим и магнитным
полями, их ионизирующая способность значительно меньше, а проникающая способность гораздо
больше (поглощается слоем алюминия толщиной 2 мм). Представляет собой поток быстрых
электронов, испускаемых из ядра. Эти электроны образуются в результате взаимопревращений
нуклонов в ядре; -излучения. Не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает
относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью
(проходит через слой свинца толщиной 5 мм). При прохождении через кристаллы обнаруживает
дифракцию. Это коротковолновое электромагнитное излучение ( < 10-10 м), обладает ярко
выраженными корпускулярными свойствами (-кванты).
5.13. Закон радиоактивного распада.
Под радиоактивным распадом понимают естественное радиоактивное превращение ядер,
происходящее самопроизвольно.
Теория радиоактивного распада строиться на предположении о том, что радиоактивный распад
является спонтанным процессом, подчиняющимся статистическим законам. Т.к. отдельные
радиоактивные ядра претерпливают превращение независимо друг от друга, то можно считать,
что количество ядер dN, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально как
числу имеющихся ядер, так и промежутку времени dt: dN = - N * dt, где  - постоянная
радиоактивного распада, постоянная для данного радиоактивного вещества величина. Знак синус
указывает на то, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.
Разделив переменные, и проинтегрировав их, получим:
dN/N = - *dt   dN/N = - dt  ln(N/N0) = -  * t.
В результате получим закон радиоактивного распада:
N = N0 * e-  * t (1), где N0 – начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t = 0), N –
число нераспавшихся ядер в момент времени t.
Т.о. согласно закону радиоактивного распада число нераспавшихся ядер убывает со временем
по экспоненте.
Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период
полураспада Т1/2 – промежуток времени, за который в среднем число нераспавшихся ядер
уменьшается вдвое; и среднее время жизни  радиоактивного ядра. Тогда: N/2 = N0 * e- T 
T1/2 = ln 2 /  = 0.693 / .
Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в
пределах от 3*10-7 с до 5*1015 лет.
Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна: t * |dN| =  * N * t * dt.
Проинтегрировав это выражение по всем возможным t (т.е. от 0 до ) и разделив на начальное
число ядер N0, получим среднее время жизни  радиоактивного ядра:
= 1/N0 *   * N * t * dt = 1/N0 *   * N0 * t * e-  t * dt =   t * e-  t * dt = надо перейти к
переменной х = t и осуществить интегрирование по частям= 1/.
Т.о. среднее время жизни радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной
радиоактивного распада .
Активность (А) нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и
нейтронов N в радиоактивном источнике) называется величина, равная отношению числа N
распавшихся ядер ко времени t, за которое произошел распад: А = N / t (2).
В результате (1) и (2): А = -  * N. Единица активности в СИ – Беккерель: [A] = Бк.
Беккерель – активность нуклида, при которой за 1с происходит один акт распада.
Внесистемная единица активности нуклида – Кюрл [Кл]: 1 Кл = 3,7 * 1010 Бк.
Естественная радиоактивность наблюдается у ядер атомов химических элементов,
расположенных за свинцом в периодической системе Менделеева. Естественная радиоактивность
легких и средних ядер наблюдается лишь у ядер: 940K, 3787Pb, 49115Jn, 57138La, 62147Sm, 71175Lu, 75187Re.
5.20. Ядерные реакции.
Ядерные реакции – превращения атомных ядер при взаимодействии с частицами, в т.ч. с квантами или друг с другом.
Для осуществления ядерных реакций необходимо сближение частиц (двух ядер, ядра и
нуклона и т.д.) на расстояние 10-15 м. Энергия налетающих положительных частиц должна быть
порядка или больше высоты кулоновского потенциального барьера ядер (для однозарядовых
частиц  10МэВ). В этом случае ядерные реакции, как правило, осуществляются бомбардировкой
мишеней пучками ускоренных частиц. Для отрицательно заряженных и нейтральных частиц
кулоновский барьер отсутствует, и ядерные реакции могут протекать при тепловых энергиях
налетающих частиц.
В ядерной физике вероятность взаимодействия принято характеризовать с помощью
эффективного сечения . Пусть поток частиц, например нейтронов, падает на мишень, настолько,
тонкую, что ядра мишени не перекрывают друг друга (см.рисунок).
Если бы ядра были твердыми шариками с поперечным сечением , а падающие частицы –
твердыми шариками с исчезающе малым сечением, то вероятность того, что падающая частица
заденет одно из ядер мишени была бы равна: W = *n*, где n – концентрация ядер, т.е. их число в
единице объема мишени,  - толщина мишени; (*n* определяет относительную долю площади
мишени, перекрытую ядрами-шариками).
