 |
Н.И.Ильиных. ФИЗИКА. Часть 3. Элементы атомной и квантовой физики. Элементы физики твердого тела. Элементы ядерной физики.
|
|
|
|
Федеральное агентство связи
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
Уральский технический институт связи и информатики (филиал)
Н. И. Ильиных
ФИЗИКА
Часть 3. Элементы атомной и квантовой физики. Элементы физики твердого тела. Элементы ядерной физики.
Методические указания к самостоятельной работе
для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавра
11. 03. 02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
(профили «Транспортные сети и системы связи»,
“Инфокоммуникационные сети и системы”)
09. 03. 01 Информатика и вычислительная техника
(профиль «Программное обеспечение средств вычислительной техники и автоматизированных систем»)
программа академического бакалавриата
уровень образования на базе – среднего профессионального образования
форма обучения – заочная
Екатеринбург,
ББК 22. 3
УДК 53
Рецензент: доцент кафедры общей физики и естествознания УрГПУ, к. ф. -м. н Сабирзянов А. А.
Ильиных Н. И.
Физика. Часть 3. Элементы атомной и квантовой физики. Элементы физики твердого тела. Элементы ядерной физики: Методические указания к самостоятельной работе /Н. И. Ильиных. – Екатеринбург: УрТИСИ СибГУТИ, 2020. - 77 с.
Методические указания предназначены для студентов заочной формы обучения, изучающих дисциплину «Физика» и содержат теоретические сведения, необходимые для решения задач, примеры решения задач, список необходимой литературы.
Рекомендовано НМС УрТИСИ СибГУТИ в качестве методических указаний по выполнению самостоятельной работы для студентов заочной формы обучения для направлений подготовки 11. 03. 02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профили «Транспортные сети и системы связи», “Инфокоммуникационные сети и системы”), 09. 03. 01 Информатика и вычислительная техника (профиль «Программное обеспечение средств вычислительной техники и автоматизированных систем»), программа академического бакалавриата.
|
|
|
ББК 22. 3
УДК 53
Кафедра высшей математики и физики
ã УрТИСИ СибГУТИ, 2020
СОДЕРЖАНИЕ
| Пояснительная записка | |
| Тема 1 «Квантовая природа излучения. Фотоны. Давление света» | |
| Тема 2 «Внешний фотоэффект. Эффект Комптона» | |
| Тема 3 «Планетарная модель атома. Строение атома водорода по Бору. Спектры излучения атомов» | |
| Тема 4 «Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Волны де Бройля. Соотношение неопределенностей». | |
| Тема 5 «Волновая функция. Уравнение Шредингера. Движение заряженных частиц в потенциальной «яме» с бесконечно высокими «стенками». Туннельный эффект». | |
| Тема 6 «Строение атома водорода в квантовой механике. Принцип запрета Паули. Многоэлектронные атомы» | |
| Тема 7 «Элементы квантовой статистики. Зонная структура твердых тел. Электропроводность полупроводников. Контактные явления» | |
| Тема 8 «Закон радиоактивного распада. Ядерные реакции. Фундаментальные взаимодействия. Элементарные частицы» | |
| Список литературы |
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Цель данного учебного пособия - оказать помощь студенту в закреплении теоретических знаний курса «Физика» и приобретении необходимых навыков решения задач, необходимых при выполнении домашних и контрольных работ.
Пособие содержит краткое изложение основных положений и тем курса, примеры решения наиболее типичных задач, список рекомендованной литературы.
|
|
|
Рекомендовано НМС УрТИСИ СибГУТИ в качестве методических указаний по выполнению самостоятельной работы для студентов заочной формы обучения для направлений подготовки 11. 03. 02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профили «Транспортные сети и системы связи», “Инфокоммуникационные сети и системы”), 09. 03. 01 Информатика и вычислительная техника (профиль «Программное обеспечение средств вычислительной техники и автоматизированных систем»), программа академического бакалавриата.
Тема 1: «Квантовая природа излучения. Фотоны. Давление света».
