Элементы квантовой электроники
Коэффициенты Эйнштейна для индуцированных переходов в двухуровневой системе. Принцип работы квантового генератора. Твердотельные и газоразрядные лазеры. Радиоспектроскопия. Первый мазер. Метод трех уровней. Открытый резонатор. Первые лазеры.
Элементы квантовой статистики
Статистическое описание квантовой системы, различие между квантовомеханической и статистической вероятностями. Теорема Нернста и ее следствия. Симметрия волновой функции многих одинаковых частиц. Квантовые идеальные газы; распределения Бозе и Ферми.
Конденсированное состояние
Строение кристаллов. Исследование кристаллических структур методами рентгено-, электроно-, нейтронографии. Точечные дефекты в кристаллах: вакансии, примеси внедрения, примеси замещения. Краевые и винтовые дислокации. Дислокация и пластичность.
Акустические и оптические колебания кристаллической решетки. Экспериментальное исследование колебательного спектра: звук, поглощение инфракрасного излучения в ионных кристаллах, комбинационное рассеяние, неупругое рассеяние нейтронов.
Понятие о фононах. Теплоемкость кристаллов при низких и высоких температурах. Решеточная теплопроводность. О квазиимпульсе фонона. Процессы переброса. Размерный эффект в теплопроводности кристаллов. Эффект Мессбауэра и его применение.
Электропроводность металлов. Носители тока в металлах. Недостаточность классической электронной теории. Электронный ферми-газ в металле. Носители тока как квазичастицы. Электронная теплоемкость. Элементы зонной теории кристаллов. Зонная структура энергетического спектра электронов. Уровень Ферми. Поверхность Ферми. Число электронных состояний в зоне. Заполнение зон; металлы, диэлектрики, полупроводники. Понятие дырочной проводимости. Собственные и примесные полупроводники.
Явление сверхпроводимости. Термодинамика сверхпроводников. Куперовское спаривание как необходимое условие сверхпроводимости. Кулоновское отталкивание и фононное притяжение. Поверхностная энергия на границе между нормальной и сверхпроводящей фазами. Сверхпроводники первого и второго рода. Роль примесей. Высокотемпературная сверхпроводимость. Захват и квантование магнитного потока. Туннельный контакт. Эффект Джозефсона и его применение.
Магнетики. Пара-, диа-, ферро- и антиферромагнетики. Теория ферромагнетизма. Обменное происхождение молекулярного поля. Доменная структура. Техническая кривая намагничивания. Теория молекулярного поля антиферромагнетиков Ферриты.
Жидкие кристаллы
Тыпы жидких кристаллов: нематики, холестирки, смектики. Примеры жидких кристаллов. Фазовые диаграммы. Упругие свойства нематиков. Поведение в электрическом и магнитном полях.
Вещество в экстремальных условиях
Вещество при сверхвысоких температурах и сверхвысоких плотностях. Металлический водород. Уравнение состояния вещества при больших плотностях. Карликовые белые звезды. Нейтронное состояние вещества. Пульсары. Вещество в сверхсильных электромагнитных полях.
СОВРЕМЕТННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
Вещество и поле. Атомно-молекулярное строение вещества. Атомное ядро. Кварки. Элементарные частицы, лептоны, адроны. Взаимопревращения частиц. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия. Иерархии взаимодействий. О единых теориях материи. Физическая картина мира как философская категория.
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОКАЛЬКУЛЯТОРА
ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ
Важнейшим средством совершенного научного исследования является математическое моделирование физических явлений и исследование этих моделей с помощью ЭВМ. Совершенные ЭВМ позволяют проводить сложнейшие расчеты. В некоторых областях науки, например астрофизике, проведение реальных экспериментов практически невозможно, поэтому исследователями проводится вычислительный эксперимент. ЭВМ нужны не только для проведения машинного эксперимента, но и для обработки результатов реальных экспериментов. Совершенный физический эксперимент часто дает столько информации, что обработать ее без ЭВМ практически невозможно.
