Элементы квантовой электроники
Ф И З И К А
Учебно-методическое пособие
для студентов МИДО
ОПТИКА, АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА.
Контрольные задания и учебные материалы
Минск 2009
УДК 530.1(075.8)
ББК 22.3я7
К 88
Кужир П.Г.
К88 Физика: Учебно-методическое пособие для студентов МИДО.
Оптика, атомная и ядерная физика: Контрольные задания и учебные материалы / П.Г.Кужир.– М.:БНТУ, 2009.
Учебно-методическое пособие содержит учебные материалы и контрольные задания по оптике, атомной и ядерной физике. Приведена рабочая программа по соответствующим разделам физики, сформулированы методические требования, предъявляемые к выполнению и оформлению контрольных работ.
УДК 530.1(075.8)
ББК 22.3я7
Предисловие
Данное учебно-методическое пособие ставит своей целью оказать помощь студентам, обучающимся по дистанционной форме образования, в изучении физики. Знание законов физики предполагает не только умение формулировать законы, но и применять их при решении задач. Как правило, решение задач вызывает наибольшие затруднения у студентов. В соответствии с этим учебный материал представлен таким образом, чтобы студенты самостоятельно смогли решать задачи своего варианта.
Вначале помещена рабочая программа по разделам оптика, атомная и ядерная физика. Сформулированы методические указания по выполнению контрольных работ и правила округления чисел. По всем разделам программы приведены основные формулы и законы, необходимые при решении задач, а также примеры решения задач.
Задачи для контрольных работ состоят из десяти вариантов, в каждом варианте восемь задач. Выбор варианта студент осуществляет по таблице. Задачи подобраны так, чтобы способствовать более глубокому пониманию основных законов физики, предусмотренных программой и способствовать развитию логического мышления.
Рабочая программа курса физики
Оптика и атомная физика
Волновая оптика
Интерференция света. Когерентность световых волн. Степень монохроматичности световых волн. Время и длина когерентности. Радиус пространственной когерентности. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Оптическая длина пути. Интерференция света в тонких пленках. Интерференция многих волн. Интерферометры. Применение интерференции.
Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на одной и на многих щелях. Дифракционная решетка и спектральное разложение. Разрешающая способность оптических и спектральных приборов. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брэггов. Исследование структуры кристаллов. Понятие о голографии. Применение голографии.
Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Поляризация света при отражении от диэлектрика. Закон Брюстера. Изотропные и анизотропные среды. Оптическая анизотропия. Двойное лучепреломление. Одноосные кристаллы. Поляроиды и поляризационные призмы. Вращение плоскости поляризации. Оптическая активность. Интерференция поляризованного света. Применение поляризованного света. Возникновение искусственной анизотропии под действием механических напряжений. Явление фотоупругости. Электрооптические и магнитооптические явления.
Поглощение света. Закон Бугера. Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсии. Групповая скорость. Электронная теория дисперсии света. Рассеяние света. Излучение Вавилова-Черенкова. Эффект Доплера. Понятие о нелинейной оптике.
Квантовая природа излучения
Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Законы излучения абсолютно черного тела: закон Стефана-Больцмана, законы Вина. Противоречия классической физики. Квантовая гипотеза и формула Планка. Оптическая пирометрия.
Внешний фотоэффект и его законы. Энергия и импульс световых квантов. Формула Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Многофотонный фотоэффект.
Давление света. Опыты Лебедева. Квантовое и волновое объяснения давления света.
Эффект Комптона. Аннигиляция электронно-позитронной пары.
Экспериментальное обоснование основных идей квантовой механики
Линейчатые спектры атомов. Правило частот Бора. Принцип соответствия. Опыт Франка и Герца. Опыт Штерна и Герлаха. Эффект Зеемана. Эффект Штарка.
Атомы
Стационарное уравнение Шредингера для атома водорода. Водородоподобные атомы. Энергетические уровни. Главное, орбитальное и магнитное квантовые числа. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Спектры водородоподобных атомов. Пространственное распределение плотности вероятности для электрона в атоме водорода. Мезоатомы. Ширина уровней. Принцип Паули. Структура энергетических уровней в многоэлектронных атомах. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева.
Молекулы
Молекула водорода. Физическая природа химической связи. Обменное взаимодействие. Ионная и ковалентная связи. Электронные, колебательные и вращательные состояния многоатомных молекул. Молекулярные спектры. Спектральный анализ. Люминисценция. Комбинационное рассеяние света. Понятие о парамагнитном резонансе.
Элементы квантовой электроники
Квантовая теория излучения. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение фотонов. Коэффициенты Эйнштейна для переходов в двухуровневой системе. Принцип работы лазера. Свойства лазерного излучения. Различные типы лазеров. Применение лазеров.
Элементы физики ядра
Строение атомного ядра. Модели ядра. Природа ядерных сил. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. a -, b - и g - излучение атомных ядер. Взаимодействие радиационного излучения с веществом. Физические характеристики ионизирующих излучений. Биологическое действие ионизирующих излучений.
Ядерные реакции. Реакция ядерного деления. Цепная реакция деления ядер. Ядерный реактор. Идея бридерного ядерного реактора. Проблема источников энергии. Термоядерный синтез легких ядер. Энергия звезд. Проблема управляемого термоядерного синтеза.