Краткая теория
Тепловое излучение – излучение электромагнитных волн, происходящее за счет внутренней энергии тел, т. е. энергии теплового движения атомов и молекул. Все остальные виды излучения называются люминесценцией. В тепловом излучении участвуют все тела в природе, оно происходит при любых температурах. В отличие от других видов излучения, тепловое излучение является равновесным, т. к. испускание фотонов атомами или молекулами происходит в условиях термодинамического равновесия в среде. При изменении температуры среды меняется интенсивность излучения.
Характеристики теплового излучения:
Энергетическая светимость 
- СФВ, численно равная энергии, излучаемой единицей площади поверхности тела за единицу времени по всем направлениям
, (1. 1)
где 
- энергия, излученная телом, 
- площадь поверхности тела, 
- время излучения.
Спектральная излучательная (испускательная) способность 
(спектральная плотность энергетической светимости) - СФВ, характеризующая распределение излучаемой энергии по длинам волн. С энергетической светимостью эта величина связана соотношением
. (1. 2)
Спектральная поглощательная способность (коэффициент поглощения) 
- СФВ, характеризующая распределение поглощенной энергии по длинам волн
, (1. 3)
где 
- падающая на тело энергия, 
- поглощенная энергия. По значению спектральной поглощательной способности различают следующие модели:
|
|
|
1) абсолютно черное тело (АЧТ) – тело, которое поглощает всю падающую на него энергию ( 
1);
2) абсолютно белое тело –– тело, которое полностью отражает всю падающую энергию ( 
0);
3) серое тело – тело, у которого коэффициент поглощения остается постоянным, но меньшим 1, в широком интервале температур и длин волн ( 
).
Для тел, участвующих в тепловом излучении, справедлив закон Кирхгофа: отношение спектральной излучательной способности к спектральной поглощательной способности есть универсальная функция, единая для всех тел
. (1. 4)
|
|
|
| Рис. 1. 1. Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны |
Явный вид универсальной функции Кирхгофа можно установить, если изучить спектральную излучательную способность АЧТ. Экспериментально полученная зависимость
представлена на рис. 1. 1.
Законы излучения АЧТ:
Закон Стефана-Больцмана устанавливает связь между интегральной энергетической светимостью абсолютно черного тела и его температурой: энергетическая светимость АЧТ пропорциональна его термодинамической температуре 
в четвертой степени:
, (1. 5)
где 
- постоянная Стефана-Больцмана.
Закон смещения Вина: Длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости ЧТ, обратно пропорциональна его термодинамической температуре:
, (1. 6)
где 
- постоянная Вина.
Классическая физика оказалась не в состоянии объяснить закономерности теплового излучения. Это было сделано М. Планком, который предположил, что свет излучается порциями – квантами. Гипотеза Планка положила начало развитию квантовой физики.
Фотон ‑ квант электромагнитного излучения, обладающий энергией, импульсом и гравитационной массой.
Энергия кванта света (фотона) определяется его частотой n:
, (1. 7)
|
|
|
где 
- постоянная Планка, 
‑ частота колебания векторов напряженности 
и 
электромагнитного поля излучения; 
- длина волны; 
- циклическая частота колебаний. В расчетах часто пользуются усеченной постоянной Планка
. (1. 8)
Масса фотона
, (1. 9)
где с = 3∙ 108 м/c - скорость света в вакууме; l — длина волны фотона,
Импульс 
фотона в вакууме:
, 
, (1. 10)
где 
- волновой вектор, 
.
Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности N фотонов в течение 1 с:
Р = Nhn/c. (1. 11)
Если в единицу времени на единицу площади поверхности падает N фотонов, то от поверхности отразится rN фотонов, а поглотится (1 - r)N фотонов (r - коэффициент отражения). Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс Р = hn/c, а каждый отраженный фотон – импульс 2Р = 2hn/c. Поэтому общее давление равно:
Р = Nhn/c (r + 1), (1. 12)
где Nhn = Ее – это энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности за единицу времени, то есть, энергетическая освещенность поверхности. Следовательно, давление света равно:
Р = Ее/c (r + 1) = w(r + 1), (1. 13)
где w = Ee/c – объемная плотность энергии излучения.
|
|
|
