СОДЕРЖАНИЕ

• ЛЕКЦИЯ N 1 • Краткие исторические сведения.  Тепловое излучение. Излучение абсолютно черного тела. Закон Кирхгофа.  Итоги лекции N 1

• ЛЕКЦИЯ N 2 • Проблема излучения абсолютно черного тела. Формула Планка.  Закон Стефана-Больцмана для энергетической светимости R(Т).  Итоги лекции N 2

• ЛЕКЦИЯ N 3 •  Проблема фотоэффекта.  Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.  Итоги лекции N 3

• ЛЕКЦИЯ N 4 •  Боровская теория атома водорода.  Спектры излучения атома водорода в теории Бора.  Итоги лекции N 4

Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов

• ЛЕКЦИЯ N 5 •  Свойства фотонов.  Неделимость фотона.  Интерференция одиночных фотонов.  Вероятностная интерпретация плотности энергии и интенсивности электромагнитной волны.  Итоги лекции N 5

• ЛЕКЦИЯ N 6 • Гипотеза де Бройля. Волновые свойства электронов.  Дифракция единичных электронов.  Волновая функция и волна де Бройля.  Соотношения неопределенностей.  Итоги лекции N 6

Элементы квантовой механики

• ЛЕКЦИЯ N 7 •  Уравнение Шредингера.  Понятия об операторах физических величин.  Решение уравнения Шредингера для простейших случаев: свободная частица и частица в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме.  Итоги лекции N 7

• ЛЕКЦИЯ N 8 •  Уравнение Шредингера для атома водорода.  Квантовые числа.  Спектры атома водорода в теории Шредингера.  Волновая функция основного состояния атома водорода.  Итоги лекции N 8

• ЛЕКЦИЯ N 9 •  Спин электрона. Принцип Паули. Фермионы и бозоны.  Физические основы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Молекула. Объяснение температурной зависимости теплоемкостей газов.  Итоги лекции N 9

Квантовая теория свободных электронов в металле

• ЛЕКЦИЯ N 10 •  Электронный газ в модели одномерной бесконечно глубокой ямы.  Электронный газ в модели бесконечно глубокой трехмерной потенциальной ямы.  Итоги лекции N 10

• ЛЕКЦИЯ N 11 • Электронный газ при Т > 0. Распределение Ферми-Дирака.  Анализ функции f(E).  Итоги лекции N 11

• ЛЕКЦИЯ N 12 •  Результаты квантовой теории электропроводности металла. Термоэлектронная эмиссия. Бозоны. Распределение Бозе-Эйнштейна.  Итоги лекции N 12

Введение в теорию твердых тел

• ЛЕКЦИЯ N 13 •  Происхождение энергетических зон в кристаллах. Металлы.  Диэлектрики и полупроводники.  Собственная проводимость полупроводников.  Итоги лекции N 13

• ЛЕКЦИЯ N 14 •   Примесная проводимость полупроводников. Акцепторные примеси. Полупроводники p-типа.  Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод.   Полупроводниковый триод  (транзистор).  Итоги лекции N 14

Основы физики лазеров

• ЛЕКЦИЯ N 15 •   Вводные сведения.  Вынужденное (стимулированное) излучение.  Состояние с инверсией населенности.  Оптический резонатор.  Способы создания инверсии населенности.  Виды лазеров и их применение.  Итоги лекции N 15

Элементы физики ядра и элементарных частиц

• ЛЕКЦИЯ N 16 • Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число. Дефект масс и энергия связи атомного ядра. Ядерные силы. Итоги лекции N 16

• ЛЕКЦИЯ N 17 • Некоторые сведения из истории открытия деления ядра урана.  Цепная ядерная реакция. Ядерная бомба.  Ядерный реактор.  Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций.  Итоги лекции N 17

• ЛЕКЦИЯ N 18 • Радиоактивность. Историческое введение.  Закон радиоактивного распада.  Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом.  Методы регистрации ионизирующих излучений.  Итоги лекции N 18

§ 1. Краткие исторические сведения

Немецкий физик Макс Планк 14 декабря 1900 г. выступил на заседании Германского физического общества с докладом, в котором он сообщил о полученной им формуле распределения энергии (см. (2.1)) в спектре излучения абсолютно черного тела (см. § 3 настоящей лекции). Полученная им теоретическая зависимость хорошо описывала экспериментальные результаты.

