Вопросы для самоконтроля

1) Назовите основные характеристики теплового излучения.

2) Сформулируйте закон Кирхгофа.

3) Что называется абсолютно черным телом.

4) Какие законы излучения для абсолютно черного тела вы знаете.

3) Объясните в чем заключается квантовый характер излучения.

4) Запишите формулу Планка.

5) Что называется фотоэффектом?

6)Сформулируйте три закона фотоэффекта, второй и третий объясните на основе квантовой теории.

7) В чем заключается эффект Комптона.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Детлаф, А.А. Курс физики учеб. пособие / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.-7-е изд. Стер.-М. : ИЦ «Академия».-2008.-720 с.

2. Савельев, И.В. Курс физики: в 3т.: Т.2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика / И.В. Савельев.-4-е изд. стер. – СПб.; М. Краснодар: Лань.-2008.- 480 с.

3. Трофимова, Т.И. курс физики: учеб. пособие/ Т.И. Трофимова.- 15-е изд., стер.- М.: ИЦ «Академия», 2007.-560 с.

Дополнительная

1. Фейнман, Р. Фейнмановские лекции по физике / Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. – М.: Мир.

Т.1. Современная наука о природе. Законы механики. – 1965. –232 с.

Т. 2. Пространство, время, движение. – 1965. – 168 с.

Т. 3. Излучение. Волны. Кванты. – 1965. – 240 с.

2. Берклеевский курс физики. Т.1,2,3. – М.: Наука, 1984

Т. 1. Китель, Ч. Механика / Ч. Китель, У. Найт, М. Рудерман. – 480 с.

Т. 2. Парселл, Э. Электричество и магнетизм / Э. Парселл. – 448 с.

Т. 3. Крауфорд, Ф. Волны / Ф. Крауфорд – 512 с.

3. Фриш, С.Э. Курс общей физики: в 3 т.: учеб. / С.Э. Фриш, А.В. Тиморева.- СПб.: М.; Краснодар: Лань.-2009.

Т. 1. Физические основы механики. Молекулярная физика. Колебания и волны: учебник - 480 с.

Т.2: Электрические и электромагнитные явления: учебник. – 518 с.

Т. 3. Оптика. Атомная физика : учебник– 656 с.

Лекция 5 элементы квантовой физики атомов, молекул и твердых тел

5.1. Спектр испускания и поглощения водорода. Теория атома водорода по Бору.

Спектры атомов подразделяют на спектры испускания и спектры поглощения. Для получения спектра испускания водорода его необходимо разогреть до высокой температуры и излучение пропустить через оптическую систему, состоящую из коллиматора и призмы. При этом на экране, размещенном за призмой, можно наблюдать тонкие цветные линии, образующие спектральную серию, называемую серией Бальмера. Частоты спектральных линий серии Бальмера определяются из формулы:

, ,

где - постоянная Ридберга. Кроме одной спектральной серии, расположенной в видимой части спектра, у водорода имеется одна спектральная серия в ультрафиолете, называемая серией Лаймана:

,

а также спектральные серии в инфракрасной части спектра:

, , (серия Пашена),

, (серия Брэкета),

(серия Пфунда).

В низкочастотной области спектр атома водорода простирается вплоть до радиодиапазона. В настоящее время в спектре межзвездного водорода обнаружены спектральные линии, соответствующие длинам волн . Если обратить внимание на структуру соотношений (6.1)-(6.5), то видно, что все они могут быть представлены в общем виде:

,

где ицелые числа, причем. Соотношение называют обобщенной формулой Бальмера.

Спектр поглощения водорода можно получить при пропускании через него электромагнитного излучения с непрерывным спектром. Тогда после прохождения через коллиматор и призму излучение на экране разворачивается в спектр, представляющий собой радугу на фоне которой заметны тонкие черные полоски. Черным полоскам соответствуют частоты, определяемые формулой. Таким образом, спектр излучения и спектр поглощения водорода взаимно дополняют друг друга до радуги.

Атом каждого химического элемента обладает своим уникальным спектром. Поэтому на анализе спектрального состава излучения основан важнейший метод химического анализа. Наличие в смеси того или иного химического элемента может быть установлено по присутствию в спектре излучения его характерных спектральных линий. Оказывается, что из анализа спектральных линий может быть получена и другая важная информация. Так по ширине и интенсивности спектральных линий можно судить о температуре и концентрации вещества в смеси. Спектральный анализ особенно широко применяется в астрофизике поскольку вещество удаленных космических объектов недоступно для других методов химического анализа. В настоящее время исследование спектров излучения позволило установить химический состав звезд, межзвездной среды и целого ряда других космических объектов.

Изучение атомных спектров послужило ключом к пониманию строения атома. Оказалось, что все попытки объяснения особенностей атомных спектров в рамках классической физики не увенчались успехом. Удовлетворительная теория атома водорода, основанная на положениях, выходящих за рамки классических представлений, была создана в 1913 году датским физиком Нильсом Бором. Данная теория основана на следующих постулатах:

1.Электрон в атоме может находиться лишь на некоторых орбитах, называемых стационарными. Находясь на стационарной орбите электрон не излучает и не поглощает электромагнитную энергию.

2.При переходе с одной стационарной орбиты на другую электрон излучает или поглощает квант электромагнитной энергии равный разности энергий соответствующих стационарных состояний:

,

- постоянная Планка.

Из всех орбит электрона в атоме водорода оказываются возможными только те, на которых момент импульса электрона принимает значения целые кратные постоянной Планка:

, .

Определим радиусы стационарных орбит. Для электрона, движущегося по круговой орбите вокруг протона, запишем второй закон Ньютона:

,

-масса электрона, -заряд электрона,-скорость электрона,-радиус орбиты.

Используя боровское условие квантования, и исключая , находим:

, .

Энергия электрона, находящегося на орбите с номером , определяется соотношением:

,

а) б)

Рисунок 14. а) Атом водорода, б) Боровские орбиты электрона.

где первое слагаемое в правой части представляет собой кинетическую, а второе – потенциальную энергию взаимодействия электрона с ядром.

.

Используя второй постулат Бора, находим:

.

Находим, что множитель, стоящий перед скобками в правой части, представляет собой постоянную Ридберга. Таким образом:

.

Теоретическое и экспериментальное значения совпадают с высокой степенью точности, что свидетельствует о справедливости основных положений теории Бора.

Становится очевидной также природа спектральных серий атома водорода. На рисунке схематически представлены энергетические уровни атома водорода. Серия Лаймана образована в результате излучения квантов электромагнитной энергии при переходе с более высоко лежащих энергетических уровней на уровень с , серия Бальмера - при переходе на уровень с, серия Пашена – при переходе на уровень си т. д.

Спектр поглощения образуется при переходах электронов в атомах водорода снизу вверх. При этом электрон поглощает квант электромагнитной энергии и атом оказывается в возбужденном состоянии.

Объединенная формула Бальмера позволяет по известной частоте (длине волны) спектральной линии определить постоянную Ридберга:

.

Рисунок 15 Энергетические уровни атома водорода.

В свою очередь соотношение позволяет определить по известному значению постоянной Ридберга постоянную Планка:

_.