- •Тема 1. Вступ. Кінематика поступального руху.
- •Вступ. Кінематика поступального руху (2 год.)
- •1. Основні поняття механіки.
- •2. Радіус-вектор. Переміщення. Траєкторія. Пройдений шлях.
- •Тема 2. Кінематика обертального руху. Кінематика обертального руху (2 год.)
- •Основні поняття кінематики обертального руху.
- •Основні елементи кінематики рівномірного обертального руху
- •Обертального руху:
- •Обертальний рух:
- •Повне прискорення матеріальної точки, що виконує
- •Момент сили, що діє на і-ту матеріальну точку:
- •Тема 3. Динаміка поступального руху матеріальної точки.
- •Основні поняття динаміки поступального руху матеріальної точки і твердого тіла:
- •Перший закон Ньютона і поняття інерціальної системи відліку
- •Другий закон Ньютона
- •Третій закон Ньютона
- •Закон збереження імпульсу механічної системи
- •Теорема про рух центра мас механічної системи:
- •Тема 4. Закони збереження в механіці. Закони збереження енергії та імпульсу в механіці (2 год.)
- •Тема 5. Динаміка обертального руху. Динаміка обертального руху. (2 год.)
- •Рівняння динаміки обертального руху
- •4.8. Момент імпульсу і момент інерції
- •4.9. Момент сили і момент інерції
- •4.10. Момент інерції геометричного тіла
- •4.11. Теорема Штейнера. Закон додавання моментів інерції
- •4.12. Закон збереження моменту імпульсу
- •2). Приклади виконання закону збереження моменту імпульсу
- •4.13. Кінетична енергія тіла, що обертається
- •Тема 6.Механічний принцип відносності. Механічний принцип відносності. (2 год.)
- •Перетворення Галілея та механічний принцип відносності
- •Механічний рух. Система відліку. Відносність руху. Матеріальна точка. Траєкторія. Шлях і переміщення. Швидкість. Додавання швидкостей. Прискорення.
- •Рівномірний рух
- •Рівноприскорений рух
- •Рівномірний рух по колу. Період і частота. Лінійна і кутова швидкості. Доцентрове прискорення.
- •Перший закон Ньютона.Інерціальна система відліку. Принцип відносності Галілея.
- •Принцип відносності у класичній механиці (прнцип Галілея):
- •Принцип відносності Енштейна:
- •Маса. Сила. Додавання сил. Другий закон Ньютона.Третій закон Ньютона.
- •Гравітаційні сили. Закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння. Рух тіла з початковою швидкістю під дією сили тяжіння.
- •Закон пружних деформацій (закон Гука)
- •Тема 7. Елементи релятивістської динаміки. Елементи релятивістської динаміки (2 год.)
- •Тема 8. Електростатичне поле. Електростатичне поле (2 год.)
- •Електростатичне поле
- •Гравітаційне поле та його характеристики. Зв’язок напруженості поля з його потенціалом:
- •Тема 9. Провідник в електричному полі. Провідник в електричному полі (2 год.)
- •Розподіл заряду в провіднику. Зв'язок між напруженістю поля в поверхні провідника й поверхневою густиною заряду
- •§2 Електроємність провідників. Конденсатори
- •3 Енергія електростатичного поля
- •3. Енергія зарядженого конденсатора.
- •Основні формули
- •Тема 10. Постійний електричний струм.
- •Постійний електричний струм (2 год)
- •1. Пості́йний струм, його джерела
- •2. Машини постійного струму
- •4. Закон Ома для замкнутого кола.
- •Тема 11. Електричний струм в рідинах і в газах Електричний струм в рідинах та газах (2 год)
- •Тема 12. Магнітне поле у вакуумі. Магнітне поле у вакуумі . (2 год.)
- •Потенціал електричного поля. Напруженість як градієнт потенціалу
- •Напряженность вихревого поля внутри свернутого соленоида
- •Токовый дипольный момент тороида
- •Тороид – основа самоорганизации движения материи
- •Основні формули
- •Тема 13.Явище електромагнітної індукції. Явище електромагнітної індукції (2 год.)