Эффективные сечения ядерных процессов принято выражать в единицах, получивших
название барн: 1 барн = 10-24 см2.
Эффективное сечение рассеяния характеризует эффективность ядерной реакции.
Как правило, в ядерных реакциях участвуют два ядра и две частицы. Одна пара ядро-частица
является исходной, другая – конечной.
Символическая запись ядерной реакции: х + а = у + b или Х(а,b)У, где Х и У – исходное и
конечное ядра, а и b – исходная и конечная частицы в реакции.
Иногда ядерные реакции могут протекать в две стадии по схеме: х + а  с  у + b, где с –
промежуточное ядро (комнаундядро).
Ядерные реакции подчиняются законам сохранения электрического заряда, энергии и
импульса. Закон сохранения массового числа выполняется не во всех реакциях. Так, если
кинетическая энергия вступающих в реакцию частиц достаточна для рождения нуклон –
антинуклонной кары, то массовое число может изменяться.
Ядерные реакции характеризуются энергией ядерной реакции Q, равной разности энергий
конечной и исходной пар в реакции. Если Q < 0, то реакция идет с поглощением энергии и
называется эндотермической, если Q > 0, то реакция идет с выделением энергии и называется
экзотермической.
5.23. Деление ядер.
Реакция деления атомного ядра заключается в том, что тяжёлое ядро под действием
нейтронов и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего
на два ядра, близких по массе.
Для того чтобы ядро достигло формы, предшествующей его разрыву, необходима
затрата определенной энергии для преодоления потенциального барьера называемого
барьером деления (см.рисунок).
Эту энергию ядро может получить из вне, например при захвате нейтрона. В случае
спонтанного деления ядер происходит туннельное просачивание через барьер.
Масса тяжелого ядра больше суммы масс образующихся осколков. Разница в массах
соответствует энергии, выделяемой при делении. В самом деле, удельная энергия связи
для ядер средней массы составляет  8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна
7,6 МэВ. Т.е. при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия
порядка 1,1 МэВ/нуклон. Значительная часть этой энергии выделяется в виде
кинетической энергии осколков, равной энергии их электростатического отталкивания в
момент деления. Суммарная кинетическая энергия осколков составляет для урана и
трансурановых элементов  200 МэВ. При делении ядер, содержащихся в 1г 235U,
выделяется энергия 8*1010 Дж, или 22000 кВт*ч. Осколки быстро тормозятся в среде,
вызывая ионизацию, нагревание и нарушая её структуру.
5.24. Цепные ядерные реакции.
Цепные ядерные реакции – ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их,
образуются как продукты этих реакций.
Пока единственная известная цепная ядерная реакция – реакция деления урана и
некоторых трансурановых элементов под действием нейтронов.
В 1939г. Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон впервые указали на возможность
существования таких реакций. Впервые цепная реакция деления была осуществлена
итальянским физиком Э. Ферми в 1942г. После открытия деления атомных ядер Ферми, У.
Зинн, Л. Силард (США), Г.Н. Флеров показали, что при делении ядра вылетает больше 1
нейтрона:
n + U  A + B + ύ, где А и В – осколки деления с массовыми числами от 90 до 150; ύ –
число вторичных нейтронов.
Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов,
который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в
предыдущем поколении.
Необходимое условие для осуществления цепной ядерной реакции деления k  1.
Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее
деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за
конечных размеров активной зоны (пространства, где происходит цепная реакция) и
большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону
раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов
захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне.
Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы
радиоактивного захвата и неупругого рассеивания.
Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного
изотопа – от его количества, а также размеров и формы активной зоны.
Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно существование цепной
реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося
вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для
осуществления цепной реакции, называется критической массой.
Пример: для 235U
9 см.
 = 19,5 г/см3 и при сферической форме системы: mкр = 50 кг, rкр =
При k > 1 идет развивающаяся реакция, число делений растет и реакция может стать
взрывной.
При k = 1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов со
временем не изменяется.
При k < 1 идет затухающая реакция.
Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы неуправляемая реакция. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась в ней 235U и
239
Pu делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с
помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества
становится больше критической и возникает цепная реакция деления. Взрывная реакция
начинается за счет нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического
излучения.
Управляемые ядерные реакции осуществляются в ядерных реакторах.
