Художественная культура и искусство Курс лекций по истории искусства Теория машин и механизмов Математический анализ Электротехника и электроника Расчеты электрических цепей Начертательная геометрия Примеры выполнения заданий
контрольной работы
Лекции и задачи по физике Компьютерная  безопасность Информационные системы Получение электрической энергии Атомная физика
Молекулярная физика и термодинамика Элементы квантовой статистики Электрические свойства кристаллов Элементы ядерной физики Атомная физика Закон радиоактивного распада Примеры решения задач физика

ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ

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 10-5 до 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.2 Излучение возбужденных атомов разреженных газов или паров

Возбужденные атомы разреженных газов или паров испускают свет, разложение которого дает линейчатый спектр, состоящий из отдельных цветных линий. Каждый химический элемент имеет характерный для него линейчатый спектр - основу спектрального анализа (определение качественного и количественного состава вещества по спектру его паров).

Если белый свет от источника, дающего сплошной спектр, пропускается через пары исследуемого вещества и затем разлагается в спектр, то на фоне сплошного спектра наблюдаются темные линии поглощения (фраунгоферовы линии) в тех же самых местах, где лежали бы линии спектра испускания паров исследуемого элемента. Такой спектр называют спектром поглощения.


Расположение линий в линейчатых спектрах подчинено определенным, эмпирически выявленным закономерностям:

* Комбинационный принцип Ритца.

Частоту любой спектральной линии данного атома можно получить комбинацией (сложением или вычитанием) двух или более частот других спектральных линий этого же атома.

* Терм. Система спектральных линий каждого атома может быть сведена к системе атомных постоянных, так называемых спектральных термов, так что каждая спектральная линия представляет собой разность двух термов. Правильно построенная эмпирическая система термов одновременно изображает собой и энергетическую систему атома с точностью до произвольной постоянной (см. Модель атома Бора).

* Обобщенная бальмеровская формула (сериальные законы).

, где R - постоянная Ридберга, n1 и n2 - положительные целые числа, .

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.

I.7 Химическое действие света

Фотохимическая реакция - реакция, возбуждаемая действием света. Важнейший природный фотохимический процесс - фотосинтез. Основная область практического использования - фотография.

Маховое колесо, момент инерции которого J = 245 кг·м2, вращается с частотой n=20 об/с. Через время t = 1 мин после того, как на колесо перестал действовать момент сил М, оно остановилось. Найти момент сил трения Мтр и число оборотов N, которое сделало колесо до полной остановки после прекращения действия сил. Колесо считать однородным диском. Ответ: 513 Н·м; 600.
Лекции и задачи по физике