- •Тема 14. Магнітне поле в речовині. Магнітне поле в речовині (2 год.)
- •§1 Феромагнетики
- •§2 Магнітні властивості атомів
- •§3 Діамагнетизм
- •§4 Парамагнетизм
- •Рівняння електродинаміки в диференціальній формі
- •Сгсг ]у вакуумі
- •У середовищі
- •Пояснення
- •[Ред.]Історична довідка
- •Неінваріантність відносно перетворень Галілея
- •Тема 15. Коливання та хвилі Коливання та хвилі (2 год)
- •Коливальний рух. Математичний та пружинний маятники
- •Тема 16. Складання коливань Складання коливань (2 год)
- •Тема 17. Загасаючі коливання Загасаючі коливання (2 год)
- •Тема 18. Вимушені механічні та електромагнітні коливання Вимушені механічні та електромагнітні коливання (2 год)
- •Тема 19. Хвилі Хвилі (2 год)
- •Утворення хвиль в пружному середовищі. Поздовжні і поперечні хвилі. Рівняння біжучої хвилі
- •Тема 20. Фазова і групова швидкість хвилі. Вектор Пойгтінга. Фазова і групова швидкість хвилі. Вектор Пойгтінга (2 год)
- •Тема 21. Електромагнітні хвилі Електромагнітні хвилі (2 год)
- •Сгсг у вакуумі
- •У середовищі
- •Пояснення
- •Історична довідка
- •Неінваріантність відносно перетворень Галілея
- •Енергія електромагнітної хвилі. Густина потоку випромінювання
- •Експеримент:
- •Класифікація радіохвиль по видах, довжині, частотах. Галузі застосування радіохвиль
- •Розповсюдження радіохвиль
- •Закріплення матеріалу
- •Тема 22. Геометрична оптика Геометрична оптика (2 год.)
- •Тема 23. Хвильова оптика. Інтерференція світла. Хвильова оптика. Інтерференція світла (2 год.)
- •Тема 24. Дифракція світла
- •Дифракція світла (2 год.)
- •Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция света
- •4.3. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске
- •4.3.1. Дифракция Френеля на круглом отверстии
- •Тема 24. Ди Дифракционная решетка
- •4.8. Понятие о голографии
- •Тема 25. Поляризація світла.
- •Поляризація світла (2 год.)
- •Поляризация при отражении и преломлении Закон Брюстера
- •Подвійне променезаломлення
- •Тема 26. Квантова оптика
- •Квантова оптика (2 год.)
- •Теплове випромінювання та його рівноважність
- •18.2. Закони теплового випромінювання
- •18.2. 1. Закон Кірхгофа.
- •18.2. 2. Закон Cтефана-Больцмана.
- •18.2. 3. Закон випромінювання Віна.
- •18.2. 4. Закон зміщення Віна.
- •18.2. 5. Формула Релея - Джінса
- •18.2. 6. Гіпотеза та формула Планка
- •18.3. Розрахунок сталих Стефана - Больцмана та Віна за допомогою формули п ланка
- •Тема 27. Елементи квантової механіки.
- •Елементи квантової механіки (2 год.)
- •Співвідношення невизначеностей як прояв корпускулярно-хвильового дуалізму властивостей матерії. Обмеженість механічного детермінізму
- •Тема 28. Рівняння Шредінгера
- •Рівняння Шредінгера (2 год.)
- •Незбуреному стану частинки відповідає енергія
- •Тема 29. Фізика атомів і атомних ядер.
- •Фізика атомів і атомних ядер (2 год)
- •Тема 30. Періодична система елементів.
- •Періодична система елементів (2 год)
- •Тема 31. Атомне ядро.
