22 Билет

1.Закон смещения Вина

Зако́н смеще́ния Ви́на даёт зависимость длины волны, на которой поток излучения энергии чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела.

Вильгельм Вин впервые вывел этот закон в 1893 году, путём применения законов термодинамики к электромагнитному излучению.

λmax = b/T ≈ 0,002898 м·К × T −1 (K),

где T — температура, а λmax — длина волны с максимальной интенсивностью. Коэффициент b, называемыйпостоянной Вина, в системе СИ имеет значение 0,002898 м·К.

Для частоты света   (в герцах) закон смещения Вина имеет вид:

где

α ≈ 2,821439…  — постоянная величина (корень уравнения  ),

k — постоянная Больцмана,

h — постоянная Планка,

T — температура (в кельвинах). Для вывода можно использовать выражение закона излучения Планка для абсолютно чёрного тела, записанного для длин волн:

Чтобы найти экстремумы этой функции в зависимости от длины волны, её следует продифференцировать по   и приравнять дифференциал к нулю:

2. Аномалтный эффект Зеемана

Для всех не синглетных линий спектральные линии атома расщепляются на значительно большее чем три количество компонент, а величина расщепления кратна нормальному расщеплению  . В случае аномального эффекта величина расщепления сложным образом зависит от квантовых чисел  . Как указано ранее, приобретенная электроном в магнитном поле дополнительная энергия   пропорциональна  -фактору, который называют множителем Ланде (гиромагнитный множитель) и который дается формулой

где   - значение орбитального момента атома,   - значение спинового момента атома,   - значение полного момента.

Впервые этот множитель ввел Ланде. Работы Ланде являлись продолжением работ Зеемана, поэтому спектры, полученные Ланде в магнитном поле, называют аномальным эффектом Зеемана. Заметим, что эксперимент Зеемана сделан при  , т.е  , поэтому никакой надобности в множителях не возникало.

Таким образом вырожденный энергетический уровень расщепляется на  равностоящих зеемановских подуровня.

23 Билет

1. Классическая теория изл-ия черного тела. Законы Вина

Абсолютно чёрное тело — физическая идеализация, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Важность абсолютно чёрного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного тела (и исторически это было уже сделано к концу XIX века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план).

Очень чёрные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (то есть имеют альбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Наиболее чёрное из всех известных веществ, изобретённая в 2014 году субстанция Vantablack, состоящая из параллельно ориентированных углеродных нанотрубок, поглощает 99,965 % падающего на него излучения в диапазонах видимого света, микроволн и радиоволн.

Изначально к решению проблемы были применены чисто классические методы, которые дали ряд важных и верных результатов, однако полностью решить проблему не позволили, приведя в конечном итоге не только к резкому расхождению с экспериментом, но и к внутреннему противоречию — так называемой ультрафиолетовой катастрофе.

Изучение законов излучения абсолютно чёрного тела явилось одной из предпосылок появления квантовой механики.

1 закон Вина В 1893 году Вильгельм Вин, воспользовавшись, помимо классической термодинамики, электромагнитной теорией света, вывел следующую формулу:

где uν — плотность энергии излучения,

ν — частота излучения,

T — температура излучающего тела,

f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.

Из первой формулы Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) и закон Стефана — Больцмана, но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы.

Исторически именно первый закон Вина назывался законом смещения, но в настоящее время термином «закон смещения Вина» называют закон максимума.

Второй закон излучения Вина В 1896 году Вин, на основе дополнительных предположений, вывел второй закон:

где C1, C2 — константы. Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина.

Позже Макс Планк показал, что второй закон Вина следует из закона Планка для больших энергий квантов, а также нашёл постоянные C1 и C2. С учётом этого, второй закон Вина можно записать в виде:

где h — постоянная Планка,

k — постоянная Больцмана,

c — скорость света в вакууме.

2. Эффект Пашена-Бака

Эффект Пашена — Бака состоит в том, что в сильных магнитных полях сложное зеемановское расщепление переходит в простое.[1] Открыт Фридрихом Пашеном иЭрнстом Баком в 1912 году.

Эффект Пашена — Бака наступает, когда напряжённость магнитного поля Н превышает величину, при которой расщепление уровней энергии   (где   — магнетон Бора) становится больше, чем расщепление тонкой структуры. При этом магнитное поле разрушает связь между орбитальным ( ) и спиновым ( ) моментами. Когда  , эффекты Пашена - Бака и Зеемана эквивалентны.

В условиях нарушения спин-орбитального взаимодействия внешним магнитным полем справедливо предположение  . Это позволяет легко оценить средние ожидаемые значения   и   в состоянии  . Энергии выражаются как

Несмотря на то, что LS-взаимодействие нарушено внешним магнитным полем, квантовые числа   и  , соответствующие проекциям магнитного и спинового моментов на магнитную ось, остаются "хорошими" квантовыми числами. Вместе с правилами отбора для электрических дипольных переходов, т.е.  , это позволяет вообще игнорировать спиновую степень свободы. В результате в спектре остаются видимыми только три спектральные линии, отвечающие дипольному правилу отбора  . Расщепление   не зависит от рассматриваемых электронных энергий и конфигураций. В общем случае (когда  ), эти три компоненты на самом деле представляют собой группы линий вследствие остаточного спин-орбитального взаимодействия.

В общем случае необходимо, помимо спин-орбитального взаимодействия, ещё учесть релятивистские поправки, которые имеют тот же порядок величины (тонкое расщепление). Теория возмущений первого порядка с этими поправками для атома водорода в пределе Пашена — Бака даёт[2]

где α — постоянная тонкой структуры, n — главное квантовое число, а l — орбитальное квантовое число.