Ядерным топливом могут служить три природных изотопа
получения 232Th и 238U.
235
U, или сырьем для его
Th служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива
U, а 238U  для 293Pu:
232
233
238
U
92
+ 01n  92239U  93239N 94239Pu.
Т.о. имеется возможность воспроизведения ядерного горючего при цепной реакции
деления.
5.25. Ядерные реакторы на тепловых и быстрых нейтронах.
Большое значение в ядерной энергетике приобретает не только осуществление цепной
реакции, но и управление ею.
Ядерные реакторы – это устройства, в которых осуществляется и поддерживается
управляемая цепная реакция деления.
Взаимодействие нейтронов с ядрами состоит главным образом либо в упругом
рассеивании нейтронов на ядрах, либо в захвате нейтронов ядрами. В веществах,
называемых замедлителями (графит, тяжелая вода, соединения бериллия), быстрые
нейтроны рассеиваются на ядрах, передавая энергию атомам замедлителя. В результате
нейтроны становятся тепловыми.
При совпадении энергии тепловых нейтронов с энергией составного ядра наблюдается
резонансное поглощение (резонансный захват) нейтронов.
Первый реактор был пущен в Чикагском университете в 1942г. Э. Ферми, в СССР
подобный реактор был создан в 1946г. под руководством И.В. Курчатова.
В качестве делящегося вещества в реакторах на тепловых нейтронах служит
природный (либо несколько обогащенный изотопом 235U) уран. Чтобы предотвратить
радиационный захват нейтронов ядрами 238U, сравнительно небольшие блоки делящегося
вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки между
блоками заполняют замедлителем.
В реакторах на быстрых нейтронах используются нейтроны деления и замедлитель
отсутствует.
Первая атомная электростанция была построена в СССР в г. Обнинске под
руководством И.В. Курчатова. Её мощность 5 МВт.
Схема уран-графитового реактора приведена на рисунке:
1 – замедлитель (графит); 2 – блоки из урана, тепловыделяющие элементы (твэлы); 3 –
стержни кадмия или бора, интенсивно поглощают электроны и служат для регулировки
процесса в реакторе.
Введение стержней 3 в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов, и
введение увеличителя. Стержнями управляет автоматика, позволяющая поддерживать
мощность реактора на заданном уровне.
5.26. Реакция синтеза, условия их осуществления. Управляемый термоядерный синтез.
Термоядерные реакции – это ядерные реакции между легкими атомными ядрами,
протекающие при очень высоких температурах ( 108 К и выше).
Высокие температуры, т.е. достаточно большие относительные энергии
сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера,
обусловленного взаимным отталкивание ядер. Без этого невозможно сближение ядер на
расстояния порядка радиуса действия ядерных сил, т.е. и перестройка ядер.
Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах
звезд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество либо
ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом
лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц.
Реакция синтеза атомных ядер могут служить колоссальным источником энергии.
Удельная энергия связи резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода
(дейтерия 12Н и трития 13Н) к литию 36Li и особенно к гелию 24He, т.е. реакции синтеза
легких атомных ядер в более тяжелые должна сопровождаться выделением большого
количества энергии.
Пример реакции синтеза:
1
1
1
3
2
Н + 12Н  13Н + 11р (Q = 4,0 МэВ)
2
Н + 12Н  23Не + 01n (Q = 3,3 МэВ)
2
Н + 13Н  24Не + 01n (Q = 17,6 МэВ)
6
Li + 12Н  24Не + 24Не (Q = 22,4 МэВ)
где Q – энерговыделение.
Энергия, выделяемая на один нуклон в реакциях синтеза атомных ядер значительно
больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер. Так, при делении ядра 92238U на один
нуклон выделяется  0,84 МэВ энергии, а в реакции синтеза эта энергия составляет 3,5
МэВ.
Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца
и звезд.
Впервые искусственная управляемая термоядерная реакция была осуществлена в
СССР (1953г.), а через полгода в США в виде взрыва водородной бомбы.
РАЗДЕЛ 4. Словарь терминов (глоссарий).
