- •Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов
- •Элементы квантовой механики
- •Квантовая теория свободных электронов в металле
- •Введение в теорию твердых тел
- •Основы физики лазеров
- •Элементы физики ядра и элементарных частиц
- •§ 1. Краткие исторические сведения
- •§ 2. Тепловое излучение
- •§ 3. Излучение абсолютно черного тела. Закон Кирхгофа.
- •Итоги лекции n 1
- •Лекция n 2 Проблема излучения абсолютно черного тела. Формула Планка. Закон Стефана-Больцмана, закон Вина § 1. Проблема излучения абсолютно черного тела. Формула Планка
- •§ 2. Закон Стефана-Больцмана и закон Вина
- •Итоги лекции n 2
- •Лекция n 3 Проблема фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта § 1. Проблема фотоэффекта
- •§ 2. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
- •Итоги лекции n 3
- •Лекция n 4 Боровская теория атома водорода Спектр излучения атома водорода в теории Бора § 1. Боровская теория атома водорода
- •Первый постулат Бора:
- •Второй постулат Бора:
- •§ 2. Спектры излучения атома водорода в теории Бора
- •Итоги лекции n 4
- •Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов
- •Лекция n 5 Свойства фотонов. Вероятностная интерпретация плотности энергии и интенсивности электромагнитной волны
- •§ 1. Свойства фотонов
- •2. Масса фотона
- •3. Энергия фотона
- •§ 2. Неделимость фотона
- •§ 3. Интерференция одиночных фотонов
- •§ 4. Вероятностная интерпретация плотности энергии и интенсивности электромагнитной волны
- •Итоги лекции n 5
- •§ 1. Гипотеза де Бройля. Волновые свойства электронов
- •Лекция n 6 § 2. Дифракция одиночных электронов
- •§ 3. Волновая функция и волна де Бройля
- •§ 4. Соотношения неопределенностей
- •Итоги лекции n 6
- •§ 2. Понятия об операторах физических величин
- •§ 3. Решение уравнения Шредингера для простейших случаев: свободная частица и частица в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме
- •§ 2. Квантовые числа
- •§ 3. Спектры атома водорода в теории Шредингера
- •§ 4. Волновая функция основного состояния атома водорода
- •Итоги лекции n 8
- •§ 2. Физические основы периодической системы элементов д. И. Менделеева
- •§ 3. Молекула
- •§ 4. Объяснение температурной зависимости теплоемкостей газов
- •Итоги лекции n 9
- •§ 1. Электронный газ в модели одномерной бесконечно глубокой ямы
- •§ 2. Электронный газ в модели бесконечно глубокой трехмерной потенциальной ямы
- •Итоги лекции n 10
- •Элементы квантовой статистики
- •Лекция n 11
- •§2. Анализ функции f(e)
- •Итоги лекции n 11
- •Лекция n 12 Результаты квантовой теории электропроводности. Термоэлектронная эмиссия. Бозоны. Распределение Бозе-Эйнштейна § 1. Результаты квантовой теории электропроводности металла
- •§ 2. Термоэлектронная эмиссия
- •§ 3. Бозоны. Распределение Бозе-Эйнштейна
- •Итоги лекции n 12
- •§ 2. Диэлектрики и полупроводники
- •§ 3. Собственная проводимость полупроводников
- •§ 2. Акцепторные примеси. Полупроводники p-типа
- •§ 3. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод
- •§ 4. Полупроводниковый триод - транзистор
- •Основы физики лазеров лекция n 15
- •§ 1. Вводные сведения
- •§ 2. Вынужденное (стимулированное) излучение
- •§ 3. Состояние с инверсией населенности
- •§ 4. Оптический резонатор
- •§ 5. Способы создания инверсии населенности
- •§ 6. Виды лазеров и их применение
- •§ 2. Дефект массы и энергия связи атомного ядра. Ядерные силы
- •§ 1. Некоторые сведения из истории открытия деления ядра урана
- •§ 2. Цепная ядерная реакция. Ядерная бомба
- •§ 3. Ядерный реактор
- •§ 4. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций
- •Итоги лекции n 17
- •§ 1. Радиоактивность. Историческое введение
- •§ 2. Закон радиоактивного распада
- •§ 3. Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом
- •§ 4. Методы регистрации ионизирующих излучений
- •Итоги лекции n 18
§ 6. Виды лазеров и их применение
По режиму работы лазеры можно разделить на импульсные и непрерывного действия. По виду активной среды лазеры делятся на газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные. По способу накачки: лазеры с оптической накачкой, газоразрядные лазеры, химические лазеры, ижекционные, лазеры и с электронной накачкой.
Для всех лазеров характерны следующие особенности излучения:
1) большая временная и пространственная когерентность. Время когерентности τ составляет 10-3с, что соответствует длине когерентности ;
2) строгая монохроматичность: ;
3) большая плотность потока энергии;
4) очень малое угловое расхождение в пучке (от 5· 10-4 радиан до 4· 10-2радиан).
Коэффициент полезного действия лазеров изменяется от 0,01% (для гелий-неонового лазера) до 75% (для лазера на стекле с неодимом).
Мощность непрерывного излучения лазеров изменяется от 10-3Вт (гелий-неоновый лазер) до 105Вт (газодинамический лазер на CO2). Мощность импульсного излучения изменяется от 10 Вт (полупроводниковые лазеры) до 1013Вт (лазеры на стекле с неодимом).
Особенности лазерного излучения находят самое разнообразное применение. Способность лазера концентрировать световую энергию в пространстве, времени и узком спектральном интервале может быть использована двояко:
1) нерезонансное воздействие мощных световых потоков на вещество в непрерывном и импульсном режимах (лазерная обработка материалов), использование мощных лазеров для решения проблемы термоядерного синтеза;
2) резонансное воздействие на атомы, молекулы и молекулярные комплексы, вызывающие процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимические реакции.
Нерезонансное, тепловое воздействие лазерного излучения, используемое в лазерной технологии обработки материалов, упрощает операцию получения отверстий в твердых, хрупких, тугоплавких материалах. Например, лазерная технология эффективна при изготовлении алмазных фильер - рабочего инструмента машин для волочения проволоки: через отверстие в фильере протягивается обрабатываемый материал. Лазерная технология используется для резки материала, нанесения рисунка на его поверхность, образование нужного микрорельефа на ней. Лазерная сварка позволяет соединить металлы и сплавы, не свариваемые обычным способом.
В частности, в медицине (хирургии) лазерный луч в ряде случаев с успехом используется в качестве хирургического скальпеля. В офтальмологии лазерным лучом прикрепляют отслоившуюся сетчатку глаза. Отметим, что в медицине используют и резонансное воздействие лазерного луча на ткани организма, в частности, маломощное излучение гелий-неонового лазера. Механизмы такого воздействия пока в деталях не изучены, предполагается, что его необычно высокая эффективность при очень малой мощности излучения (десятки милливатт) объясняется цепными фотохимическими реакциями, возникающими под воздействием лазерного излучения.
Применение лазеров в спектроскопии резко повысило возможность традиционных методов, кроме того, позволило создать методы, основанные на принципиально новых физических принципах. Чувствительность спектроскопических методов доведена до предельного уровня, ограниченного регистрацией единичных атомов и молекул. Методы лазерной спектроскопии используются в лазерной химии, лазерном разделении изотопов.
Лазеры широко применяют в измерительной технике. Например, лазерные интерферометры на гелий-неоновых лазерах позволяют с большой точностью производить юстировочные и нивелировочные работы. Широко используются лазерные светодальномеры и даже лазерные рулетки на портативных полупроводниковых лазерах.
Применения лазеров столь обширны, что здесь невозможно даже их простое перечисление, кроме того, область применения лазеров постоянно расширяется.
С появлением лазеров связано рождение таких новых разделов физики как нелинейная оптика и голография.
