- •Введение
- •I. Квантовая природа электромагнитного излучения
- •1. Тепловое излучение
- •1.1. Свойства теплового излучения
- •1.2. Функция Кирхгофа. Абсолютно черное тело
- •1.3. Закон Стефана-Больцмана. Формула Рэлея-Джинса. Закон смещения Вина
- •1.4. Теория Планка
- •2. Квантовые свойства излучения
- •2.1. Фотоэффект
- •Энергия, масса и импульс фотона. Давление света
- •Эффект Комптона
- •II. Основы атомной и молекулярной физики
- •3. Закономерности в атомных спектрах Теория атома Бора
- •4. Элементы квантовой механики
- •4.1. Волновые свойства вещества. Гипотеза де Бройля
- •4.2. Принцип неопределенности Гейзенберга
- •4.3. Волновая функция
- •5. Квантовые уравнения движения
- •5.1. Уравнение Шредингера
- •5.2. Уравнение Шредингера для свободной частицы
- •5.3. Уравнение Шредингера для частицы в силовом поле
- •5.4. Стационарное уравнение Шредингера
- •5.5. Уравнение Шредингера для частицы в потенциальной яме
- •6. Дополнительные приложения квантовой механики
- •6.1. Прохождение частицы через потенциальный барьер. Туннельный эффект
- •6.2. Гармонический осциллятор. Фононы
- •7. Квантово-механическое описание атома водорода
- •7.1. Уравнение Шредингера для атома водорода. Главное квантовое число
- •7.2. Момент импульса атома. Орбитальное и магнитное квантовые числа
- •7.3. Правила отбора. Спектры атомов
- •7.4. Собственный момент электрона
- •8. Физика многоэлектронных систем
- •8.1. Спектры многоэлектронных атомов. Принцип Паули
- •8.2. Эффект Зеемана
- •8.3. Природа химической связи. Виды молекул
- •9. Физические основы лазеров
- •9.1. Спонтанное и вынужденное излучение
- •9.2. Принцип работы и устройство лазеров
- •III. Основы квантовой статистики
- •10. Статистика Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака
- •IV. Зонная теория твердых тел
- •11. Металлы, полупроводники, диэлектрики Образование энергетических зон
- •12. Собственная и примесная проводимость полупроводников
- •12.1. Собственная проводимость
- •12.2. Примесная проводимость
- •12.3. Квантовая теория проводимости металлов
- •12.4. Сверхпроводимость
- •V. Основы ядерной физики
- •13. Характеристики атомного ядра
- •13.1. Состав и характеристики атомных ядер
- •13.2. Модели ядра: капельная и оболочечная
- •13.3. Зависимость удельной энергии связи атомного ядра от числа нуклонов
- •13.3. Ядерные силы
- •13.4. Образование ядер. Дефект масс
- •14. Радиоактивность и ее виды
- •14.1. Закон радиоактивного превращения
- •14.2. Альфа-распад
- •14.3. Бета-распад
- •14.4. Спонтанное деление тяжелых ядер. Гамма-излучение
- •15. Ядерные реакции
- •15.1. Вынужденные ядерные процессы
- •15.2. Реакция деления ядра
- •15.3. Реакция синтеза атомных ядер
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
1.3. Закон Стефана-Больцмана. Формула Рэлея-Джинса. Закон смещения Вина
К 1884 г. Стефан, основываясь на экспериментальных данных, и Больцман из теоретических соображений получили, что энергетическая светимость RTабсолютно черного тела, связанная с испускательной способностью выражением (1.2), подчиняется следующему закону:
(1.11)
где T– абсолютная температура, σ– константа, получившая названиепостоянной Стефана-Больцмана,σ = 5,7·10–8 Вт/(м2·К4).
Если коэффициент поглощения какого-либо тела отличен от единицы, но постоянен для всех длин волн и зависит только от температуры тела, материала и состояния поверхности, то такое тело называют серым. Понятиесерое телоиспользуют как идеализированную модель реальных тел.
Закон Стефана-Больцмана(1.11), выведенный для абсолютно черного тела, для серого тела, обладающего поглощательной способностьюаТ сер, имеет вид:(1.12)
Попытки получить математическую функцию f(ω,Т)или φ(λ,Т), описывающую спектральное распределение энергии излучения тела, долго не приносили результатов, сколько-нибудь согласующихся с экспериментальными данными. Причиной этого был так называемый «классический подход» к решению данной задачи. Все ученые того времени исходили из соображений классической механики и представлений, что излучение – это волна, распространяющаяся непрерывно. Соответственно энергия, переносимая волной, должна иметь непрерывный спектральный состав, то есть, энергия волны – есть непрерывная функция частоты (или длины волны) излучения.
Рис. 1.4. Теоретические кривые спектра теплового излучения и экспериментальные точки
Примером неудачной попытки построить теорию, согласующуюся с опытом, была формула, выведенная Джоном Уильямом Рэлеем и Джинсом. При расчетах они опирались на теорему классической статистики о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Рассматривая излучение как электромагнитную волну, было положено, что на каждое колебание приходится две половинки kT, что привело к формуле:
(1.13)
где k = 1,38·10–23 Дж/K– постоянная Больцмана.
Эта формула удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными (на рис. 1.4. представлены точками) только при больших длинах волн.
В области больших частот (малых длин волн) хорошее согласие дает формула Вина, выведенная им в 1893 г. из общих классических принципов:
(1.14)
где αиβ– постоянные величины, установленные спустя некоторое время. Вильгельм Вин получил эту формулу, рассмотрев адиабатическое (то есть без теплообмена системы с окружающей средой) сжатие излучения черного тела в цилиндрическом сосуде с зеркальными стенками и зеркальным поршнем. Он учел также, что частота излучения меняется при отражении от двигающегося поршня вследствие эффекта Доплера.
Имея вид функции, можно с помощью дифференцирования найти точки экстремумов.
(1.16)
Поскольку λ ≠ ∞, а, то из равенства нулю выражения в скобках получаем:
или(1.17)
Экспериментально найденная константа
Выражение (1.17) известно под названием закон смещения Вина– длина волныλmax, соответствующая максимальному значению функции Кирхгофаφ(λ,Т)черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре. Другими словами положение максимума кривой зависимости от длины волны интенсивности излучения черного тела (рис. 1.3) зависит от его температуры – чем выше температура, тем сильнее максимум смещается в коротковолновую сторону.
Однако ни формула Рэлея-Джинса (1.13), ни формула Вина (1.14) не могли претендовать на истинность. Такое серьезное расхождение теории и эксперимента получило название «ультрафиолетовой катастрофы». Проблема заключалась в том, что согласно формуле Рэлея-Джинса в диапазоне частот от ультрафиолетовых длин волн тело должно испускать огромные потоки энергии и чем меньше длина волны, тем выше должна быть интенсивность излучения. На деле же наблюдается спад поглощательной и испускательной способностей любого тела в области коротких длин волн. Формула была выведена из безупречных термодинамических соображений. Подобный парадокс означал, что фундамент, на котором стояла вся физика, имел серьезный изъян. Для многих физиков это было настоящей «катастрофой», поскольку объяснить такое противоречие они могли только нарушением одного из фундаментальных законов физики – закона сохранения энергии.