2413

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

(ПГУАС)

П.П. Мельниченко

ФИЗИКА

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ. ОПТИКА И КВАНТОВАЯ

ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ АТОМОВ, МОЛЕКУЛ И ТВЁРДЫХ ТЕЛ.

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Рекомендовано Редсоветом университета в качестве учебного пособия

для бакалавров по направлению подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность»

Под общей редакцией доктора технических наук, профессора Г.И. Грейсуха

Пенза 2016

УДК 53(075.8) ББК 22.3я73

М48

Рецензенты: кандидат педагогическихнаук, доцент Т.В. Ляпина (кафедра «Общая физика и методика обучения физики», ПГУ); кандидат технических наук, доцент Н.А. Очкина (кафедра «Физика и химия», ПГУАС)

Мельниченко П.П.

М48 Физика: Основы молекулярной физики и термодинамики, Оптика и квантовая природа излучения. Элементы квантовой физики атомов, молекул и твёрдых тел. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц: учеб. пособие по направлению подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» / П.П. Мельниченко. – Пенза: ПГУАС, 2016. – 320 с.

Кратко и доступно изложен учебный материал по разделам «Основы молекулярной физики и термодинамики», «Оптика и квантовая природа излучения», «Элементы квантовой физики атомов, молекул и твёрдых тел», «Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц», программы курса «Физика».

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Физика и химия» с учётом компетентностного подхода к процессу обучения и предназначено для усвоения, закрепления и повторения пройденного материала на лекциях, подготовки к экзаменам и использования на лабораторных и практических занятиях по направлению подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность». Может быть полезно при обучении на подготовительных отделениях и курсах, в учреждениях общего и среднего образования: гимназиях, лицеях, колледжах, школах.

©Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2016

©Мельниченко П.П., 2016

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие «Физика: Основы молекулярной физики и термодинамики; Оптика и квантовая природа излучения; Элементы квантовой физики атомов, молекул и твёрдых тел; Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц» разработано в соответствии с программойкурса«Физика» ФГОСВОтретьегопоколениядлянаправления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» и имеет целью совершенствование компетенций как в процессе овладения студентами знаниями о явлениях природы в вузе, так и в последующей профессиональной и научной деятельности.

Учебное пособие составлено из четырёх разделов: «Основы молекулярной физики и термодинамики»; «Оптика и квантовая природа излучения»; «Элементы квантовой физики атомов, молекул и твёрдых тел»; Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц. В конце каждого раздела приводятся контрольные вопросы.

Материал, включённый в пособие, изложен без громоздких математических выкладок. Особое внимание обращено на описание физической сути явлений, а также на преемственность современной и классической физики.

В конце пособия изложены основные уравнения, описывающие суть физических величин и связи их друг с другом на основе законов.

Рассмотрены основные физические величины и понятия, даны толкования физических законов, приведены основные уравнения, отслежена логическаясвязьмеждурассматриваемымифизическимиявлениями. Отбор содержанияматериалаиегоизложение(однастраница– однатема) нацелен на быстрое усвоение сути изучаемого материала, восстановление в памяти необходимой информации при его повторении и закреплении.

Учебноепособиепозволяетосуществлятьпроцессобученияиученияна основе компетентностного, личностно-ориентированного подхода.

Систематическая работа с пособием, как в аудитории, так и во внеаудиторное время способствует формированию у студентов:

знаний фундаментальных законов физики; умений правильно применять законы физики для анализа и решения

физических задач; самостоятельно работать с учебной, научной и справочной литературой; осуществлять самооценку и самоанализ на основе самопроверки в процессе выполнения заданий.

Работа с учебным пособием в аудитории под руководством преподавателя в коллективе с другими студентами позволяет овладеть способностью к коммуникации в устной и письменной формах; способностью работать в коллективе.

Внеаудиторная работа (самостоятельное решение задач различного уровня сложности) позволяет овладеть способностью к самоорганизации и самообразованию; навыками работы с дополнительной литературой.

3

Успешное освоение физических и теоретических основ молекулярной физики и термодинамики, оптики и квантовой природы излучения, элементов квантовой физики атомов, молекул и твёрдых тел, элементов физики атомного ядра и элементарных частиц позволит выпускникубакалавру:

владеть научными основами управления процессами в области техносферной безопасности;

уметь применять систему фундаментальных знаний (математических, естественнонаучных, инженерных и экономических) для идентификации, формулирования и решения технических и технологических проблем в области техносферной безопасности.

Для эффективного усвоения содержания физики в тексте учебного пособия наиболее важные положения и термины, а также формулировки законов и формулы выделены жирным шрифтом и курсивом.

4

ВВЕДЕНИЕ

Физика изучает наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы движения материи и их взаимные превращения путём введения физических величин.

