студ ивт 22 материалы к курсу физики / belonuchkin_ve_zaikin_da_tsipeniuk_ium_kurs_obshchei_fiziki

2.4. Термодинамические циклы. Тепловые машины . . . . . . . . . . . 263 2.5. Неравенство Клаузиуса. Энтропия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 2.6. Термодинамические потенциалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 2.7. Равновесие в термодинамических системах . . . . . . . . . . . . . 282 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Г л а в а 3. Приложения законов термодинамики. . . . . . . . . . . 294 3.1. Газ Ван-дер-Ваальса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 3.2. Фазы. Фазовые превращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 3.3. Поверхностные явления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 3.4. Термодинамика диэлектриков и магнетиков . . . . . . . . . . . . . 317 3.5. Низкие температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

Г л а в а 4. Элементы статистической физики . . . . . . . . . . . . . 325 4.1. Элементарные сведения из теории вероятности . . . . . . . . . . 326 4.2. Распределение Больцмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 4.3. Микро- и макросостояния. Фазовое пространство . . . . . . . . 337 4.4. Распределение Гиббса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 4.5. Распределения Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 4.6. Равновесие и флуктуации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 4.7. Основы теории теплоемкости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

Г л а в а 5. Неравновесные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 5.1. Неравновесный газ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 5.2. Открытые системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 5.3. Самоорганизация и кинетические фазовые переходы . . . . . . 388 5.4. Теорема Пригожина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 5.5. Периодические процессы в экологии и химии . . . . . . . . . . . 394 5.6. Возникновение хаоса в простой системе . . . . . . . . . . . . . . . 398 5.7. Пути возникновения хаоса. Каскады Фейгенбаума. . . . . . . . 401 5.8. От хаоса к самоорганизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

Г л а в а 6. Квантовая теория излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 6.1. Равновесное тепловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 6.2. Интегральные характеристики теплового излучения. . . . . . . 417 6.3. Вынужденное и спонтанное излучения. Лазеры . . . . . . . . . . 420 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

Г л а в а 7. Кристаллические структуры твердых тел. . . . . . . . 432 7.1. Симметрия кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 7.2. Классификация кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 7.3. Типы связей в кристаллах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 7.4. Жидкие кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 7.5. Упругое рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов в кри-

сталлах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 7.6. Дефекты кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

Предисловие

Второй том учебника «Основы физики» посвящен рассмотрению основ квантовой механики и ее приложений к атому, молекуле, ядру, элементарным частицам и системам со многими частицами, в основном, твердому телу. Кроме того, в этот же том вошли вопросы термодинамики, как классической, так и квантовой. Что касается раздела по физике систем многих частиц, то в него вошли такие темы, как структура кристаллов (в том числе и жидких) и методы ее исследования, квантовая теория излучения, основы физики лазеров, статистические свойства металлов, изоляторов и полупроводников, сверхпроводимость и сверхтекучесть, магнитные свойства веществ. Кроме того, в учебник включены вопросы физики неравновесных процессов и открытых систем, часто называемых синергетикой.

Следует отметить, что впервые в курсе общей физики рассматриваются сверхтекучесть, сверхпроводимость, синергетика, квантовый эффект Холла, кварковая структура адронов, поведение вещества при сверхвысоких температурах и давлениях, современные представления об эволюции Вселенной. Большинство этих физических явлений является ярчайшим проявлением квантовых закономерностей как на микро-, так и на макроуровне, и поэтому мы посчитали вполне закономерным включение этих разделов в современный учебник.

В заключении мы постарались подытожить достижения физики в описании окружающего мира, чтобы читатель смог увидеть необычайную мощь современной физики, ее роль как в развитии других областей знаний, так и в развитии громадного числа прикладных исследований. Мы старались показать, сколь велика роль науки в техническом прогрессе, или, как говорят, в технической революции, происшедшей во второй половине XX века. Современному поколению трудно себе представить мир без телевидения, компьютеров, радиотелефонной сотовой связи, современных самолетов, перевозящих людей за несколько часов в другие страны и континенты. Уже никто не удивляется полетам человека в космос, возможности передать по цепи всемирной паутины

— интернету — сообщение в любую часть земного шара, производству энергии на ядерных электростанциях. Все эти достижения человечества — результат глубоко изучения фундаментальных законов природы.

Принципы и методы исследований, которые первоначально создавались для чисто научных исследований, в большинстве своем нашли широчайшее применение в различных сферах человеческой деятельности. Вот лишь несколько примеров. Открытие трансмутации генов под действием излучений позволило во много раз поднять производство антибиотиков (прежде всего пенициллина), что спасло тысячи человеческих жизней. Открытие немецким физиком К. Рентгеном (1845–1923) X-лучей, названных затем в его честь рентгеновскими лучами, позволило «заглянуть» внутрь человеческого тела, и рентгенография стала неотъемлемой частью медицинского обследования населения, не говоря уже о рентгеновском контроле ответственных

деталей в машиностроении, газовой и нефтяной индустрии. Ускорители частиц, созданные для исследования фундаментальных процессов в микромире, сейчас в большинстве своем используются для лечения раковых заболеваний, радиационной обработки различных полимеров, дефектоскопии крупных изделий, стерилизации продуктов питания и медицинских инструментов.