1895 год - открытие рентгеновских лучей (Вильгельм Конрад Рентген),
1896 год - открытие радиоактивности (Антуан Анри Беккерель),
1897 год - открытие электрона (Джозеф Джон Томсон),
1900 год - рождение квантовой гипотезы (Макс Карл Эрнст Людвиг Планк),
1901 год - создание электронной лампы (Оуэн Уилланс Ричардсон),
1902 год - рождение фундаментальных принципов статистической физики (Джозайя
Уиллард Гиббс),
1905 год - рождение гипотезы световых квантов (Альберт Эйнштейн),
1905 год - рождение специальной теории относительности (Альберт Эйнштейн, Жюль
Анри Пуанкаре),
1911 год - экспериментальное доказательство существования атомных ядер (Эрнст
Резерфорд),
1911 год - открытие явления сверхпроводимости (Хейке Камерлинг - Оннес),
1913 - 1917 гг. - исследование столкновений электронов с атомами (Джеймс Франк и
Густав Герц),
1922 год - экспериментальное доказательство существования спина электрона (Отто
Штерн, Вальтер Герлах),
1923 год - открытие эффекта Комптона (Артур Холли Комптон),
1924 год - рождение принципа исключения Паули (Вольфганг Эрнст Паули),
1925- 1927 гг.- создание квантовой теории (Вернер Гейзенберг, Макс Борн, Паскуаль
Иордан, Поль Андриен Морис Дирак, Эрвин Шредингер),
1927 год - открытие явления интерференции при отражении электронов от кристаллов
(Клинтон Джосеф Дэвиссон, Лестер Джермер, Джордж Паджет Томсон),
1932 год - год великих открытий: открытие изотопа водорода - дейтерия (Гаральд Клейтон
Юри), открытие позитрона (Карл Дейвид Андерсон), открытие нейтрона (Джеймс
Чедвик),
1934 год - открытие искусственной радиоактивности (Ирен и Фредерик Жолио-Кюри),
1938год - открытие явления сверхтекучести жидкого гелия (Петр Леонидович Капица),
1938 год - открытие деления атомных ядер (Отто Хан, Фриц Штрассман),
1942 год - создание первого уранового котла, использующего ядерную реакцию (Энрико
Ферми с сотруд.),
1946 год - рождение первого компьютера (Джон фон Нейман и др.),
1947 год - создание голографии (Деннис Габор),
1948 год - открытие транзисторного эффекта, создание транзистора (Джон Бардин, Уолтер
Браттейн, Уильям Брэдфорд Шокли),
1954 год - создание квантового генератора (Чарльз Харт Таунс, Александр Михайлович
Прохоров, Николай Геннадьевич Басов),
1955 год - открытие антипротона (Эмилио Джино Сегре, Оуэн Чемберлен и др.),
1956 год - экспериментальное доказательство существования нейтрино (Фредерик Райнес
и Клайд Лоррен Коуэн),
1956 год - открытие несохранения четности в слабых взаимодействиях (Ли Цзун - Дао,
Янг Чжань - нин, Ву Цзянь - сюн с сотрудниками),
1957 год - создание микроскопической теории сверхпроводимости (Джон Бардин, Леон
Купер, Джон Роберт Шриффер, Николай Николаевич Боголюбов),
1960 год - рождение рубинового лазера (Чарльз Таунс, Артур Шавлов, Теодор Мейман ),
1957, 1965 гг. - открытие явлений туннелирования в твердых телах (Лео Эсаки, Айвар
Джайевер, Брайан Джозефсон),
1964 год - открытие нарушения комбинированной пространственно-зарядовой симметрии
(Вэл Логодон Фитч, Джеймс Уотсон Кронин),
1965 год - открытие реликтового фонового электромагнитного излучения (Арно Алан
Пензиас, Роберт Вудрон Вильсон),
1967-1968 гг. - создание теории электрослабого взаимодействия (Стивен Вайнберг,
Шелдон Глэшоу, Абдус Салам),
1969 год - рождение компьютерной рентгеновской томографии (Аллан Кармак,Годфри
Хаупсфилд), 1974 год - открытие / - частицы, подтверждение зы кварков (Сэмюэл Тинг,
Бертон Рихтер),
1981 год - рождение сканирующей туннельной микроскопии (Эрнст Руска, Гердт Бинниг,
Генрих Рорер),
1983 год - открытие промежуточных векторных бозонов W , W , Z W , Z, W , Z 6 0 (Карло
Руббиа, Симон ван дер Меер с сотрудниками),
1985 год - открытие квантового эффекта Холла (фон Клитцинг),
1986 - 1987 гг. - открытие высокотемпературной сверхпроводимости в керамических
металлоксидах (Дж. Г. Беднорц, К.А. Мюллер, М.Такашиге и др.)
Механическим движением называется изменение положения предмета относительно
заданной системы отсчета.
Первый закон Ньютона утверждает, что существуют такие системы отсчета, в
которых всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного
движения до тех пор, пока воздействия со стороны других тел не заставят его изменить
это состояние.
Свойство тела сохранять свое состояние неизменным называют инерцией, а системы
отсчета, в которых выполняется этот закон, - инерциальными.
Сила - количественная мера простого воздействия на тело со стороны других тел, во
время действия, которого тело или его части получают ускорения.
Теорема о движении центра масс - центр масс системы материальных точек под
действием внешних сил движется как материальная точка суммарной массы, к которой
приложены все внешние силы
Оптика  раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его
взаимодействие с веществом.
Под светом понимают видимый свет, а также инфракрасную и ультрафиолетовую часть
спектра. Диапазон оптического спектра:  = 2мм  10нм;  = 1,5*1011 Гц  3*1016Гц.
Для объяснения световых явлений в физике используются 2 теории света: корпускулярная
(И. Ньютон) и волновая (Х. Гюйгенс).
По волновой (электромагнитной) теории световое излучение представляет собой
электромагнитные волны. Свет  волны поперечные.
Е  световой вектор (оказывает физиологическое, фотоэлектрическое и фотохимическое
и др. воздействия).
с = 3*108м/с  скорость света в вакууме = 1/  (0 * 0).
Фазовая скорость распространения электромагнитных волн: V -= с /  ( * ).
Отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости в среде называется
абсолютным показателем преломления этой среды: n = с / V =  ( * ).
При помощи волновой теории объясняют законы распространения света.
По корпускулярной (фотонной) теории световое излучение представляет собой поток
фотонов (корпускул). На основе корпускулярной теории объясняют законы
взаимодействия между светом и веществом.
Волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции.
Когерентностью называется согласованное протекание нескольких колебательных или
волновых процессов.
Колебания называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во
времени.
Интерференция света – сложение в пространстве двух (или нескольких волн), при
котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей
волны.
Расстояние м/д двумя соседними максимумами (или минимумами), называется шириной
интерференционной полосы: ч = l * 0 / d.
Дифракцией называется совокупность явлений, которые обусловлены волновой природой
света и наблюдается при его распространении в среде с резко выраженными
неоднородностями. Дифракция  огибание волнами препятствий.
Волновой поверхностью (фронтом волны) называется геометрическое место точек
среды, колеблющихся в данный момент времени в одинаковой фазе.
Принципа Гюйгенса-Френеля: В любой точке, находящейся вне поверхности ,
световая волна, возбуждаемая источником S, может быть представлена как результат
суперпозиции когерентных вторичных волн, которые излучаются элементарными
фиктивными (воображаемыми, виртуальными) источниками, непрерывно
распределенными вдоль вспомогательной поверхности .
Дифракционная решетка представляет собой систему из большого числа N одинаковых
по ширине и параллельных друг другу щелей в экране, разделенных также одинаковыми
по ширине непрозрачными промежутками.
условие главных максимумов:d * sin  =  n * 
условие главных минимумов:a * sin  =  m * 
Поляризованной называется волны, в которой существует предпочтительное направление
колебаний.
Поляризатор – всякий прибор, служащий для получения поляризованного света.
Анализатор - прибор-поляризатор, применяемый для исследования поляризованного
света.
Закон Брюстера: отраженный луч полностью поляризован при угле падения  = Бр,
удовлетворяющем условию tg Бр = n21, где n21  относительный показатель преломления
отражающей среды.
Любая плоскость, проходящая через ось, называется главным сечением или главной
плоскостью кристалла.
Поглощением света называется явление поглощения энергии световой волны при её
распространении в веществе.
Закон Бугера-Ламберта: J = J0 * е-L, где J0 - активность света при входе в слой
вещества; J - интенсивность при выходе; L - толщина слоя;  - линейный коэффициент
поглощения среды, зависит от природы и состояния поглощающей среды и от .
Рассеянием
света
называется
явление
преобразования
света
веществом,
сопровождающееся изменением направления распространения света и появляющимся как
несобственное сечением света.
Световое давление  давление, производимое светом на отражающие и поглощающие
тела, частицы а также отдельные молекулы и атомы.
Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет
его внутренней энергии. Все остальные виды свечения называются люминесценция.
Фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного
излучения.
Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по
энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках,
происходящее под действием света. Он проявляется в изменении концентрации носителей
тока в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного
фотоэффекта.
Фотопроводимость – увеличение электрической проводимости вещества под действием
света.
Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называется
возникновение под действием света ЭДС (фото-ЭДС) в системе, состоящей из
контактирующих полупроводника и металла или двух разнородных полупроводников
(например: в p – n переходе).
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание
электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения
в вакуум или другую среду.
Фотон – от греческого "свет" – элементарная частица, квант электромагнитного
излучения.Термин введен Г.Н. Льюисом в 1929г.
Эффект Комптона  упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных
(или слабо связанных) электронах, сопровождающееся увеличением длины волны;
наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн  рентген и излучений.
Постулаты Бора:
4. в атоме существует набор стационарных состояний (орбит электронов), находясь в
которых атом не излучает электромагнитных волн.
5. В стационарном состоянии атома электрон, движущийся по круговой орбите, имеет
квантовые значения момента импульса. Len = me * V * rn, где Le -момент импульса, me масса электрона, V - скорость электрона, rn - радиус орбиты электрона, n - главное
квантовое число (номер стационарной орбиты).
6. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или
поглощается один фотон. Еn - Em = h.
Спин - это внутреннее свойство, присущее электронам и другим элементарным частицам,
подобно тому, как ему присущи заряд и масса, - это квантовая и релятивистская величина,
у спина нет классического аналога, спин также квантуется.
Число различных состояний с каким-либо значением энергии называется кратностью
вырождения, соответствует энергетическому уровню.
Атомное ядро – центральная массивная часть атома, состоящая из нуклонов (протон +
нейтрон).
Нуклоны (р)– от греческого – первый – стабильная элементарная частица, ядро атома
водорода.
нейтрон - от латинского ни тот, ни другой – электрически нейтральная элементарная
частица. Открыта английским физиком Дж. Чедвиком (1932).
Зарядом ядра является величина Zе, где е – заряд протона, Z – порядковый номер
химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в
ядре.
Изотопы – разновидности данного химического элемента, различаются по массе ядра,
т.е. ядра с одинаковыми Z, но различными А.
Изомерами называются радиоактивные ядра с одинаковыми Z и А, отличающиеся
периодом полураспада,.
Ядерные силы – силы, связывающие нуклоны в ядре. Ядерные силы оно из
проявлений сильных взаимодействий. Это взаимодействие можно описать с помощью
поля ядерных сил.
Энергия связи ядра (Есв) – это энергия, которую необходимо затрать, чтобы
расцепить ядро на отдельные нуклоны.
Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно
(спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием частиц.
Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях,
называется естественной.
Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется
искусственной.
Под радиоактивным распадом понимают естественное радиоактивное превращение
ядер, происходящее самопроизвольно.
Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период
полураспада Т1/2 – промежуток времени, за который в среднем число нераспавшихся ядер
уменьшается вдвое;
Активность (А) нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом
протонов Z и нейтронов N в радиоактивном источнике) называется величина, равная
отношению числа N распавшихся ядер ко времени t, за которое произошел распад: А =
N / t (2).
Беккерель – активность нуклида, при которой за 1с происходит один акт распада.
Ядерные реакции – превращения атомных ядер при взаимодействии с частицами, в
т.ч. с -квантами или друг с другом.
Цепные ядерные реакции – ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их,
образуются как продукты этих реакций.
Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно существование цепной
реакции, называются критическими размерами
Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических
размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической
массой.
Ядерные реакторы – это устройства, в которых осуществляется и поддерживается
управляемая цепная реакция деления.
Термоядерные реакции – это ядерные реакции между легкими атомными ядрами,
протекающие при очень высоких температурах ( 108 К и выше).
РАЗДЕЛ 5. Практикум по решению задач (практических ситуаций) по темам лекций
(одна из составляющих частей итоговой государственной аттестации).
Данный раздел должен в себя включать:
 Примеры решения задач (практических ситуаций) по темам, на которые
предложены аналогичные задания в экзаменационных (зачетных) билетах.
РАЗДЕЛ 6. Изменения в рабочей программе, которые произошли после утверждения
программы.
Характер изменений
в программе
Номер и дата
протокола
заседания кафедры,
Подпись
заведующего
кафедрой,
Подпись декана
факультета
(проректора по
на котором было
утверждающего
принято данное
внесенное изменение
решение
Обновлен
список Протокол №11 от Королева Н.Ю.
рекомендованной
24.04.13
литературы
учебной работе),
утверждающего
данное изменение
Азарова В.В.
РАЗДЕЛ 7. Учебные занятия по дисциплине ведут:
Ф.И.О., ученое звание
степень преподавателя
и Учебный год
Факультет
Специальность.