Материя – это окружающий нас мир и всё объективно существующее вокругнас. Существованиематерииввидевеществаиполяобнаруживается человеком посредством ощущений.

Движение – неотъемлемое свойство материи и способ её существования. Движение в природе связано с всевозможными изменениями материи, начиная от простых перемещений в геометрическом пространстве к более сложным движениям в виде процессов мышления.

Механическая, тепловая и другие виды движения материи

присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и т.д.), отнесенных к предметам изучения других наук (химии, биологии и др.).

По современным представлениям все взаимодействия в природе осуществляются посредством силовых полей.

Поле наряду с веществом является одной из форм существования материи. Физика изучает гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые поля. Одной из важных проблем современной физики является решениезадачипообъединениюполейвединоеполе. Еслиэтазадачабудет решена, то это позволит найти элементарные материальные объекты, из которых было построено мироздание на начальной стадии его формирования.

Физические законы следует рассматривать как устойчивые и повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе. Законы обязательно подтверждаются на опытах и описываются различными по форме уравнениями для физических величин.

Опыты – это наблюдение исследуемых явлений в точно учитываемых условиях, позволяющих проследить за их ходом и воспроизводством при повторении заданных условий.

Гипотеза – научное предположение, которое выдвигается для объяснения физического явления. Гипотеза превращается в достоверную научную теорию после её проверки на опыте и теоретических обоснований.

Физика – связана с другими естественными науками и отраслями естествознания (астрономия, геология, химия, биология и др.),

–создала ряд новых смежных дисциплин (астрофизика, геофизика, физическая химия, биофизика и др.)

–заложила основы всех технических наук,

–является базой для создания новых отраслей техники (электронная техника, ядерная техника и др.).

5

Открытия в области физики и их философское обобщение

формируют научное мировоззрение.

Физика, рассматривая природу как объективную реальность существующую независимо от сознания человека, изучает процессы и явления объективно существующие в неорганической природе и представляющие собой различные движения вещества и поля:

o пространственное перемещение материальных объектов;

o движениеэлементарныхчастициполей– электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые взаимодействия, процессы превращения элементарных частиц и др.;

o движение и превращение атомов и молекул, включающее в себя химические реакции;

o изменения в структуре макроскопических тел – тепловые процессы, изменение агрегатных состояний, звуковые колебания и другое;

o геологические процессы;

o изменение космических систем различных размеров: планет, звезд, галактик и их скоплений.

Вещество и поле связаны друг с другом и образуют физическое пространство, в котором протекают все физические явления.

В классической механике движение любого тела полностью определено для всех моментов времени, если для какого-либо момента времени, который может быть выбран в качестве начального, заданы одновременно его положение в пространстве и импульс. Таким образом, движение в классической механике предполагается строго детерминированным.

Однако эти представления не могут быть полностью перенесены на движение микрообъектов – частиц, масса которых сравнима с массой атомов или еще меньше её. Их движение описывается вероятностными волновыми соотношениями и носит статистический характер. Последнее означает, что движение отдельных частиц не подчиняется законам классической механики и в этом смысле не детерминировано. Определенные выводы и предсказания о движении таких частиц можно сделать при наблюдениях за поведением либо коллектива частиц, либо отдельной частицы в течение достаточно большого промежутка времени.

Квантовый статистический характер движения микрочастиц приводит к тому, что на описание их движения в терминах классической механики наложены определенные ограничения.

Развитие физики в XX в. и переход от классической физики к современной происходили по двум направлениям. С одной стороны, выяснилось, что законы классической механики справедливы только для медленных по сравнению со скоростью с движений. Созданная трудами Эйнштейна (1879-1955) теория (так называемая специальная теория относительности, или классическая релятивистская механика) явилась

6

обобщением классической механики Ньютона (1642–1727) на случай сколь угодно больших скоростей, вплоть до предельной скорости движения

равной скорости света с 3 108 м/с.

С другой стороны, стало бесспорным, что классическая механика совершенно непригодна для описания движения электронов в атомах и взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.

Квантовая механика, заложенная в работах Планка (1858-1947) и Бора (1885-1962), а затем развитая де Бройлем (род. 1892 г.), Гейзенбергом (род. 1901 г.) и Шредингером (1887-1960), явилась обобщением нерелятивистской классической механики и стала пригодной для описания процессов в микромире.

Поэтому для описания свойств микрочастиц должна применяться релятивистская квантовая теория. Создателем релятивистской квантовой теории является английский физик Дирак (род. 1902 г.) и другие исследователи. Развитие релятивистской квантовой теории до сих пор ещё не завершено.

Бурный темп развития физики и связь её с техникой указывает на значительную роль курса физики. По этой причине курс физики – это фундаментальнаябазадлятеоретическойподготовкибакалавров, магистров и инженеров, без которой нельзя обеспечить их успешную деятельность.