Для решения любой задачи необходим алгоритм. Под алгоритмом понимают понятное и точное предписание ЭВМ совершать последовательность действий для достижения указанной цели или решения конкретной задачи. Всякий алгоритм строится в расчете на конкретного исполнителя. Таким исполнителем для проведения инженерных и студенческих расчетов различного вида заданий являются микрокалькуляторы семейства «Электроника». Это электронно-вычислительное устройство миниатюрных размеров индивидуального пользования. Оно может быть успешно использовано при решении задач, предлагаемых в контрольных работах. Выполняя вычисления с помощью микрокалькулятора, вы экономите время, освобождая его для изучения теоретических основ курса физики.
Прежде чем пользоваться микрокалькулятором, внимательно ознакомьтесь с руководством по эксплуатации:
— изучите общие сведения об устройстве;
— ознакомьтесь с правилами подготовки его к работе.
Рассмотрим решение следующих задач с применением микрокалькулятора.
1. Вычислить эффективный диаметр молекул азота, если его критическая температура 126 К, критическое давление 3,40 МПа.
Дано: Ткр = 126 К; ркр = 3,40 · 106 Па.
Найти: d.
Решение. Азот, согласно условию задачи, должен подчиняться уравнению Ван-дер-Ваальса:
Постоянную b в уравнении Ван-дер-Ваальса с достаточной степенью точности считают равной учетверенному собственному объему 1 моль газа. В 1 моль газа находится 6,02 · 1023 молекул (NА = 6,02 · 1023 моль), следовательно, объем одной молекулы равен πd3/6 = b/(4NА), откуда . Постоянная b = RTкр/(8pкр), тогда
Вычисляем на калькуляторе выражение
по программе
3 × 126 × 8,31 ÷ 16 ÷ 3,14 ÷ 3,40 ВП 6 ÷ 6,02 ВП 23 F 3 =
Показания индикатора:3,126 – 10, т.е. 3,126 · 10-10.
Так как данное выражение состоит только из произведения и частного, то, согласно правилам округления, его надо округлить до такого числа значащих цифр, которое имеет наименьшее точное исходное данное.
Ответ: 3,13 · 10-10 м.
2.Определить сколько ядер в 1 г радиоактивного 9038Sr распадается в течение одного года.
Дано:m = 10-3 кг; T = 27 лет; t = 1 год.
Найти: N.
Решение. Для определения числа атомов, содержащихся в 1 г 9038Sr, используем соотношение
, (1)
где NА – постоянная Авогадро; ν – число молей, содержащихся в массе данного элемента; М – молярная масса изотопа. Между молярной массой изотопа и его относительной массой существует соотношение
М = 10-3 А кг/моль. (2)
Для всякого изотопа относительная атомная масса весьма близка к его массовому числу А, т.е. для данного случая М = 10-3 ·90 кг/моль = 9 ·10-2 кг/моль.
Используя закон радиоактивного распада
N = N0exp(-λt), (3)
где N0 – начальное число нераспавшихся ядер в момент t = 0; N – число нераспавшихся ядер в момент t; λ – постоянная радиоактивного распада, определим количество распавшихся ядер 9038Sr в течение 1 года:
N’ = N0 – N = N0[1 – exp (-λt)]. (4)
Учитывая, что постоянная радиоактивного распада связана с периодом полураспада соотношением λ = ln2/T, получаем
(5)
Подставляя (1) с учетом (2) в выражение (5), имеем
(6)
Произведя вычисления по формуле (6), найдем
Вычислим на калькуляторе выражение
по программе
2 ln × 1 ÷ 27 = /–/ F ex х→П 1 – П→х = × 6,02 ВП 23 × 1 ВП 3 /–/ ÷ 1 ВП 3 /–/ ÷ 90 =
Показания индикатора: 1,69532 20, т.е. 1,69532 · 1020.
Ответ: 1,70 · 1020.