- •Атомне ядро (2 год)
- •Радіоактивність. Основний закон радіоактивного перетворення атомних ядер
- •20.11. Реакції поділу урану та ядерна енергетика
- •20.12. Реакції синтезу ядер та термоядерна енергетика
- •Реакція синтезу атомних ядер. Проблема керованих термоядерних реакцій
- •Тема 32. Основи статистичної фізики.
- •Основи статистичної фізики (2 год.)
- •Статистична фізика
- •Процеси нерівноважної термодинаміки
- •Основні поняття термодинаміки
- •Термодинамічні потенціали
- •Спряжені термодинамічні змінні
- •Диференціали від термодинамічних потенціалів
- •Фазові перетворення
- •Абсолютна шкала температур
- •Рівноважне випромінювання
- •Нерівноважна термодинаміка
- •Лінійна нерівноважна термодинаміка
- •Відкриті системи далекі від рівноваги
- •Тема 33. Функція розподілу.
- •Функція розподілу (2 год.)
- •Тема 34. Кінетична теорія газів.
- •Кінетична теорія газів (2 год.)
- •Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії
- •Середня кінетична енергія молекул. Молекулярно-кінетичне трактування абсолютної температури
- •Тема 35. Основи термодинаміки.
- •Основи термодинаміки (2 год.)
- •1 Та 2 закони термодинаміки
- •Цикл карно. Ентропія. Реальні гази Основні формули
- •Тема 36. Елементи фізики твердого тіла.
- •Основи фізики твердого тіла (2 год.)
- •Енергія коливань і теплоємність кристалічної решітки
- •4.1. Модель Ейнштейна
- •4.2. Модель Дебая
- •Тема 37. Поняття про зонну теорію твердих тіл.
- •Поняття про зонну теорію твердих тіл (2 год.)
- •Тема 38. Власна провідність напівпровідників.
- •Власна провідність напівпровідників (2 год.)
- •Тема 39. Домішкова провідність напівпровідників.
- •Домішкова провідність напівпровідників (2 год.)
- •1. Механізм електричної провідності напівпровідників
- •1.2. Енергетичні зони
- •1.3. Рухливість
- •2. Власна щільність
- •3. Види напівпровідників
- •3.1. За характером провідності
- •3.1.1. Власна провідність
- •3.1.2. Домішкова провідність
- •3.2. По виду провідності
- •3.2.1. Електронні напівпровідники ( n-типу)
- •3.2.2. Діркові напівпровідники ( р-типу)
- •Тема 40. Елементи квантової теорії електропровідності металів. Елементи квантової теорії електропровідності металів (2 год)
- •Ефект Пельтьє
- •Відкриття ефекту Пельтьє
- •Пояснення ефекту Пельтьє
- •Застосування ефекту Пельтьє Модулі Пельтьє
- •Тема 41. Випрямлення на контакті метал-напівпровідн Випрямлення на контакті метал-напівпровідник (2 год)
- •Эффект Шоттки
- •Тема 42. Напівпровідникові діоди та транзистори.
