В.И. Лебедев

Общая физика.Квантовая (современная) физика

Коспект лекций

Рекомендуемая литература

1. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Оптика. М. 1980. 752 с.

2. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Т.5, ч.1, ч. 2. Атомная и ядерная физика. М. 1986. 416 с.

3. Берклеевский курс физики. Т.4. Э. Вихман. Квантовая физика. М. 1977. 416 с.

4. Г.С. Ландсберг. Оптика. М. 1976. 928 с.

5. И.Е. Иродов.Квантовая физика. Основные законы. М.:2001–272с .

6. Физическая энциклопедия. Тт. 1…5. М:. 1988 – 1998 гг.

7. Физический энциклопедический словарь. М:. 1983, 928 c.

Контрольные вопросы (2004 г.)

1. Какие основные экспериментальные факты доказывают существование атомов?

2. Опишите эксперименты, в которых был установлен факт существования электрона и его основные свойства.

3. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и его экспериментальное обоснование. Современные представления о фотоне.

4. Каким закономерностям подчиняется излучение нагретых тел? Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Формула Планка. Постоянная Планка, её физический смысл..

5. Закономерности прохождения рентгеновских лучей через вещество. Эффект Комптона.

6. Опыты Резерфорда по рассеянию -частиц. Открытие атомного ядра. Модель атома Резерфорда-Бора. Какие новые фундаментальные физические константы были введены в физику в результате создании этой модели?

7. Методы получения рентгеновского излучения. Методы измерения спектра рентгеновского излучения. Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли.

8. Волны де Бройля. Опыты, подтверждающие гипотезу де Бройля. Статистическая интерпретация волн де Бройля в квантовой механике.

9. Методы измерения спектра оптического излучения. Спектральные серии атомарного водорода и объяснение причин их существования.

10. Сопоставление боровской и квантовомеханической моделей атома водорода. Квантовые числа для электрона в атоме и их физический смысл.

11. Соотношения неопределенностей Гейзенберга в квантовой механике. В чем их физический смысл?

12. Какие наблюдения доказывают существование спина и магнитного момента электрона?

13. Периодическая система элементов Менделеева. Принципы заполнения электронами электронных оболочек атомов. Причины периодичности такого заполнения.

14. Как квантовая механика объясняет физические причины возникновения химической связи между атомами? Каково строение молекулы водорода?

15. Поглощение света. Закон Бугера в дифференциальной и интегральной формах. Коэффициент поглощения света. При каких условиях среда усиливает проходящий через нее свет?

16. Принцип работы лазера.

17. Принцип работы масс-спектрометра. Открытие изотопов. Состав ядер атомов. Заряд и массовое число ядра.

18. Экспериментальные методы ядерных исследований. Детекторы частиц в ядерной физике.

19. Принцип работы основных типов ускорителей частиц.

20. Радиоактивность вещества. Закон радиоактивного распада. Определение возраста геологических пород.

21. Как было обнаружено существование нейтрона? Нейтрино и слабое взаимодействие.

22. Энергия связи ядра. Дефект массы. Магические числа для протонов и нейтронов в атомном ядре. Оболочечная модель ядра.

23. Деление ядер. Трансурановые элементы. Цепная реакция деления. Атомная бомба. Принцип работы ядерного реактора.

24. Ядерные реакции. Искусственная радиоактивность. Метод меченых атомов.

25. Водородная бомба. Современные исследования принципов осуществления управляемого термоядерного синтеза: магнитное удержание плазмы, лазерный термоядерный синтез.

26. Эффект Мессбауэра. Фундаментальные эксперименты с использованием мессбауэровского излучения.

27. Туннельный эффект. Сверхпроводимость. Высокотемпературная сверхпроводимость

28. Эффект Джозефсона. Применения эффекта Джозефсона.

Введение

Физику условно делят на классическую и квантовую (современную). Основные положения квантовой физики согласуются и следуют из законов классической физики.

Квантовая физика – наука о волновых свойствах материальных частиц и квантовых (корпускулярных) свойствах физических полей.

Системы единиц измерений, применяемых в квантовой физике:

СГС (гауссова система единиц),

безразмерные системы единиц:

релятивистская: с = h = m_e = 1;

Хартри: e = m_e = h = 1.

Конкретные расчеты измеряемых величин проводят в СИ.

Описание элементарных частиц, атомов, молекул и физических полей основано на рассмотрении свойств двух физических моделей.

Первая модель – частица в виде материальной точки, не имеющая размеров. Вторая модель – бесконечно протяженная во времени и пространстве плоская монохроматическая волна.

Ввиду простоты этих физических моделей все реальные микрочастицы и поля не описываются единственной моделью. Возникает так называемый «дуализм» волна-частица.