7

1.ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ

ИТЕРМОДИНАМИКИ

1.1.Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов

Вразделах физики «Молекулярная физика» и «Термодинамика»

изучаются макроскопические процессы в твёрдых, жидких и газообразных

веществах(телах) состоящихизогромногочислаатомов(молекул) N >1023 .

Молекулярная физика анализирует строение и свойства вещества (тела) исходя из молекулярно-кинетических представлений.

Основными её положениями являются:

1. Вещество имеет зернистую структуру: оно состоит из молекул (атомов). В одном моле любого вещества (тела) независимо от его

агрегатного состояния содержится NA 6,022 1023 молекул. Число N A

называется числом Авогадро.

Число Авогадро играет роль своеобразного мостика между макро- и микрохарактеристиками вещества (тела). Пользуясь им можно выразить через плотность и массу молекулы (атома) вещества такую микрохарактеристику вещества, как среднее расстояние между молекулами (атомами) вещества.

2.Молекулы (атомы) в веществе находятся в непрекращающимся тепловом движении.

3.Характер теплового движения молекул (атомов) зависит от характера их взаимодействия друг с другом и изменяется при переходе вещества (тела) из одного агрегатного состояния в другое.

4.Интенсивность теплового движения молекул (атомов) зависит от внутренней энергии вещества (тела) U характеризуемой абсолютной температурой Т.

5.C точки зрения молекулярно-кинетической теории полная энергия вещества (тела) является суммой следующих слагаемых:

E EК П U ,

где EК – кинетическая энергия вещества (тела) как целого;

П– потенциальная энергия вещества (тела) как целого в некотором внешнем силовом поле;

U – внутренняя энергия вещества (тела) связанная с тепловым движением молекул (атомов).

Учёт внутренней энергии вещества (тела) при анализе различных энергетических балансов является характерной чертой молекулярнокинетической теории.

8

Такимобразом, согласно молекулярно-кинетическихпредставлений все вещества (тела) содержат огромное число малых структурных элементов в виде атомов, молекул, а также ионов и электронов.

В твёрдых веществах элементы расположены относительно друг друга упорядочено. В жидких и газообразных (плазменных) веществах данный порядок нарушается и элементы участвуют в непрерывном беспорядочном хаотическом движении.

Термодинамика не учитывает наличие структурных элементов, а изучает общие свойства макроскопических систем в состоянии термодинамического равновесия, а также процессы перехода между этими состояниями.

Замечание. «Молекулярная физика» и «Термодинамика» взаимно дополняют друг друга и отличаются только лишь разными методами исследования.

Основой молекулярной физики является статистический метод исследования.

Статистический метод исследования анализирует системы (газ,

плазма), состоящие из большого числа частиц (атомов, молекул, ионов. электронов) и оперирует статистическими (вероятностными) закономерностями, позволяющими оценивать средние значения физических величин характеризующих всю совокупность частиц.

Примерами являются наиболее вероятная скорость В , среднеквадратичная скорость КВ, среднее значение скорости теплового движения частиц(атомов, молекул) исреднеезначениеэнергиичастиц(атомаили молекулы) .

Основой термодинамики является термодинамический метод исследования.

Термодинамический метод исследования рассматривает различные вещества как сплошные среды и системы, состоящие из большого числа частиц (атомов, молекул и оперирует на основе законов физическими величинами, характеризующими систему в целом.

Типичнымипримерамифизическихвеличинв термодинамикеявляются давление p , объём V итемпература T газа(плазмы). Микроструктура(зер-

нистость в виде атомов или молекул) и совершающиеся в системе микропроцессы в термодинамике не рассматриваются. И этим термодинамический метод отличается от статистического метода исследования.

Открытые термодинамические системы – это совокупности макро-

скопических веществ (тел), которые взаимодействуют и обмениваются энергией и веществом между собой и с другими внешними веществами (внешними телами).

Замкнутые термодинамические системы не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом.

9

Термодинамические параметры (параметры состояния) – это совокупность физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы. Обычно в качестве параметров состояния системы выбирают давление p , объем V и температуру T .

Термодинамическим процессом считается любое изменение в термодинамической системе, которое связано с изменением хотя бы одного из параметров состояния системы T , p или V .

Термодинамическое равновесие в системе существует при условии,

чтоеёсостояниестечениемвременинеменяется. Приэтомпредполагается, что внешние условия в рассматриваемой системе не изменяются.

Абсолютная температура T – важный термодинамический параметр вещества (тела):

1.Абсолютная температура T одно из основных понятий, которое используется не только в термодинамике, но и в физике в целом.

2.Абсолютная температура T является физической величиной характеризующей состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

3.Изучение пространственного распределения абсолютной температуры T Т(r) в веществе (среде) определяет направление, в котором происходит теплообмен между его областями.

Закон Бойля — Мариотта. Закон Авогадро. Закон Дальтона

10