Этот том снабжен большим числом иллюстраций, причем часто мы приводим оригинальные результаты авторов тех или иных открытий и наблюдений, чтобы читатель смог непосредственно «увидеть» процесс рождения научного открытия. Материал, приведенный в этом томе, в большинстве своем относится к прошлому столетию, к XX в., описываемые явления получены конкретными людьми, и мы старались всюду подчеркнуть ту выдающуюся роль в становлении современных знаний, которую сыграли те или иные ученые.

Как и в первом томе, для более глубокого усвоения материала к каждому разделу приводится ряд задач, некоторые из которых даны с решениями. Авторы посчитали целесообразным создать и задачник, который бы полностью соответствовал приведенному в нашем учебнике материалу. Этот Задачник под названием «Задачи по общей физике» также выпускается Издательством физико-математической литературы.

Четвертый раздел этого тома написан Д.А Заикиным и Ю.М. Ципенюком; пятый раздел написан В.Е. Белонучкиным (главы 1–4) и Ю.М. Ципенюком (главы 5–11 и заключение).

Мы надеемся, что этот учебник окажется полезным как для студентов различных специальностей, так и для преподавателей высших учебных заведений.

Авторы

Р а з д е л ч е т в е р т ы й

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА АТОМА, ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

ВВЕДЕНИЕ

Вконце ХIХ в. среди ученых было широко распространено мнение, что физика — наука «практически завершенная», и для полной

ее«завершенности» осталось совсем немного: объяснить структуру оптических спектров атомов и спектральное распределение теплового излучения твердых тел, а также «доделать еще кое-какие мелочи». Однако начало ХХ в. привело к пониманию того, что ни о какой «завершенности» говорить не приходится. С одной стороны, росло число этих «мелочей», превращавшихся в серьезные физические проблемы: теплоемкость тел оказалась не константой (как считали ранее), а величиной, зависящей от температуры; в рамках существовавших тогда представлений было невозможно объяснить экспериментально обнаруженные закономерности фотоэлектрического эффекта и т. д. С другой стороны, становилось ясным, что для объяснения этих и целого ряда других явлений требуется кардинальным образом пересмотреть представления, лежащие в основе физической науки. Например, исходя из волновой теории света, оказалось невозможным дать исчерпывающее объяснение всей совокупности оптических явлений. Точно так же в рамках классических электродинамических и статистических представлений не удалось решить проблему спектрального состава равновесного излучения (см. раздел 5). И именно при решении этой проблемы было высказано предположение, положившее начало принципиально новым — квантовым — представлениям.

В1900 г. немецкому физику-теоретику М. Планку (1858–1947) удалось вывести формулу, описывающую во всем диапазоне длин волн экспериментально наблюдаемое спектральное распределение равновесного излучения. Но для этого он был вынужден сделать предположение, совершенно не увязывавшееся с господствовавшими в то время представлениями классической физики, а именно: излучение и поглощение света веществом происходит конечными порциями, или квантами. При этом энергия кванта определяется выражением

,

где — частота излучаемого (или поглощаемого) света, а — универсальная постоянная, называемая теперь постоянной Планка. По современным данным

6,6260693 10 34 Дж c

Отметим, что часто используется так называемая «перечеркнутая постоянная Планка»

2 1,0545717 10 27 Дж с Тогда энергия кванта выражается как

,

где 2 — круговая частота излучения. Гипотеза Планка по сути дела явилась отправным пунктом возникновения квантовых представлений, положенных в основу принципиально новой физики — физики микромира, представления и законы которой существенно отличаются от представлений и законов физики классической.

Подчеркнем, что хотя гипотеза Планка и противоречила классическим представлениям, в известном смысле она оказалась созвучной ряду открытий, сделанных в конце XIX в. при исследовании микроструктуры материи. Одно из них принадлежит английскому физику У. Круксу (1832–1919): исследуя электрический разряд в разреженном газе, он обнаружил, что отрицательный электрод (катод) является источником излучения, получившего в то время название катодных лучей. Крукс пришел к заключению, что катодные лучи представляют собой какие-то частицы, хотя многие ученые считали, что наблюдаемые эффекты связаны с некоторым особым видом волнового движения, аналогичного ультрафиолетовым лучам. Это предположение было отвергнуто французским физиком Ж. Перреном (1870–1942), который в 1895 г. с помощью электрически изолированной камеры, соединенной с электроскопом, собрал катодные лучи и обнаружил, что они несут суммарный отрицательный заряд. Затем английский физик Дж.Дж. Томсон (1856–1940) в 1897 г. измерил отношение заряда к массе катодных лучей, отклоняя их в электрическом и магнитном полях. Дальнейшее изучение этих лучей привело к мысли, что они являются составной частью материи. Оказалось, что отрицательно заряженные частицы, открытые Дж.Дж. Томсоном и получившие название электронов, могут эмитироваться из твердого тела под действием света, испускаться радиоактивными веществами (они получили название -лучей), а также — термоэлектронным способом — веществами, нагретыми до высоких температур, и все они имеют одно и то же отношение . Интересно отметить, что термин «электрон» был введен в физику на двадцать с лишним лет раньше открытия этой частицы: в 1874 г. ирландский физик Дж. Стоней (1826–1911) высказал (причем достаточно обоснованно) гипотезу о дискретности электрического заряда, назвав чуть позже его минимальную порцию «электроном». Заряд электрона был впервые измерен американским физиком Р. Милликеном (1868–1953) в его знаменитом опыте с масляной каплей в 1906–1910 гг. По современным данным (2005 г.), заряд и масса электрона равны следующим величинам: