Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Принципиальный вывод, следующий из соотношений неопределенности Гейзенберга:

Нельзя независимо рассматривать корпускулярные и волновые характеристики микрочастиц: они взаимосвязаны.

Одновременное точное определение положения и импульса частицы невозможно.

Этот вывод не согласуется с привычными представлениями классической механики об определенной координате и скорости (импульсе) частицы.

СПЕКТРЫ(уч.11кл.стр.336-339)

(см.выше «Постулаты Бора»)

Спектральный анализ

Линейчатые спектры

Спектр излучения

Спектр поглощения

Применение спектрального анализа

Атомы каждого химического элемента излучают определенные длины волн и имеют линейчатый спектр, характерный именно для этого элемента

Линейчатый спектр – спектр излучения, состоящий из отдельных узких спектральных линий различной интенсивности.

Линейчатые спектры элементов строго индивидуальны.

Определены эталоны и составлены таблицы спектров всех атомов.

Исследование линейчатого спектра позволяет определить, из каких химических элементов состоит изучаемое вещество и в каком количестве в нем содержится каждый элемент.

Спектральный анализ – метод определения химического состава и других характеристик вещества по его спектру.

Спектральный анализ имеет очень высокую чувствительность. Он позволяет определять химический состав удаленных объектов по излучаемому ими свету.

Спектральный анализ можно проводить и по спектру поглощения. Например, солнечная атмосфера избирательно поглощает свет, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.

Атмосфера Земли поглощает коротковолновое ультрафиолетовое (поглощает озоновый слой), рентгеновское, гамма-излучения.

Помимо химического состава, исследование спектров позволяет определить температуру, давление, скорость движения, напряженность электрического поля и индукция магнитного поля объектов.

ДОПОЛНИТЬ

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ(уч.11кл.стр.337-338)

Для излучения фотона атом должен обладать избыточной энергией по сравнению с энергией основного состояния, т.е. атомный электрон должен находиться в возбужденном состоянии.

Переход атома в возбужденное состояние возможен при сообщении ему энергии извне.

Тепловое излучение возникает при тепловых столкновениях атомов.

Кроме теплового излучения возможен еще один вид излучения – люминесценция (лат.luminis – свет)

Люминесцентные явления различаются механизмом возбуждения атомов.

Катодолюминесценция – возникает при бомбардировке атомов электронами

Фотолюминесценция – при облучении вещества видимым светом, рентгеновским или гамма -излучением

Хемилюминесценция – при химических реакциях

Флуоресценция – кратковременная люминесценция, заканчивающаяся через 10-8с после возбуждения

Фосфоресценция – длительная люминесценция

На явлении люминесценции основана работа люминесцентных ламп. Внутренняя поверхность этих ламп покрыта люминофором – веществом, в котором происходит люминесценция ( в лампах – фотолюминесценция, в электронных трубках – катодолюминесценция)

Опыты по фотолюминесценции впервые в России были проведены в 50-х годах ХХ в. С.И.Вавиловым.

ЛАЗЕРЫ(уч.11кл.стр.340-344)

Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения

История создания лазеров

Инверсная населенность

Метастабильное состояние

Принцип действия рубинового лазера

Основные особенности лазерного излучения

Применение лазеров

Рассмотрим возможные процессы взаимодействия атома с фотоном.

Энергия фотона hυ = E2 – E1 (энергии возбужденного и основного состояний атома)

1. Поглощение света

Электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е1, может поглотить фотон, перейдя в возбужденное состояние с энергией Е2 > E1. Интенсивность поглощенного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в основном состоянии

2. Спонтанное излучение

В отсутствие внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10-8-10-7с самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное состояние, излучая фотон.

Спонтанное излучение – излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.

Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

3. Индуцированное излучение

В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света.

Переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением кванта может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода

Такое излучение называют вынужденным или индуцированным.

Индуцированное (вынужденное) излучение – излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в возбужденном состоянии.

У световой волны, возникшей при индуцированном излучении, частота, фаза, поляризация и направление распространения оказываются такими же, как и у волны, падающей на атом.

Это означает, что к первичному фотону, падающему на атом от внешнего источника, добавляется идентичный фотон индуцированного излучения атома. Тем самым увеличивается интенсивность внешнего излучения – возникает оптическое усиление.

В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном , частота которого равна частоте перехода, высока вероятность появления двух одинаковых фотонов с одинаковым направлением и частотой.

В итоге получается результирующая волна с амплитудой большей, чем у падающей.

Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Это свойство положено в основу действия лазеров (оптических квантовых генераторов).

В 1939 г. российский физик В.А.Фабрикант наблюдал экспериментальное усиление электромагнитных волн (оптическое усиление) в результате процесса индуцированного излучения.

Российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров и американский физик Ч.Таунс, создавшие в 1954 г. квантовый генератор излучения, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии.

Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т.Мейманом.

Лазер – Light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения

Лазер – источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения.

Усиление падающего на среду излучения возникает тогда, когда интенсивность индуцированного излучения превысит интенсивность поглощенного излучения.

Это произойдет в случае инверсной населенности, если в возбужденном состоянии находится больше частиц, чем в основном n2 > n1

В состоянии термодинамического равновесия с минимальной энергией усиления не происходит.

Для того, чтобы вещество усиливало проходящий через него свет, необходимо, чтобы более половины его электронов находилось в возбужденном состоянии. Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью уровней.

В этом случае поглощение фотонов будет происходит реже, чем испускание.

Инверсная населенность энергетических уровней – неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.

Состояние, при котором больше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называют состоянием с инверсной населенностью энергетических уровней.

Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с нормальной населенностью энергетических уровней.

Спонтанные переходы являются фактором, препятствующим накоплению атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если возбужденное состояние метастабильно.

Метастабильное состояние – возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться достаточно долго (порядка 10-3с) по сравнению с обычным возбужденным состоянием (10-8с)

Система атомов с инверсной населенностью энергетических уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение.

Принцип действия рубинового лазера (оптического квантового генератора)

Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия Al2O3, в котором часть атомов имеет примеси хрома Cr3+.

С помощью мощного импульса лампы-вспышки («оптической накачки») ионы хрома переводятся из основного E1в возбужденное состояние E3.

Процесс перевода атомов из основного в возбужденное состояние называют накачкой, используемую для этого лампу – лампой накачки.

Через 10-8с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят на метастабильный энергетический уровень E2 < E3, на котором начинают накапливаться.

Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n2 > n1.

Случайный фотон с энергией hυ = E2 – E1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов.

Для работы в режиме генератора нужна положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода подается на вход.

Для этого активная среда, в которой создается инверсная населенность уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.

При соответствующей (параболической) форме отражающего зеркала возможно создать луч в одном направлении.

Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стрежня делают зеркальным, а другой – частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета 694.3 нм.

Основные особенности лазерного излучения:

- исключительная монохроматичность и когерентность

- очень малый угол расхождения (около 10-5 град)

- наиболее мощный искусственный источник света. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Полное высвечивание всех возбужденных атомов происходит за 10-10с, поэтому мощность лазера достигает миллиардов ватт.

Существуют также лазеры на газовых лампах, достоинством которых является непрерывность излучения.

Применение лазеров:

- связь

- точное измерение больших расстояний

- считывание информации

- хирургическая техника

- сварка и резка материалов

- управляемая термоядерная реакция

- топография

- голография

ДОБАВИТЬ ПРО МАЗЕРЫ и ПАЗЕРЫ

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЕ (уч.10кл.стр.227-228, уч.11кл.стр.387-389,406)

Все вещества состоят из движущихся и взаимодействующих между собой атомов и молекул.

Простые вещества состоят из одинаковых атомов, сложные – из атомов различных химических элементов.

Атом – наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

В центре атома находится положительно заряженное ядра, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны.

Главной характеристикой химического элемента является заряд ядра атома.

Z – зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре, совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе химических элементов.

Атом электронейтрален. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов.

Кроме протонов в ядре атома содержаться нейтроны, связанные с протонами сильным взаимодействием.

Общее название протонов и нейтронов, входящих в состав ядра – нуклоны.

Массовое число А равно сумме нуклонов ядра (протонов и нейтронов)

A = Z + N

Изотоп – разновидность одного и того же химического элемента, атом которого содержит одинаковое число протонов в ядре и разное число нейтронов.

Масса атома меньше суммарной массы частиц, входящих в его состав.

Дефект массы – разность суммарной массы отдельных частиц, входящих в состав атома (ядра) и полной массы атома (ядра)

Дефект массы обусловлен выделением энергии при образовании атома.

∆E = ∆mc2

Атомная единица массы (а.е.м.) – средняя масса нуклона в атоме углерода

Атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода

1 а.е.м. = 1,66*10-27 кг

Относительная атомная масса Мr – число атомных единиц массы, содержащихся в массе атома.

ma = Mr *1,66*10-27 кг

Протон – нуклон в заряженном состоянии

Нейтрон – нуклон в нейтральном состоянии

Протон и нейтрон обладают полуцелым спином ћ/2

Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов.

Химические свойства элемента определяются зарядовым числом Z, или числом протонов в ядре.

Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число Z) и разное число нейтронов N.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодействия друг с другом.

Зарядовая симметрия сильного взаимодействия – независимость сил взаимодействия между нуклонами от их электрических зарядов.

Энергетически выгодно парное расположение нуклонов с антипараллельными спинами в одном энергетическом состоянии ядра.

