Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Ухтинский государственный технический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

posobia_4semФизика / Квантовая оптика _пособие_

.pdf

Скачиваний:

314

Добавлен:

02.03.2016

Размер:

831.28 Кб

Скачать

☆

1 / 161 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.Н. Шамбулина, В.А. Жевнеренко, Некучаев В.О.

ФИЗИКА

Квантово-оптические явления. Физика атома.

Элементы физики атомного ядра

Учебное пособие

Ухта 2008

УДК 53 (075) ББК 22.3 Я7

Ш 19

Шамбулина, В.Н. Физика. Квантово -оптические явления. Физика атома. Элементы физики атомного ядра [Текст]: учеб. пособие/ В.Н. Шамбулина , В.А. Жевнеренко, В.О. Некучаев. – Ухта: УГТУ, 2008. – 152с.

ISBN _-____-___-_

Предлагаемое учебное пособие составляет единый методический комплект с «Физика. Квантово-оптические явления. Физика атома. Элементы физики атомного ядра. Сборник задач с решениями» Жевнеренко В.А., Шамбулина В.Н., Серов И.К. (УГТУ, 2007).

Учебное пособие предназначено для проведения практических занятий по физике с использованием СРС для студентов инженерно-технического направления 130500 «Нефтегазовое дело» и студентов специальностей 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация магистральных газонефтепроводов и подземных газонефтехранилищ»; 130503 «Разработка и эксплуатация нефтегазовых месторождений» и 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин».

Учебное пособие включает тринадцать практических занятий по основным темам «Квантово-оптические явления. Физика атома. Элементы физики атомного ядра». Предполагает минимальную теоретическую подготовку. В конце пособия предлагается самостоятельная работа. В конце пособия даны приложения и библиографический список.

Содержание заданий соответствует рабо чей учебной программе.

Рецензенты:

Э.И. Богуславский – профессор, заведующий кафедрой физики Санкт - Петербургского государственного горного института (Технический университет);

Н.И. Николаев – доктор техн. наук, профессор кафедры физики Санкт - Петербургского государственного горного института (Технический университет).

©Ухтинский государственный технический университет, 2008

©Шамбулина В.Н., Жевнеренко В.А., Некучаев В.О., 2008 ISBN _-____-___-_

СОДЕРЖАНИЕ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ................................	6
РАЗДЕЛ I. КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ФИЗИКА АТОМА ...	7
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 1 ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ............	7
Примеры решения задач ..................................................................................	7
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения ......................	17
Домашнее задание ..........................................................................................	19
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 2 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ..............	21
Примеры решения задач ................................................................................	21
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения .......................	31
Домашнее задание ..........................................................................................	34
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 3 ФОТОНЫ. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА .....................	35
Примеры решения задач ................................................................................	35
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения.......................	44
Домашнее задание ..........................................................................................	46
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4 ЭФФЕКТ КОМПТОНА ....................................	48
Примеры решения задач ................................................................................	48
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения .......................	55
Домашнее задание ..........................................................................................	57
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 5 АТОМ ВОДОРОДА ПО ТЕОРИИ БОРА .......	59
Примеры решения задач ................................................................................	59
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения .......................	64
Домашнее задание ..........................................................................................	65
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6 РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ..................	67
Примеры решения задач ................................................................................	67
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения .......................	70
Домашнее задание ..........................................................................................	72
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7 ВОЛНЫ ДЕ БРОЙЛЯ .......................................	73
Примеры решения задач ................................................................................	73
3

Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения .......................	77
Домашнее задание ..........................................................................................	79
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8 СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ
ГЕЙЗЕНБЕРГА ......................................................................................................	81
Примеры решения задач ................................................................................	81
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения.......................	85
Домашнее задание ..........................................................................................	86
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 9 УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА ДЛЯ
ЭЛЕКТРОНА В ПОТЕНЦИАЛЬНОМ «ЯЩИКЕ», АТОМЕ ВОДОРОДА.
КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА. ОРБИТАЛЬНЫЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ И МАГНИТНЫЙ
МОМЕНТЫ. СПИН ЭЛЕКТРОНА. ПРИНЦИП ПАУЛИ. ЗАПОЛНЕНИЕ
ЭЛЕКТРОННЫХ ОБОЛОЧЕК В АТОМЕ ...........................................................	88
Примеры решения задач ................................................................................	89
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения .......................	95
Домашнее задание ..........................................................................................	96
РАЗДЕЛ II. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА .............................	98
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 10 ..........................................................................	98
1. МАССА, РАЗМЕР, СОСТАВ И ЗАРЯД АТОМНОГО ЯДРА. МАССОВОЕ И
ЗАРЯДОВОЕ ЧИСЛО............................................................................................	98
Примеры решения задач ................................................................................	98
2. РАДИОАКТИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ВИДЫ (ПРЕВРАЩЕНИЕ ЯДЕР)
...............................................................................................................................	105
Примеры решения задач ..............................................................................	105
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения .....................	106
Домашнее задание ........................................................................................	108
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 11 ДЕФЕКТ МАССЫ И ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ
АТОМНЫХ ЯДЕР................................................................................................	109
Примеры решения задач ..............................................................................	109
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения .....................	113
Домашнее задание ........................................................................................	115