Таблица 1. Открытие атомной структуры вещества

Год открытия	Ученый, годы его жизни	Содержание наблюдения, открытия, закономерности
1661 1662	Роберт Бойль (1627 – 91)	Применение научного метода познания в химии. Сформулировал научное понятие: «химический элемент». Закон Бойля: при постоянной температуре давление газа обратно пропорционально его объему
1771 ... 1777	Джозеф Пристли (1733 – 1804)	Открытие кислорода и десяти газов, в том числе СО и СО2.
1752	М.В. Ломоносов (1711 – 65)	Опровержение флогистонной теории теплоты. Утверждение о молекулярно-кинетической природе теплоты. Установил эакон постоянства массы в химических реакциях.
1774	Антуан Лавуазье (1743 – 94)	Теория горения, как окисления материалов. Введение новой, современной терминологии в химию.
1766... 1781	Генри Кавендиш (1731 – 1810)	Открытие водорода и определение его плотности. Открытие азота. Осуществил электролитическое разложение воды на водород и кислород. До этого воду считали простым веществом.
1801... 1803	Джон Дальтон (1766 – 1844)	Предложил метод измерения атомной массы (веса). Массу атома самого легкого газа – водорода следует принять равной единице, а массы других элементов выражать в этих единицах. Составил первую таблицу атомных весов известных ему простых химических элементов. Установил закон парциальных давлений: давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом равно сумме их парциальных давлений. Установил закон кратных весовых отношений в химических реакциях.
1808	Жозеф Гей-Люссак (1778 – 1850)	Закон объемных отношений: при постоянном давлении и температуре объемы реагирующих друг с другом газов и объем газообразных продуктов реакции относятся как небольшие целые числа. Например, в реакции H2 + Cl2 = 2 HCl отношение объемов газов равно 1: 1: 2. Открыл элемент бор.
1807 ...1829	Гэмфри Дэви (1778 – 1829)	Получил электролизом элементы: калий, натрий, кальций, стронций, барий, магний.
1811	Амедео Авогадро (1776 – 1856)	Предложил молекулярнуя теорию строения вещества. Закон Авогадро: в равных объемах идеальных газов при одинаковых давлениях и температуре содержится одинаковое число частиц (молекул). Другая формулировка закона Авогадро: один моль любого вещества в газообразном состоянии при нормальных уловиях занимает один и тот же объем (22, 4 л). В моле любого вещества содержится постоянное количество молекул, равное числу Авогадро.
1869	Д. И. Менделеев (1834 – 1907)	Установил периодический закон изменения свойств (валентности) химических элементов с ростом их атомной массы. Составил таблицу элементов (таблицу Менделеева), на основе которой предсказал существования ряда новых и уточнил свойства уже известных химических элементов.

КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ

Открытие постоянной Планка

Основная константа квантовой физики постоянная Планка h была введена при решении трех проблем:

1. излучения нагретого тела (абсолютно черного тела).

2. фотоэффекта.

3. стабильности и размеров атома.

В 1900 г. эти проблемы не привлекали внимания большинства физиков.

Фотоэффект – испускание поверхностью металла электронов под действием света, создающих электрический ток (1887 г. Г. Герц).

Рис.1.Условная схема наблюдения фотоэффекта.

Основная константа квантовой физики постоянная Планка h была введена при решении трех проблем:

4. излучения нагретого тела (абсолютно черного тела).

5. фотоэффекта.

6. стабильности и размеров атома.

В 1900 г. эти проблемы не привлекали внимания большинства физиков.

Фотоэффект – испускание поверхностью металла электронов под действием света, создающих электрический ток (1887 г. Г. Герц).

Рис. 2. График из раболы Милликена (Millikaen R.A. Phys. Rev. 7, 355 (1916). Зависимость критического значения задерживающего потенциала от частоты для фоточувствительной поверхности натрия. Измерение угла наклона экспериментальной прямой позволяет определить постоянную Планка.

Тепловое излучение – свечение нагретых тел. Тепловое излучение равновесно: при постоянной температуре распределение энергии между телом и излучением не изменяется.

Рис. 3. Спектры излучения нагретых тел: Солнца, лампы накаливания, люминесцентной лампы.

Рис.4. Модель абсолютно черного тела.

Закон Кирхгофа (1859): Отношение испускательной и поглощательной способности есть универсальная для всех тел функция частоты и температуры. Поглощательная способность абсолютно черного тела равна 1 по определению. Следовательно, равновесное тепловое излучение в замкнутой полости не зависит от природы материала полости – вторая формулировка закона Кирхгофа. Закон Кирхгофа и его следствия хорошо подтверждаются на опыте.