24

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Тульский государственный университет

Кафедра физики

Ю. Н. Колмаков, Ю. А. Пекар, В. А. Семин

ФИЗИКА

Часть III: оптика и квантовая физика

Пособие для преподавателей и студентов

Тула 2000

Вопросы для подготовки к экзаменам для студентов 2-го курса

1.

Отражение электромагнитных волн от проводника и уменьшение амплитуды волн в диэлектрических средах (закон Бугера). Стоячие волны как частный случай интерференции. Интерференция волн. Когерентность волн. Интерференционная схема Юнга (примеры). Условия пространственной и временной когерентности. Интерференция света в тонких пленках. Многолучевая интерференция. Дифракционная решетка и изображение в ней. Разрешающая способность дифракционной решетки.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция электромагнитных волн. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля и Фраунгофера на круглых отверстиях и препятствиях (примеры). Радиус зон Френеля. Разрешающая способность оптических приборов. Дифракция света на полуплоскости. Спираль Корню. Дифракция света на узкой щели. Условия дифракционных минимумов. Дифракция рентгеновских лучей. Уравнения Лауэ и условия Вульфа-Брэгга.

Дисперсия электромагнитных волн в веществе. Зависимость показателя преломления от фазовой скорости волны. Волновые пакеты. Групповая скорость и ее связь с фазовой скоростью волны.

Естественный и поляризованный свет. Поляризация при отражении и преломлении. Формулы Френеля. Угол Брюстера. Поляризаторы. Закон Малюса.

2.

Тепловое излучение. Энергетическая светимость, излучательная и поглощательная способность тел. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа для теплового излучения. Закон Стефана-Больцмана и закон смещения Вина для теплового излучения абсолютно черного тела. Гипотеза Планка. Фотоны, их энергия и импульс. Формула Планка для излучения.

Внешний и внутренний фотоэффект. Формула Эйнштейна для фото-эффекта. Красная граница фотоэффекта. Эффект Комптона. Комптоновская длина волны. Уменьшение энергии пучка фотонов при прохождении через реальную среду.

Гипотеза де Бройля и волны де Бройля. Опыты по дифракции микрочастиц. Физический смысл волн де Бройля. Принцип неопределенности и соотношения неопределенности Гейзенберга. Принцип дополнительности. Волновая функция и ее вероятностный смысл. Волновая функция свободной микрочастицы. Нестационарное уравнение Шредингера. Стационарное уравнение Шредингера и свойства его решения. Поток плотности вероятности.

Частица в потенциальной яме. Случай прямоугольной потенциальной ямы с бесконечными стенками (энергия и волновая функция частицы в ней). Квантовый гармонический осциллятор и спектр его энергии. Квантовый принцип суперпозиции. Падение микрочастицы на прямоугольную потенциальную ступеньку. Туннельный эффект и его физический смысл.

Квантование динамических переменных. Собственные значения и собственные волновые функции для операторов динамических переменных. Примеры.

Атом Бора. Боровские орбиты и квантовый постулат Бора (вывод радиуса Боровских орбит, энергии и скорости электрона на такой орбите с помощью квантового постулата Бора). Физический смысл боровских орбит. Нормальное и возбужденное состояние водородоподобного атома (спектр энергии электрона в водородоподобном атоме).

Многоэлектронные атомы. Квантование орбитального момента импульса электрона и его проекции. Опыты Штерна-Герлаха. Эффект Зеемана. Гиромагнитное отношение. Квантование орбитального магнитного момента электрона в атоме и его проекции. Спин электрона. Спиновый магнитный момент электрона. Система четырех квантовых чисел и формулы квантования. Принцип неразличимости тождественных микрочастиц. Принцип запрета Паули. Застройка электронных оболочек и периодическая таблица Менделеева.

Излучение и спектры атомов. Спектр атома водорода. Спектральные серии. Естественная ширина спектральной линии. Спектры многоэлектронных атомов. Правила отбора. Рентгеновские спектры. Молекулярные спектры.

Индуцированное излучение. Принцип работы лазера.

Молекула водорода. Обменное взаимодействие.

Зонная теория твердых тел. Виды взаимодействия атомов в твердых телах. Образование энергетических зон. Зонная структура проводника и диэлектрика.

Вырожденный электронный газ. Переход от распределения Максвелла-Больцмана к распределению Ферми-Дирака. Функция распределения Ферми и ее физический смысл. Условия вырождения и невырождения электронного газа (с примерами). Проводимость электронного газа в металлах и ее зависимость от температуры.

Собственная проводимость полупроводников и зонная структура собственного полупроводника. Примесная проводимость полупроводников. Акцепторные и донорные уровни. Дырки, дырочная проводимость. Зависимость проводимости полупроводников от температуры. P-n-переход и его свойства. Вольтамперная характеристика p-n-перехода и ее свойства. Применение полупроводников.

Ферромагнетики. Условия появления ферромагнетизма. Спиновая природа ферромагнетизма. Домены и доменнная структура ферромагнетиков. Антиферромагнетизм и ферриты. Явление гистерезиса и его применение. Электронный газ в реальном кристалле. Электрическое сопротивление, как эффект рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки. Куперовские электронные пары. Фононы. Явление сверхпроводимости и его объяснение. Контакт двух сверхпроводников. Сквиды. Эффект Джозефсона и его применение. Высокотемпературная сверхпроводимость.

Состав и свойства атомных ядер. Нуклоны. Сильное взаимодействие. Энергия связи атомного ядра. Радиоактивность атомных ядер. Закон радиоактивного распада. Дефект масс. Ядерные реакции и  - излучение. Энергетический выход ядерной реакции. Ядерная энергетика. Термоядерный синтез.

Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц. Классификация элементарных частиц. Кварковая и субкварковая структура.

Строение и эволюция звезд. Расширение Вселенной. Космологические представления о горячей Вселенной.