- •Напівпровідникові діоди та транзистори (2 год)
- •Коливань решітки, згідно квантової механіки, можна зіставити квазічастинки - фонони. Кожному коливан Напівпровідниковий діод
- •4.2. Транзистор
- •5. Типи напівпровідників в періодичній системі елементів
- •6. Фізичні властивості і застосування
Незбуреному стану частинки відповідає енергія
(1.48) Значення цієї енергії Е1>0 свідчить про те, що частинка в потенціальному ящику ніколи не зупиняється і що невизначеність DРх імпульсу частинки не може бути меншою за величину (1.49) Однак в потенціальному ящику шириною l положення частинки визначається похибкою, яка співрозмірна з шириною ящика Dх»l
Тому
Dх.DРх³p , (1.50) що перебуває у повній відповідності із співвідношенням невизначеностей імпульс - координата. Покажемо, як залежить ширини енергетичного інтервалу DЕ від розмірів потенціального ящика. У потенціальному ящику з розмірами l=10-9м. Власні значення енергії електрона утворюють послідовність енергетичних рівнів, енергетична відстань між якими дорівнює DE=En+1-En. Або Дж. В електрон-вольтах ця енергія дорівнює Коли ширина потенціального ящика співрозмірна з розмірами атома, енергетичний інтервал між сусідніми енергетичними рівнями досить значний, а спектр є дискретним. У випадку, коли потенціальний ящик має мікроскопічні розміри l»10-2м., енергетичний інтервал між сусідніми рівнями дорівнює Дж=0,34.10-14(2n+1) eB. Для такого потенціального ящика квантуванням енергії можна знехтувати. Вона нічим не відрізняються від значень енергії, одержаних класичними методами. Аналогічні результати можна одержати для великих квантових чисел n. У цьому випадку проявляється принцип відносності, встановлений Бором у 1923р. При великих квантових числах висновки і результати квантової механіки збігаються з відповідними класичними результатами. 1.3.3. Гармонічний квантовий осцилятор. Просторово-обмеженим є також рух квантового осцилятора. З класичної точки зору осцилятором може бути будь-яка матеріальна точка, яка здійснює гармонічні коливання під дією квазіпружної сили. F=-kx, де k=m (1.51) Потенціальна енергія класичного осцилятора знаходиться за формулою де m - маса частинки; - циклічна частота осцилятора. Графічна залежність енергії класичного осцилятора показана на рис.1.8. Рис. 1.8 . З рисунка видно, що осцилятор може мати практично довільну енергію, навіть рівну нулю. В точках -а і +а кінетична енергія осцилятора дорівнює нулю, а потенціальна енергія досягає свого максимуму. За межі області (-а, +а) класичний осцилятор вийти не може. Квантовим осцилятором може бути лише елементарна частинка, яка поряд з корпускулярними властивостями проявляє і хвильові властивості. Прикладом квантового осцилятора може бути коливний рух атомів і молекул у вузлах кристалічної гратки. Потенціальна енергія квантового осцилятора має таку ж математичну залежність, що і класичний осцилятор (1.52). Стаціонарне рівняння Шредінгера для лінійного гармонічного осцилятора має вигляд: (1.53) де m - маса квантової частинки; - циклічна частота; Е - повна енергія частинки. Знаходження хвильових функцій квантового осцилятора є досить складною математичною задачею. Тому, опускаючи такі розв’язки, наводимо енергетичний спектр квантового осцилятора. Він має вигляд (1.54) де n= 0,1,2,3,..... - любе ціле число, починаючи з нуля; - циклічна частота; - стала Дірака. Аналіз рівняння (1.54) показує, що енергетичний спектр квантового осцилятора є дискретним і що власні значення енергії дорівнюють: В енергетичному спектрі (1.54) проміжки між енергетичними рівнями не залежать від квантового числа n, а є однаковими (1.55) Як показано на рис. 1.9, де енергетичний спектр квантового осцилятора суміщається з аналогічним спектром класичного осцилятора, квантовий осцилятор не має значень енергії, рівних нулю. Найменше значення енергії квантового осцилятора дорівнює (1.56) Меншої енергії квантовий осцилятор не може мати навіть при абсолютному нулі температур. Рис. 1.9 Покажемо наближеним способом, що енергія квантового осцилятора квантується. З рис 1.10 видно, що на відрізку l=2х0 вкладається ціле число півхвиль де Бройля, тобто (1.57)
|
|
|
|
Рис 1.10
де - середнє значення довжини хвилі де Бройля.
Звідки
(1.58)
Середнє значення імпульсу кванта хвилі де Бройля
(1.59)
Середня кінетична енергія такого осцилятора
(1.60)
Відомо, що повна енергія Е перевищує середнє значення кінетичної енергії в два рази, тобто
(1.61)
З іншої точки зору повна енергія квантового осцилятора дорівнюватиме максимальній потенціальній енергії
(1.62)
Перемножимо рівності (1.61) і (1.62)
(1.63)
Або
(1.64)
В межах точності наших міркувань »1, тому
(1.65)
де n =1,2,3,... - цілі числа.