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 12 ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА.
АКТИВНОСТЬ .....................................................................................................	116
Примеры решения задач ..............................................................................	116
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения .....................	122
Домашнее задание ........................................................................................	123
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 13 ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
ВЫХОД (ЭФФЕКТ) ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ ......................................................	124
Примеры решения задач ..............................................................................	124
Рекомендуемые задания для внеаудиторного рассмотрения .....................	128
Домашнее задание ........................................................................................	129
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА ПО РАЗДЕЛАМ «КВАНТОВО-
ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ФИЗИКА АТОМА» «ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ
АТОМНОГО ЯДРА»............................................................................................	131
Вариант 1 ......................................................................................................	131
Вариант 2 ......................................................................................................	132
Вариант 3 ......................................................................................................	133
ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................................	135
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................	148

Методические указания к решению задач

Систематическое решение задач – необходимое условие изучения курса физики. Решение задач помогает студентам уяснить физический смысл явлений, закрепляет в памяти формулы, прививает навыки практ ического применения теоретических знаний.

При решении задач рекомендуется определенная последовател ьность:

1.Приступая к решению задач по какой-либо теме, изучите ее по учебнику [1] (стр.137), ознакомьтесь с введением, содержащим обзор пон ятий и соотношений в [2], [3], [4]. Для проверки правильности усвоения изучаемой темы, для углубления и закрепления теоретического мат ериала ответьте на предлагаемые вопросы по каждой теме.

2.Разберите приведенные решения некоторых задач, а затем решите домашнее задание, пользуясь указаниями.

3.Перейдя к самостоятельному решению задач, вникните в смысл зад ачи. Представьте себе не только физическое явление, о котором идет речь, но и те упрощающие предположения, которые следует сделать, проводя решение. Решив задачу в общем виде, проверьте ответ по р авенству размерностей отдельных членов фо рмулы.

4.Прежде, чем делать числовые расчеты, приведите вс е данные величины в одну систему единиц /СИ/. Необходимые для решения задач в еличины, не приведенные в условии, найдите в таблицах, помещенных в прилож ениях (с. 124).

5.Получив числовой ответ, оцените его правдоподобность.

РАЗДЕЛ I. КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ФИЗИКА АТОМА

Практическое занятие 1 ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.Дайте физический смысл следующим величинам, характеризующим тепловое излучение, назовите их единицы измерения:

тепловая энергия (W );

мощность излучения (поток) (Фe );

энергетическая светимость ( Re );

спектральная плотность энергетической светимости ( r ,T );

термодинамическая температура (T );

спектральная поглощательная способность ( aT ); (коэффициент черноты).

2.Чем отличается серое тело от чёрного?

3.Сформулируйте закон Стефана-Больцмана (для абсолютно чёрного тела, серого тела).

4.Как и во сколько раз изменится энергетическая светимость черного т ела, если его термодинамическая температура уменьшится вдвое?

5.Сформулируйте I -ый и II -ой законы Вина.

6.Как сместится максимум спектральной плотности энергетической светимости ( r ,T ) черного тела с повышением температуры (T )?

7.Сформулируйте закон Кирхгофа?

Литература: Т., Гл. 26, § 197-201, С. 367-376, 2000.

Примеры решения задач

Задача 1.

Исследование спектра излучения Солнца показывает, что максимум

спектральной	плотности энергетической		светимос ти соответствует длине
волны 500 нм.		Принимая Солнце	за	черное тело, определить: 1)
энергетическую светимость Re Солнца;			2)	поток энергии Фe , излучаемый
Солнцем; 3)	массу	m электромагнитных		волн (всех длин), излучаемых
Солнцем за 1с.

Дано:

Си:

Решение:

500 нм

5∙10-7м

Энергетическая светимость R

5,67 10 8 Вт/м2К4

черного

тела

выражается формулой

b 2,9 10

Стефана-Больцмана:

м К

r 6,95 108 м

Re T 4 ,

(1)

c 3 10

м/с

где 5,67 10

–

t 1с

Вт/м

постоянная Стефана-Больцмана.

Re ,Фе ,m ?