Наиболее стабильными являются четно-четные ядра, состоящие из четного числа протонов и нейтронов, а среди них – «магические ядра», у которых число протонов и нейтронов равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 125

Максимально устойчивостью и потому наибольшей распространенностью в природе обладают дважды магические ядра He, O, Ca, Pb, у которых магическим является

как число протонов так и нейтронов

Радиус ядра зависит от массового числа по закону:

R = r0A1/3 , где r0 = 1.2 нф

Удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон

Радиоактивность – явление самопроизвольного (спонтанного) превращения одних ядер в другие с испусканием различных частиц.

Естественная радиоактивность – радиоактивность, наблюдаемая у неустойчивых изотопов, существующих в природе.

Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных искусственно при ядерных реакциях.

Альфа-распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием альфа-частицы

Бета(минус)- распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием электрона и антинейтрино.

Энергия распада – суммарная кинетическая энергия продуктов распада.

Гамма- излучение – электромагнитное излучение, возникающее при переходе ядер из возбужденного в более низкое энергетическое состояние.

Период полураспада – промежуток времени, за который распадается половина первоначального числа атомов.

Закон радиоактивного распада – закон убывания числа радиоактивных атомов со временем:

N = N0.

где N0 – первоначальное число атомов

Т1/2 – период полураспада – время за которое распадается половина всех атомов, константа для данного изотопа.

Активность радиоактивного распада вещества – число распадов радиоактивных ядер за 1 с.

Единица измерения – Бк (Беккерель)

1 Бк – активность радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит один распад.

A =

Энергетический выход реакции деления – энергия, выделяющаяся при делении одного ядра.

Цепная реакция деления – реакция, при которой число делящихся ядер лавинообразно нарастает.

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуется коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов в данном поколении цепной реакции с их числу в предыдущем поколении:

k =

При k=1 реакция протекает стационарно: число нейтронов сохраняется постоянным.

При k>1 реакция нестационарная: число нейтронов лавинообразно нарастает.

Критическая масса – минимальная масса урана, начиная с которой реакция деления ядер становится самоподдерживающейся.

Самоподдерживающаяся реакция деления ядер возникает, если за время пролете нейтроном среды успевает образовываться новый нейтрон в результате реакции деления.

Ядерный реактор – устройство, в котором выделяется тепловая энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер.

Мощность реактора – количество тепловой энергии, выделяющейся в реакторе в единицу времени.

Термоядерный синтез – реакция, в которой при высокой температуре 107К, из легких ядер синтезируются более тяжелые.

Характер воздействия радиоактивного излучения на живой организм зависит от дозы поглощенного излучения и его вида.

Доза поглощенного излучения – отношение энергии излучения, поглощенного облучаемым телом, к его массе:

D =

Единица измерения – 1 Гр(грэй) = Дж/кг

Коэффициент относительной биологической активности, или коэффициент качества k, характеризует различие биологическое действия различных видов излучения.

Эквивалентная доза поглощенного излучения – произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества:

H = D k

Единица измерения – 1Зв (Зиверт)

Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения, обусловленной естественным радиационным фоном – 2 мЗв в год.

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.

Фундаментальные частицы – бесструктурные элементарные частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

Фермионы – частицы с полуцелым спином: ћ/2, 3ћ/2.

К фермионам относятся электрон, протон, нейтрон, электронное нейтрино.

Бозоны – частицы с целым спином 0, ћ, 2ћ.

К бозонам относятся фотон и π+-мезон

Принцип Паули:

в одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более двух фермионов с противоположными спинами.

Для каждой элементарной частицы должна существовать античастица.

Античастица – элементарная частицы, имеющая с данной частицей равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд.

Аннигиляция – процесс взаимодействия частицы с ее античастицей, в результате которого они превращаются в γ-кванты (фотоны) электромагнитного поля или в другие частицы.

Рождение пары – процесс, обратный аннигиляции

Андроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии

Лептоны – фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии

Закон сохранения лептонного заряда:

сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.

Мезоны – бозоны со спиновым числом S=0,1, участвующие в сильном взаимодействии

Барионы – фермионы со спином S=1/2: 3/2, участвующие в сильном взаимодействии

Гипероны – все барионы за исключением нуклонов (протонов и нейтронов)

Кварки – фундаментальные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.

Кварки являются фермионами и имеют дробный электрический заряд ±2/3е, ±1/3е и дробный барионный заряд ±1/3

Кварки имеют шесть ароматов u, d, s, c, t, b и три цвета – красный, зеленый и синий.

Всего (вместе с антикварками) – 36 кварков.

Все андроны цветонейтральны.

Каждый барион, являясь фермионом, состоит из трех ароматов разного цвета.

Мезоны, являясь бозонами, состоят из кварка и антикварка любого аромата и противоположного цвета.

Окружающий мир состоит из 48 фундаментальных частиц – фермионов (36 кварков и 12 лептонов)

Закон сохранения барионного заряда:

во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется.