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 400 нм, воспринимаемое человеческим глазом.

Инфракрасное излучение - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 1-2 мм до 0,74 мкм.

Ультрафиолетовое излучение - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 400 до 10 нм.

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 0,1 нм, 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 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (E _max = ) линейно возрастает с частотой света (n) и не зависит от его интенсивности. При частоте света ниже определенной для данного вещества минимальной величины (n _кр) 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 = A_вых + Þ n _кр = A _вых / h

где A _вых - 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) / c ²

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 Е _i на другую орбиту с энергией Е _j(Е _i> Е _j) 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 (L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation)

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 = mc ² = 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 400 нм, воспринимаемое человеческим глазом.

Инфракрасное излучение - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 1-2 мм до 0,74 мкм.

Ультрафиолетовое излучение - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 400 до 10 нм.

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 0,1 нм, 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.