I. Испускание и поглощение электромагнитных волн веществом.
ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
I. Испускание и поглощение электромагнитных волн веществом.
Видимый свет - электромагнитное излучение в пределах длин волн от 740 до 400нм, воспринимаемое человеческим глазом.
Инфракрасное излучение - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 1-2 мм до 0,74мкм.
Ультрафиолетовое излучение - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 400 до 10нм.
Рентгеновские лучи - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 10-5до 102 нм. Проникают через некоторые непрозрачные для видимого света вещества. Испускаются при торможении быстрых электронов в веществе. Дают интерференционную картину при рассеянии на кристаллической решетке - рентгеноструктурный анализ.
g-излучение - коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,1нм, возникающее, например, при распаде радиоактивных ядер.
Монохроматические волны - волны, имеющие одинаковую частоту.
Спектр - совокупность монохроматических волн, на которые можно разложить данную волну.
Спектральная плотность излучения - характеристика спектра излучения, равная отношению интенсивности (плотности потока) излучения в узком частотном интервале к величине этого интервала.
[Вт м-2 с]
I.1 Тепловое излучение.
Излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие их теплового движения, называется тепловым излучением.
Накаленные твердые и жидкие тела и газы при большом давлении испускают свет, разложение которого дает непрерывный спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят один в другой.
Для абсолютно черного тела (идеальный объект, поглощающий все падающее на него излучение) из опыта известно:
-спектральная плотность интенсивности излучения имеет максимум при определенной частоте
- энергия излучения, приходящаяся на очень большие и очень малые частоты, ничтожно мала
- при повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону больших частот
Ультрафиолетовая катастрофа - несоответствие теоретической зависимости спектральной плотности излучения черного тела от частоты, полученной на основании классических представлений, экспериментальным данным в области высоких частот (ультрафиолет).
Формула Планка. Теоретическая зависимость спектральной плотности излучения черного тела от частоты, совпадающая с экспериментальными данными, получена Максом Планком на основе чуждого классической физике предположения, что атомы излучают энергию только определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте излучения.
E = hn , где h = 6,62´10-34 Дж ´ с - коэффициент пропорциональности, постоянная Планка, E - энергия излучения, n - частота излучения.
I.3 Излучение возбужденных молекул разреженных газов или паров
Спектр молекулы состоит из большого числа отдельных линий, сливающихся в полосы, четкие с одного края и размытые с другого. Такие спектры называют полосатыми спектрами.
I.4 Люминесценция
Люминесценция представляет собой излучение света телами, избыточное над их тепловым излучением. Люминесценция вызывается переходом излучающих частиц в возбужденное состояние под действием освещения тела (фотолюминесценция), вследствие бомбардировки электронами (катодолюминесценция), при пропускании тока (электролюминесценция), при химических реакциях (хемилюминесценция).
* Флуоресценция - вид люминесценции, прекращающийся почти сразу вслед за прекращением действия фактора, возбуждающего атомы или молекулы вещества.
* Фосфоресценция - вид люминесценции, сохраняющейся значительное время после прекращения возбуждения свечения.
I.5 Фотоэффект
Фотоэффект - вырывание электронов из вещества под действием света.
Законы фотоэффекта.
1. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (Emax = 
) линейно возрастает с частотой света (n ) и не зависит от его интенсивности. При частоте света ниже определенной для данного вещества минимальной величины (nкр) фотоэффект не происходит.
Второй закон необъясним на основе классических представлений.
ß
Теория фотоэффекта (Эйнштейн).
Свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями (Такие порции называют квантами света или фотонами). Энергия E каждой порции излучения в соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:
E = hn , где h = 6,62´10-34 Дж ´ с - коэффициент пропорциональности, постоянная Планка
Применяя закон сохранения энергии для фотоэлектрона получаем формулу Эйнштейна:
hn = Aвых + Þ nкр = Aвых / h
где Aвых - работа, которую надо совершить для извлечения электрона из металла (работа выхода электрона).
I.6 Давление света
Классическая теория: Если на поверхность тела нормально к ней падает электромагнитная волна, то наличие электрического поля приводит к смещению заряженных частиц вещества. На движущиеся заряды со стороны магнитного поля приходящей волны оказывают действие силы Лоренца.
Квантовая теория: Свет - поток фотонов. Каждый фотон обладает:
- энергией E = hn
- импульсом p = h / l
- массой m = (hn) / c2
При поглощении фотонов макроскопическим телом изменяется их импульс Þ изменяется импульс тела Þ на тело действует сила.