Температура излучающей поверхности может быть определена из закона смещения Вина:

m	b	,
m		,
T
где b 2,9 10 3 м·К - первая постоянная Вина.
Выразив отсюда температуру T подставив её в формулу (1), пол учим
								b		4
						R	e			.	(2)
						R				.	(2)

								m
Произведя вычисления по формуле (2), найдём:
R 5,67			10 8	2,9 10 3		4	64 106		(Вт/м2).
R 5,67			10 8	5 10	7		64 106		(Вт/м2).
e					7

2. Поток энергии Фе , излучаемый Солнцем, равен произведению энергетической светимости Солнца на площадь S его поверхности:

Фе Re S , или

Фе 4 r 2 Re ,	(3)
где r 6,95 108 м – радиус Солнца.
Подставив в формулу (3) значения , r	и Re и произведя вычисления,
получим:
Ф 4 3,14 (6,95 108 )2 64 106 3,9 1026	(Вт).
е
3. Массу электромагнитных волн (всех длин), излучаемых Солнцем за

время t 1с, определим, применив закон пропорциональности массы и эне ргии
E mc2 . Энергия электромагнитных волн, излучаемых за время	t , равна
произведению потока энергии Ф (мощности излучения) на время:	W Фt .

Следовательно, Ф mc2	, откуда	m Ф / с2 .
е		е

Произведя вычисления по этой формуле, найдем

m3,9 1026 4,3 109 (кг). (3 108 )2

Ответ: Re 64МВт/м2; Фе 3,9∙1026 Вт; m 4,9∙109кг.

Задача 2.

Определить количество теплоты Q , теряемое 50 см 2 поверхностью расплавленной платины за 1 мин, если поглощательная способность пл атины

aT 0,8 . Температура t			плавления платины равна 17700 С.
Дано:		Си:		Решение:
Дано:		Си:		Решение:
S 50 2		50 10-4	2	Количество теплоты, теряемое	платиной,
t 1мин		60		равно энергии, излучаемой её раскалённой
aТ 0,8				поверхностью:
t 17700 С		2043		Q W aT Re St ,	(1)
				где Re - энергетическая светимость чёрного тела,
Q ?				где Re - энергетическая светимость чёрного тела,
				S – площадь поверхности излучения, t – время.
				S – площадь поверхности излучения, t – время.
Согласно закону Стефана-Больцмана
				R T 4 ,	(2)
				e
где 5,67 10 8 Вт/м2К4				- постоянная Стефана-Больцмана.
Подставляя (2) в (1), найдём искомое количество теплоты, теряемое
раскалённой платиной
Q a T 4St .
	T
Вычислим:
Q 0,8 5,67 10 8			20434 50 10 4 60 237 103 (Дж).

Ответ: Q 237кДж.

Задача 3.

Длина волны m , на которую приходится максимум энергии в спе ктре излучения черного тела, равна 0,58мкм. Определить максимальную спектральную плотность энергетической светимости (r ,T )max , рассчитанную на интервал длин волн 1нм, вблизи m .

Дано:

Си:

Решение:

Максимальная

m 0,58

0,58 10-6

10-9

спектральная

плотность

C 1,3 10 14

1,3 10-5

3 5

энергетической

светимости

пропорциональна пятой степени

b 2,9 10 3

температуры

Кельвина

r ,T max

выражается формулой:

)

max

CT 5

(1)

где коэффициент

C называют постоянной второго закона Вина.

Коэффициент

C равен

C 1,3 10 5 Вт/м3·К5. Пересчитаем его

на

заданный

интервал

длин волн

C 1,30 10 5 Вт/м3К5 1,30 10 5 Вт/м2·м·К5=

1,30 10 14

Вт/м2·нм·К5.

Температуру T выразим из закона смещения Вина:

где b 2,9 10 3 м.К – первая постоянная Вина.

Откуда: T b .

Подставив полученное выражение температу ры в формулу (1), найдём

							b 5
				(r ,T )max C				.	(2)
				(r ,T )max C				.	(2)
							m
Вычисление по формуле (2) дает:
r ,T				2,9 10 3		5
		1,3	10 14			40,6( кВт/м·нм).
	max	1,3	10 14	0,58 10	6	40,6( кВт/м·нм).
	max			0,58 10
Ответ: r ,T			max 40,6кВт/м·нм.

Задача 4.

Длина волны, на которую приходится максимум энергии в спектре излучения абсолютно черного тела m 0,58 мкм. Определить энергетическую светимость (излучательность) Re поверхности тела.

1 / 161 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке posobia_4semФизика

#
02.03.2016831.28 Кб314Квантовая оптика _пособие_.pdf
#
02.03.20161.54 Mб2047Квантовая оптика _решебник_.pdf