Атомная физика.

Литература:

1. Савельев Общий курс физики Т.3. Квантовая оптика и атомная физика

2. Сивухин Общий курс физики Т.5. Ч.1

3. Шпольский Атомная физика

4. Матвеев Атомная физика(глубокое изложение)

5. Добрецов Атомная физика

§1.Общая характеристика атомов.

Атом (греч. неделимый) – частица вещества микроскопической массы и размеров, которая является носителем всех его физических и химических свойств.

Каждому элементу соответствует свой род атомов и все его свойства полностью определяются его строением.

Атомная физика изучает строение атома, как квантовой системы, состоящей из ядра и электронов. Кроме того необходимо добавить энергитические уровни, излучательные и безизлучательные переходы между ними, столкновения атомов, а также их поведение во внешних полях.

Развитие атомной физики.

1863 – создание периодической системы Менделеева (следствием является сложная структура атома)

1897 – открытие электрона Томсоном (е/m)

1919 – открытие протона Резерфордом

1931 – открытие нейтрона Чедвигом

Проблемы физики начала 20 века.

1. Законы теплового излучения

2. Закономерности фотоэффекта

3. Проблема размеров и стабильности атомов

4. Линейчатые спектры атомов

Поиски решения всех этих проблем в итоге привели к созданию квантовой механики – физики микромира, к которому законы классической физики не применимы.

По современным представлениям атом состоит из тяжелого ядра, обладающего положительным зарядом и окружающих его электронов, имеющих отрицательный заряд и образующих электронную оболочку. Линейные размеры атома определяются размерами его электронной оболочки.

Ион – атом, присоединивший или отдавший электроны.

Атом и соответствующие ионы с одинаковым количеством электронов образуют изоэлектронный ряд. Например:

Каждый элемент этого ряда называется водородоподобным атомом.

Ядро состоит из протонов – частиц с положительным элементарным зарядом и электрически нейтральных нейтронов.

Для большинства химических элементов существуют изотопы – разновидности этих элементов, отличающиеся массовым числом. При этом:

Различие в массах изотопов практически не сказывается на физических и химических свойствах атома. Однако эти отличаи (изотопический эффект) проявляются в случае легких атомов.

	А	Z	Np	Nn
H(водород)	1	1	1	-
D(дейтерий)	2	1	1	1
T(тритий)	3	1	1	2

Энергия ионизации атома – это работа, затрачиваемая на удаление одного внешнего электрона с электронной оболочки атома, находящегося в основном энергитическом состоянии на бесконечность.

1 ЭВ – внесистемная единица.

Энергия ионизации водорода

§2.Законы теплового излучения.

Вокруг любого тела существуют излучения или ЭМП, возникающие в результате испускания телом ЭМ волн за счет внутренней тепловой энергии тела. С ростом температуры плотность излучения увеличивается. Данное излучение называется тепловым.

Любое тело как излучает, так и поглощает ЭМ волны. В результате этих двух процессов может устанавливаться термодинамическое равновесие. Только в этом случае можно говорить о температуре излучения. Тепловое излучение существует при любой температуре Т > 0 K. Тепловое излучение – единственный вид излучения, который может быть равновесным. Все остальные виды излучения неравновесны, их называют люминесцирующими. Люминесценция происходит при дополнительных по отношению к нагреванию процессах. Фотолюминесценция – возникает при освещении люминофора (вещества, в котором возбуждается люминесценция)

Существует:

- УФ люминесценция

- рентгеновская люминесценция

- катодолюминесценция

- хемилюминесценция

dФ – энергия излучения, испускаемого единицей поверхности тела в единицу времени в единичном интервале частот . Эта величина имеет смысл плотности потока энергии.

Ф(ω,Т) – спектральная испускательная способность тела. Эта функция – различная для различных тел, определяет плотность потока энергии, испускаемой телом, находящемся при температуре Т на частоте ω.

Поглощательная способность тела.

Отношение плотности потока энергии, поглощенной телом к плотности потока энергии, падающей на тело называется поглощательной способностью тела и обозначается

В 1859 году Кирхгоф установил следующий закон:

Отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты и температуры, одинаковой для всех тел.

Представим себе тело с Такое тело называют АЧТ (абсолютно черное тело). Оно поглощает всю энергию, которая на него падает, поэтому:

Простейшая модель АЧТ.

d << D

На опыте было установлено, что испускательная способность абсолютно черного тела ( АЧТ ) имеет следующий вид:

1893г. – Винн предложил общую формулу, согласно которой

- некоторая неизвестная функция отношения частоты к температуре.

–интегральная испускательная способность АЧТ или энергетическая светимость.

- мощность излучения единицы поверхности тела.

Где:

экспериментально установлено, что постоянная Стефана-Больцмана:

Закон Стефана-Больцмана:

Как следствие общей формулы Винна, объясняется закон смещения Винна.

- постоянная Винна.

–длина волны λ для максимума испускательной способности .

Для доказательства рассмотрим производную

(⋆)

1896г. – Винн предложил частную формулу

где α и β - константы

- первый недостаток формулы Винна: α и β - некоторые импирические постоянные.

- второй недостаток формулы Винна: при , Т →⇒- формула Винна не работает при высоких температурах или низких частотах.

1900г. – формула Релея-Джинса:

При T=const :

Ультрафиолетовая катастрофа: формула перестает работать при высоких частотах или низких температурах.

14.12.1900г. Макс Планк предложил для испускательной способности АЧТ:

где

- постоянная Планка

–постоянная планка – это естественная единица измерения момента импульса.

Рассмотрим область высоких частот

Формула Планка переходит в частную формулу Винна:

Рассмотрим область низких частот или высоких температур

Вывод: из формулы Планка можно вывести все законы теплового излучения.

Физическое содержание формулы Планка.

Тела, испускающие тепловое излучение, могут быть представлены в виде осцилляторов, энергия которых испускается порциями (квантами), т.е. энергия испускается не непрерывно, а дискретно.

Энергия кванта

где

В теории теплового излучения пользуются также объемной испускательной способностью АЧТ