Нелинейная оптика исследует распространение мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Напряженности электрического поля в мощных лазерных пучках сравнимы или даже превышают внутриатомные поля. Это приводит к возникновению новых оптических эффектов и существенно меняет характер уже известных явлений. В частности, в 1969 г. была обнаружена самофокусировка света: мощный световой пучок, распространяясь в среде, не испытывает дифракционной расходимости, а, напротив, самопроизвольно сжимается.
Голография (от греческого holos - весь, полный, grapho - пишу) - способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметом, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна). Зарегистрированная интерференционная картина называется голограммой.
Голограмма, освещенная опорной волной, создает такое же амплитудно-фазовое пространственное распределение волнового поля, которое создавала при записи предметная волна. Таким образом, голограмма, за счет дифракции опорной волны на записанной в ней интерференционной картине, преобразует опорную волну в копию предметной.
Основы голографии были заложены в 1948 году английским физиком Д. Габором, венгром по происхождению. Экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа стали возможными лишь после появления источников света высокой степени когерентности - лазеров.
Схемы записи и воспроизведения голографического изображения показаны на двух рисунках 15.8а,б.
Рис. 15.8
Итоги лекции N 15
-
Лазер, или оптический квантовый генератор - это устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе.
-
Вынужденное излучение возникает, если на атом, находящийся в возбужденном состоянии с энергией Е2, воздействует фотон с частотой, удовлетворяющей условию: , где Е1 - энергия основного состояния. Вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.
-
Если на уровне Е2 находится больше электронов, чем на уровне Е1, то такое состояние активной среды называют состоянием с инверсией населенности. В этом случае процесс вынужденного излучения будет преобладать над процессом поглощения света.
-
Для возникновения лазерного излучения необходимо наличие положительной обратной связи, осуществляемой за счет оптического резонатора. Простейший оптический резонатор состоит из двух плоских зеркал, параллельных друг другу. Активная среда в состоянии с инверсией населенности расположена между этими зеркалами.
-
Процесс создания инверсии населенности называется накачкой. Существуют различные виды накачки. В твердых телах и жидкостях используют оптическую накачку. В этом случае для создания инверсии населенности необходимо, по крайней мере, три энергетических уровня атомов активной среды.
-
Для всех лазеров характерны следующие особенности излучения:
1) большая временная и пространственная когерентность (время когерентности τ ~ 10-3 с, что соответствует длине когерентности l = с · τ = 105 м;
2) строгая монохроматичность: Δλ ~ 10-11 м;
3) большая плотность потока энергии;
4) очень малое угловое расхождение (от 5·10-4 радиан до 4·10-2 радиан).
-
Особенности лазерного излучения находят самое разнообразное применение. Используется как нерезонансное воздействие мощных лазерных пучков на вещество, так и резонансное воздействие на атомы и молекулы, вызывающие различные фотостимулированные реакции.
-
С появлением лазеров стало возможным экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка голографии. Голография - это способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметов, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна).
ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
ЛЕКЦИЯ N 16
Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число. Дефект масс и энергия связи атомного ядра. Ядерные силы
§ 1. Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число
Атомное ядро было открыто английским физиком Э. Резерфордом в 1911 году в опытах по рассеянию α-частиц при прохождении их через вещество. Схема этого опыта была приведена нами в первой лекции (см. рис. 1.1), там же было дано его краткое описание. Опыт Резерфорда послужил нам в первой лекции отправной точкой для обсуждения планетарной модели атома и проблемы нестабильности атома в этой модели. Теперь же нас будет интересовать само ядро.
Ядро - центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер порядка 10-15÷10-14 м. Ядра имеют положительный заряд, кратный элементарному заряду е:
Целое число Z называется зарядовым числом. Оно совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов (см. лекцию 9, § 2).
Ядро состоит из протонов и нейтронов (ниже мы уточним это утверждение).
Термин "протон" (от греческого protos - первый) был введен Резерфордом в начале 20-х годов. Протон обозначают символом "р", он имеет следующие характеристики.