Наближений розрахунок показує, що енергія квантового осцилятора набуває ряду дискретних значень, тобто квантується.
Точне значення енергії квантового осцилятора для не збудженого, нульового рівня можна одержати із рівняння Шредінгера (1.53), якщо згідно рис. (1.10) скористатись функцією Гаусса, яка дорівнює
(1.66)
де а - стала величина, яку слід визначити.
Другу похідну від (1.66) підставимо в (1.53)
звідки
. (1.67)
Тотожність (1.67) має місце при рівності коефіцієнтів при х2 і вільних членів, тобто
(1.68)
Система рівнянь (1.68) дає значення енергії Е і сталої величини а
(1.69)
Таким чином функція Гаусса є розв’язком рівняння Шредінгера (1.53) лише за умови, коли .
В цьому випадку
. (1.70)
Слід відмітити, що так як відстань між суміжними рівнями енергії квантового осцилятора дорівнює то з урахуванням одержуємо енергетичний спектр квантового осцилятора у вигляді
(1.71)
де n = 0,1,2,3....
1.3.4.Проходження частинки крізь потенціальний бар’єр. Тунельний ефект.
Класична частинка не може перебувати в тих місцях, де її потенціальна енергія U(x) перевищувала б повну енергію частинки E. Щодо квантової частинки, то вона має таку властивість із-за того, що існує відмінна від нуля імовірність проникнення її крізь потенціальний бар’єр, тобто в область, де U(x) > E
Проведемо оцінку цієї імовірності шляхом розв’язування наступної задачі. Нехай квантова частинка з масою m, рухаючись в напрямі осі х, вдаряється в потенціальний бар’єр кінцевої висоти U0, тобто
причому енергія частинки e менша висоти бар’єра U0, (рис. 1.11).
Рис. 1.11
В області потенціального бар’єра рівняння Шредінгера для стаціонарних станів набуде вигляду
(1.72)
Якщо позначити вираз через , то рівняння (1.72) перепишеться
. (1.73)
Розв’язком рівняння (1.34) може бути функція
, (1.74)
де А і В - деякі константи, і - уявна одиниця.
Експонента з додатним знаком фізичного змісту не має і може бути відкинута, так як не повинно бути зростання імовірності в області потенціального бар’єра. Тому в області потенціального бар’єра (х>0), хвильова функція частинки Yx визначається рівністю
Yx = Be-i x (1.75)
Коефіцієнт В у виразі (1.75) пов’язаний з інтенсивністю променя частинок, які рухаються в напрямі бар’єра, а тому задається довільно. Як правило х>0 координати частинок розподіляються з густиною імовірності
, (1.76)
де w(0) дорівнює значенню |Yx|2 при х=0.
Рівняння (1.76) показує, що із збільшенням глибини проникнення в область потенціального бар’єра, густина імовірності w(х) зменшується експоненційно. Це зменшення буде тим швидше, чим більша різниця енергій U0 - E.
Знайдемо глибину проникнення елементарної частинки в область потенціального бар’єра при умові, що m = 9,1 10-31кг(електрон), U0 - E = 10-4 eB, а густина імовірності w(х) на цій відстані зменшується в е разів
.
Ця відстань перевищує на два порядки діаметр атома водню. Глибина проникнення зменшується на порядок, якщо різниця енергій U0 - Eзросте до 10-2 еВ.
Здатність квантових частинок проникати в область потенціального бар’єра приводить до тунельного ефекту. Його суть полягає в проникненні частинки із однієї області в іншу область, які поділені потенціальним бар’єром навіть в тих випадках, коли енергія частинки Еменше висоти потенціального бар’єра U0.
Таке проходження частинки виявляється можливим дякуючи існуванню під бар’єром хвильової функції, яка «прокладає» шлях частинки на будь-яку відстань. Тунельний ефект є головною причиною a - розпаду радіоактивних ядер.