14 декабря 1900 г. считают датой рождения квантовой физики.

При выводе своей формулы М. Планк сделал одно из важнейших физических открытий: он нашел новую универсальную постоянную, названную впоследствии постоянной Планка. Ее обозначают буквой h, в системе СИ постоянная Планка имеет следующее значение:

размерность постоянной Планка - джоуль, умноженный на секунду, носит название "действие", поэтому постоянную Планка называют также "квант действия".

С квантом действия Планк связал понятие "квант энергии", это наименьшая порция энергии, которую нагретое тело может либо излучить, либо поглотить. Величина кванта энергии

здесь v  - частота колебаний электромагнитной волны, излучаемой телом.

Если вместо v использовать круговую частоту ω = 2πv (14.3.1.3), то энергия кванта ε = hω/2π. Величину

также называют постоянной Планка. Тогда энергия кванта

Альберт Эйнштейн, используя и развивая введенное М. Планком понятие о квантах энергии, ввел понятие "квант света", или фотон (от греческого photos - свет). Согласно Эйнштейну, энергия, излученная в виде кванта электромагнитной волны, не распределяется непрерывно во всевозрастающем объеме пространства, а движется в виде локализованного в малой области фотона, обладающего энергией ε = hv.

Эта гипотеза позволила Эйнштейну объяснить явление фотоэффекта (1905г.).

В 1909-1910 гг. в лаборатории английского физика Эрнста Резерфорда были проведены исследования по рассеянию α-частиц тонким слоем вещества. Схема опыта изображена на следующем рисунке:

Рис. 1.1

α-частицы - это ядра атома гелия. Они испускаются кусочком радиоактивного вещества - радия. Свинцовая оболочка с узким отверстием позволяет сформировать узкий пучок α-частиц. Скорости α-частиц порядка 10⁷ м/с, они имеют положительный заряд, равный двум элементарным, и их масса более чем в семь тысяч раз превышает массу электрона. Сотрудники Резерфорда Э. Марсден и Х. Гейгер в 1909 г. обнаружили, что очень небольшая часть α-частиц (примерно 1/8000) рассеивается на угол θ > π/2, т.е. назад. Осмысливание этого факта привело в 1911 г. Э. Резерфорда к планетарной модели атома. Согласно этой модели в центре атома находятся очень маленькое ядро (r_я ~ 10^-15 м), в ядре сосредоточена почти вся масса атома. Заряд ядра положительный (оно-то и отталкивает летящие на него α-частицы). Отрицательно заряженные электроны движутся вокруг ядра подобно планетам солнечной системы. Расстояния, на которых находятся самые удаленные от ядра электронные орбиты, определяют размер атома. Этот размер имеет порядок 10^-10 м, т.е. весь атом больше своего ядра примерно в 100000 раз!

Атом в модели Резерфорда оказался неустойчивым. Как мы знаем, ускоренно движущаяся заряженная частица излучает электромагнитные волны. Криволинейное движение, даже при постоянной по модулю скорости, является ускоренным, следовательно, в планетарной модели электроны будут терять свою энергию. Как показывают расчеты, за время порядка 10^-8 с электроны упадут на ядро. Но весь наш опыт неопровержимо и весомо свидетельствует о стабильности атомов!

Проблемой теоретического описания атома заинтересовался датский физик Нильс Бор. Он в 1912 г. приезжает к Резерфорду и подробно знакомится с результатами его работ. В 1913 г. Н. Бор публикует работу "О строении атомов и молекул".

В этой работе Бор взял за основу модель атома Резерфорда и дополнил ее квантовыми представлениями, введенными М. Планком и развитыми А. Эйнштейном. Основу квантовой теории атома Бора составляют два его постулата, дополненные условием стационарности состояния атома. Эти два постулата мы приведем в лекции N 4, § 1.

Развитая Бором на основе этих постулатов теория атома водорода (26.4) позволила рассчитать спектр излучения этого атома. Результаты расчетов оказались в замечательном соответствии с имевшимися экспериментальными данными.