II. Атомная физика
II.3 Модель атома Бора
Для исправления недостатков планетарной модели Бор предложил теорию атома водорода, основанную на следующих постулатах:
1. Электрон обращается вокруг протона в атоме водорода, совершая равномерное движение по круговой орбите под действием кулоновской силы и в соответствии с законами Ньютона.
* 2. Из всех возможных орбит являются разрешенными только те, для которых момент импульса электрона равен целому числу, умноженному на h / (2p), т.е.
, n = 1, 2, 3, ...
где h - постоянная Планка
3. При движении электрона по разрешенной орбите атом не излучает энергию.
4. При переходе электрона с одной орбиты с энергией Еi на другую орбиту с энергией Еj(Еi>Еj) излучается фотон с частотой
5. При поглощении фотона электрон переходит с орбиты с меньшей энергией на орбиту с большей энергией.
Планк “квантует” энергию излучателей, Эйнштейн - излучаемый свет. Бор соединил оба эти представления: представление о световом кванте заключено в боровском условии частот, планковское представление о квантовых состояниях излучателя - в квантовых условиях для стационарных орбит электронов в атоме.
II.3а Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
Лазер (оптический квантовый генератор, ОКГ) - источник оптического когерентного излучения, действие которого основано на усилении света в результате индуцированного излучения атомов. Излучение лазера характеризуется высокой направленностью и большой плотностью энергии.
Индуцированное излучение - процесс испускания электро-магнитных волн возбужденными атомами под действием вынуждающего излучения. Частота, фаза, поляризация н направление испускаемого и вынуждающего излучения совпадают.
II.4 Волны де Бройля
Гипотеза де Бройля:
Если световые волны имеют корпускулярную природу, то и частицы (например, электрон) должны проявлять волновые свойства:
Если для фотона Е = hn = mc2 = pc Þ p = h / l, то и любой частице можно поставить в соответствие волновой процесс с частотой n = Е / h и длиной волны l = h / p.
* II.5 Матричная механика Гейзенберга
Характерной особенностью величин, играющих главную роль в теории строения атома, является их попарная связь между собой и невозможность одновременного точного указания обеих, связанных таким образом величин. Математические правила, с помощью которых можно производить выкладки с такого рода величинами составляют содержание матричной механики.
* II.6 Волновая механика Шредингера
Путем обобщения идей де Бройля можно построить системы стоячих волн, амплитуды которых вполне правильно изображают вероятность нахождения электрона в различных точках вблизи ядра. Таким путем может быть построена волновая механика атома, вполне эквивалентная матричной механике Гейзенберга.
ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
I. Испускание и поглощение электромагнитных волн веществом.
Видимый свет - электромагнитное излучение в пределах длин волн от 740 до 400нм, воспринимаемое человеческим глазом.
Инфракрасное излучение - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 1-2 мм до 0,74мкм.
Ультрафиолетовое излучение - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 400 до 10нм.
Рентгеновские лучи - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 10-5до 102 нм. Проникают через некоторые непрозрачные для видимого света вещества. Испускаются при торможении быстрых электронов в веществе. Дают интерференционную картину при рассеянии на кристаллической решетке - рентгеноструктурный анализ.
g-излучение - коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,1нм, возникающее, например, при распаде радиоактивных ядер.
Монохроматические волны - волны, имеющие одинаковую частоту.
Спектр - совокупность монохроматических волн, на которые можно разложить данную волну.
Спектральная плотность излучения - характеристика спектра излучения, равная отношению интенсивности (плотности потока) излучения в узком частотном интервале к величине этого интервала.
[Вт м-2 с]
I.1 Тепловое излучение.
Излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие их теплового движения, называется тепловым излучением.
Накаленные твердые и жидкие тела и газы при большом давлении испускают свет, разложение которого дает непрерывный спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят один в другой.
Для абсолютно черного тела (идеальный объект, поглощающий все падающее на него излучение) из опыта известно:
-спектральная плотность интенсивности излучения имеет максимум при определенной частоте
- энергия излучения, приходящаяся на очень большие и очень малые частоты, ничтожно мала
- при повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону больших частот
Ультрафиолетовая катастрофа - несоответствие теоретической зависимости спектральной плотности излучения черного тела от частоты, полученной на основании классических представлений, экспериментальным данным в области высоких частот (ультрафиолет).
Формула Планка. Теоретическая зависимость спектральной плотности излучения черного тела от частоты, совпадающая с экспериментальными данными, получена Максом Планком на основе чуждого классической физике предположения, что атомы излучают энергию только определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте излучения.
E = hn , где h = 6,62´10-34 Дж ´ с - коэффициент пропорциональности, постоянная Планка, E - энергия излучения, n - частота излучения.