4. Квантовая оптика. Физика микрона. Молекулярная физика.

1. Тепловое излучение. Его энергетические хар-ки. Закон Киргофа, Стефана-Больцмана, Вина. Постулаты Планка.

Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии. (энергия хаотического теплового движения атомов и молекул, из которых состоит вещество )

Энергетические характеристики теплового излучения:

1. Энергетическая совместимость R – количество электромагнитной энергии, излучаемое телом с единицы площади поверхности в единицу времени во всем диапозоне длин волн.

[R]= Дж/(с×м²)=Вт/м²

2. Спектральная плотность энергетической совместимости r_α – количество электромагнитной энергии, излучаемое телом с единицы площади поверхности в единицу аремени (в интервале длин волн от λ до λ+dλ)

[r_α=Дж/(с×м³)]

3. Поток излучения Ф – количество энергии, переносимой электромагнитным излучением через какую-либо единицу площади поверхности за единицу времени.

[Ф]=Дж/с=Вт

4. Поглощательная способность тела (коэф. поглощения) – отношение пошлощаемого телом излучения к падающему на него потоку.

Закон Киргофа:

Отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и является универсальной функцией длины волны λ и температуры T

r_α/a_α=φ(λ,T)

Чем сильнее тело поглощает излучение, тем сильнее оно должно это излучение испускать

В случае абсолютно черного тела испускательная способность будет максимальной.

Закре Стефана-Больцмана:

Энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени температуры тела.

R=σT⁴

σ=5,67*10^-8 Вт/(м²*К⁴)

Закон смещения Вина:

Длина волны λ, на котрую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температура T.

λ=b/T, b=2,898*10^-3 м*К

Постулат Планка:

Процессы излучения происходят не неприрывно, как это было принято в классической физике, а конечными порциями – квантами.

W=hν, h=6,626*10^-34 Дж*с

Квант – минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом.

Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела: r(ν,T)=2πν²*hν/(c²*(e^hν/kT-1))

2. Фотоэлектрический эффект. Вольтамперная характеристика фототока. Опытные закономерности фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна.

Вентильный фотоэффект называется такое явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твердое тело.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределние электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках, происходящее под действием мзлучений. Приводит к возникновению фотопроводимости, проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. (вылетевшие электроны – фотоэлектроны; эл. ток, образованный при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле – фототок)

Вольт-амперные характеристики:

- Ток насыщения прямо пропорционален интенсивности падающего света

- Анода могут достичь те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Измерив –U_x, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

eU=(mV²/2)_max

- Фотоэффект наблюдается, если ν падающего света больше или равна красной границе.

Красная граница равна: ν₀=A/h, W_к max=hν-A

Законы фотоэффекта:

- Макс. кин. энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением ν света и не зависит от его интенсивности.

- Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

-Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 секунду, прямо пропорционально интенсивности света.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает мнгновенно после начала освещения катода при условии, что ν> νmin.

Уравнение Эйнштейна:

h ν=A+mV²/2

Если энергия фотона hν меньше работы выхода А, то фотоэффект невозможен. Граничная частота – красная граница фотоэффекта.

3. Фотоны. Корпускулярно-волновая природа света и частицы.

Фотон – квантовая составляющая электромагнитной (световой) волны, не имеющая массы покоя, которая постоянно движется со скоростью, равной скорости света.

Фотон обладает энергией, массой, импульсом, моментом импульса:

P_ф=m_фc=hν/c, L_ф=√2*h/2π

Излучение черного тела, фотоэффект являются доказательством представления природы света как поток движущихся частиц – фотонов, с другой стороны явления интерференции, дифракции и поляризации доказывают волновую теорию природы света. Наконец, давление и преломление света говорит как о волновой, так и о квантовой теориях.

Волновые свойтъства света проявляются в закономерностях его распространения, а корпускулярные – в процесса взаимодействия с веществом.

4. Ядерная модель атома. Результаты квантово-механического рассмотрения поведения электронов в водородоподобном атоме. Излучение и поглощение энергии атомом и молекулами.

В процессе становления понятия об атоме и его строении, в научной среде появлялись многие теории:

1. Первым гипотезу о строении атома ввел Томсон, предположив, что атом является положительно заряженной частицей, а внутри него существуют множество отрицательных частиц - электронов (Модель «пудинг с изюмом»)

2. В последствие модель Томсона была опровергнута, Резерфордом была выдвинута теория о планетарном строении атома, движение электронов происходило по собственным орбитам вокруг расположенного в центре положительно заряженного ядра.

3. Однако такая модель противоречила классическим законам физики, по которым электрон должен был упасть на поверхность ядра через ничтожный промежуток времени. Постулаты Нильса Бора в последствие развеяли все противоречия, обосновав движение электрона специальным энергетическим состоянием, в котором он не излучает электромагнитных волн, а следовательно, не терять энергии.

Атом водорода состоит из положительно заряженных протона Р и одного электрона ē.

n – главное квантовое число; n=1,2,3…∞

l – орбитальное квантовое число; l=1,2,3…(n-1)

m_L – магнитное квантовое число

m_L=-1,…,0,…,1

m_S - спиновое квантовое число

m_S=+1/2;-1/2

В состоянии покоя ē находится на нижнем уровне. Поглощая W, ē переходит на более высокий уровень (переходит в возбужденное состояние).

Время жизни ē в возбужд. состоянии – 10^-8с, после чего ē переходит на уровень ниже.

Возвращение на предыдущий уровень сопровождается излучением фотонов с определенным количеством энергии.

Основные серии перехоодов: 1) Лаймана (n=1), 2) Бальмера (n=2), 3) Пашена (n=3).

5. Состав ядер атомов. Радиоактивность ядер. Реакции деления и синтез ядер.

Размер ядра составляет 10^-14-10^-15 метров (следуя опытам Резерфорда).

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов – положительно заряженных частиц.

Атомное ядро характеризуется зарядом Z (равное числу протонов в атоме и совпадающее с порядковым номером х/э)

Радиоактивность – способность некоторых ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, испуская при этом радиоактивные излучения.

Р/излучение бывает трех типов: α, β и ϒ.

1. α-излучение характеризуется малой проникающей способностью и отклоняется электрическими и магнитными полями. Представляет собой поток ядер гелия.

2. β-излучение характеризуется большей проникающей способностью, но меньшей ионизирующей способностью. Представляет собой поток быстрых электронов.

3. ϒ-излучение не отклоняется электрическими и магнитными полями, обладает слабой ионизирующей способностью, но большой способностью прониконовения ( при прохождении ч-з кристаллы обнаруживает дифракцию ). Представляет собой коротковолновое э/м излучение с чрезвычайно малой длиной волны, и, вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами.

Радиоактивным распадом называют естественное превращение ядер, происходящее самопроизвольно.

dN=-λNdt, λ – постоянная радиоактивного распада, или N=N₀*e^-λt

Из формулы следует, что число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону. (закон полураспада – делим N и t на 2!)

Реакция ядерного синтеза – реакция образования тяжелых атомов из легчайших.