Тема 4. Квантовая физика (10 час.)

Экспериментальные основы квантовой теории. Ограниченность классической физики. Излучение черного тела. Введение постоянной Планка. Внешний фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Энергия фотона. Эффект Комптона. Импульс фотона. Корпускулярно-волновой дуализм излучения. Опыт Дэвиссона-Джермера. Гипотеза де Бройля. Интерференционные и дифракционные явления при движении частиц. Корпускулярно-волновой дуализм вещества. Принцип дополнительности. Линейчатые спектры атомов. Стабильность атомов. Теория Бора для атома водорода. Энергетический спектр атома водорода. Спектры поглощения и излучения атома водорода. Принцип соответствия. Опыт Франка и Герца. Ограниченность теории Бора.

Основные положения квантовой механики. Состояния микрочастицы. Волновая функция и ее физический смысл. Суперпозиция состоянии. Уравнение Шредингера. Принцип причинности в квантовой механике. Операторы физических величин. Среднее значение и дисперсия физической величины. Соотношение неопределенностей. Туннельный эффект. Стационарные состояния. Стационарное состояние свободной частицы. Стационарные состояния атома водорода.

Элементы физической картины мира. Иерархия пространственных масштабов.

Список рекомендуемой литературы

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. т. 4. - М.: Наука, 1982.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. т. 5, часть 1, - М.: Наука, 1983.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. т. 2. - М.: Наука, 1988.

4. Савельев И.В. Курс общей физики. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц. т. 3.- М.: Наука,1982.

5. Орир Дж. Физика. т. 2.- М.: Мир, 1981.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

Занятие 1. Электромагнитные волны (1-3).

Занятие 2. Интерференция плоских волн (4-6).

Занятие 3. Интерференция сферических волн (7,8).

Занятие 4. Дифракция плоской волны в приближении Фраунгофера (9,10).

Занятие 5. Дифракционная решетка (11-13).

Занятие 6. Внешний фотоэффект и эффект Комптона (14-17).

Занятие 7. Энергетический спектр атома водорода (18,19).

Занятие 8. Соотношение неопределенностей(20-24).

В скобках указаны номера задач из «Учебного задания по физике» (см. стр. 36-40).

Лабораторные работы

Занятие 1. Выполнение работы по теме: «Интерференция волн».

Занятие 2. Выполнение работы по теме: «Интерференция волн».

Занятие 3. Выполнение работы по теме: «Дифракция волн».

Занятие 4. Выполнение работы по теме: «Дифракция волн».

Занятие 5. Выполнение работы по теме: «Квантовая физика».

Интерференция

Взаимное усиление и ослабление волн в области их перекрытия, приводящее к тому, что результирующая интенсивность становится функцией разности фаз накладываемых волновых полей, называется интерференцией. При интерференции двух волновых полей результирующая интенсивность I(x) равна

, (1)

где I₁(x) и I₂(x) - интенсивность каждого поля по отдельности, (x) - пространственное распределение разности фаз этих полей вдоль оси X . Ось X выбрана так, чтобы она проходила перпендикулярно интерференционным полосам, представляющим собой геометрическое место максимумов интенсивности (светлые полосы) и минимумов (темные) полосы.

Для наблюдения эффекта интерференции достаточным условием является совпадение поляризации волновых полей и постоянство во времени их разности фаз. Поля, для которых названное условие выполняется, называются взаимно когерентными или просто когерентными (в переводе на русский язык - сходными, подобными).

Такие поля получают из одного первоначального волнового поля либо делением его по волновому фронту ( как в лабораторной работе “Измерение длины волны света с помощью бипризмы Френеля”), либо делением по амплитуде ( лабораторная работа ”Измерение радиуса кривизны линзы по кольцам Ньютона”).

При наложении двух когерентных световых волн максимумы интенсивности получают в точках, где cos=+1, то есть

(x) = 2m, (m – целое число), (2)

а минимумы интенсивности в точках, где cos= 1, то есть

(x) = 2m + . (3)

Разность фаз  двух волн, которые после деления исходного волнового поля на две волны прошли разную длину оптического пути и приобрели разность хода x, равна

 = kx, (4)

где k=2/. Подставив (4) в (2) и (3), получим, что максимум интенсивности интерференционной картины будет наблюдаться в точках, где

x = m, (5)

а минимумы интенсивности в точках, где

x = m + /2. (6)

Формулы (5) и (6) используются при интерференционных измерениях геометрических параметров различных изделий (см. лабораторную работу “Измерение радиуса кривизны линзы по кольцам Ньютона”).

Лабораторная работа 1