Протон - одна из двух стабильных элементарных частиц (другой стабильной частицей является электрон).
Масса протона:
здесь mе - масса электрона.
В ядерной физике и в физике элементарных частиц массы принято выражать в единицах энергии, умножая их значение в системе СИ, на квадрат скорости света с2, в соответствии с релятивистской формулой, связывающей массу частицы с ее энергией покоя (см. Ч.1, (12.7)): W0 = m с2.
Так масса частицы, равная 1 МэВ (точнее - 1 Мэв/с2) в системе СИ будет равна:
Выраженная в МэВ масса электрона равна:
Заряд протона - равен элементарному:
Протон имеет спин s = 1/2 и, следовательно, подчиняется принципу запрета Паули (см. лекцию 9, § 1).
Протон обладает собственным магнитным моментом:
здесь
-единица измерения магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. (Сравните с магнетоном Бора, введенным в части 2 формулой (13.19), там в формуле, аналогичной (16.7) на месте mр стояла масса электрона mе, значит ядерный магнетон в 1836 раз (см. (16.2)) меньше магнетона Бора). Магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше магнитного момента электрона.
Нейтрон был открыт в 1932 году английским физиком Д. Чедвиком - учеником Резерфорда. Обозначение нейтрона - символ "n". Электрический заряд нейтрона равен нулю.
Масса нейтрона:
Так как масса нейтрона больше массы протона, то он нестабилен и распадается в свободном состоянии по схеме:
здесь - обозначение электрона,
- символ, обозначающий антинейтрино.
Время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов (период полураспада) Т1/2 ≈ 12 минут.
Нейтрон, как и протон, имеет спин s=1/2 и поэтому подчиняется принципу запрета Паули.
Несмотря на свою электрическую нейтральность, нейтрон обладает собственным магнитным моментом:
Знак "-" указывает на то, что магнитный момент направлен против механического (спинового). Уже этот факт говорит о наличии внутренней структуры у нейтрона.
Отношения магнитного момента протона к магнитному моменту нейтрона с большой точностью равно 3/2. Объяснение этому было дано на основе представления о кварковой структуре протона и нейтрона.
Протонно-нейтронная модель атомного ядра была предложена в 1932 г. советским физиком Д. Иваненко после открытия нейтрона. Затем эта модель была развита немецким физиком В. Гейзенбергом.
Протоны и нейтроны получили общее название нуклонов, т.е. ядерных части. Отметим, что в ядре нейтрон является стабильной частицей.
Общее число нуклонов в ядре означается буквой А и называется массовым числом ядра.
Число нейтронов в ядре обозначают буквой N. Если учесть, что число протонов в ядре (зарядовое число) обозначается буквой Z, то для числа нейтронов имеем:
По современным представлениям протоны и нейтроны состоят из кварков и глюонов и атомное ядро - сложная система, состоящая из большого количества кварков, глюонных и мезонных полей, взаимодействующих друг с другом. Задача последовательного теоретического описания атомного ядра ставится в рамках квантовой хромодинамики. Однако в силу своей сложности эта задача пока не решена.
При описании атомного ядра и ядерных реакций, происходящих при небольших энергиях (≤ 1 ГэВ на нуклон) можно с хорошей точностью считать, что ядро состоит из вполне определенного числа нуклонов, движущихся с нерелятивистскими скоростями (v2/c2~0,1).
Размер ядра довольно точно определяется формулой:
здесь Ф - ферми - единица длины в ядерной физике, равная 10-15 м.
Для обозначения ядер применяют следующий символ:
здесь Х - химический символ данного элемента в таблице Менделеева, А - массовое число, Z - зарядовое число.
Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Химические свойства элементов определяются валентными электронами.
У протонов числа электронов одинаковы, значит по своим химическим свойствам атомы протонов совершенно одинаковы.
Большинство химических элементов имеет по нескольку стабильных протонов. Например, у водорода три изотопа:
Обычный водород и дейтерий стабильны, тритий - радиоактивен, его период полураспада Т1/2=12,35 года.