- •§1.Общая характеристика атомов.
- •§2.Законы теплового излучения.
- •§3.Испускание и поглощение излучения по квантовой теории. Вывод формулы Планка по Энштейну., 1916г.
- •§5. Ядерная модель атома. Формула резерфорда.
- •§14. Дифракция рентгеновских лучей (рл) на кристаллической решетке.
- •§15. Формула Вульфа-Брегга.
- •§16. Экспериментальное наблюдение дифракции
- •§17. Корпускулярно волновой дуализм.
- •§18. Эффект Комптона.
- •§19. Волновые свойства частиц.
- •§20. Экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля.
- •§21. Статистическая интерпретация волн де Бройля.
- •§22. Соотношение неопределенностей Гейзенберга 1927г.
- •§23. Постулаты квантовой физики.
- •§24. Принцип суперпозиции квантовых состояний.
- •§25. Примеры движения квантовой частицы в стационарных
- •§26. Момент импульса квантовой теории.
- •§27. Гипотеза Уленбека (Юленбека) и Гаудсмита о спине электрона.
- •§28. Спектр атома водорода.
- •§29. Щелочные металлы.
- •§36. Эффект Зеемана.
- •§37. Неразличимость тождественных квантовых частиц.
- •§ 38. Периодическая система элементов (псэ)
Атомная физика.
Литература:
Савельев Общий курс физики Т.3. Квантовая оптика и атомная физика
Сивухин Общий курс физики Т.5. Ч.1
Шпольский Атомная физика
Матвеев Атомная физика(глубокое изложение)
Добрецов Атомная физика
§1.Общая характеристика атомов.
Атом (греч. неделимый) – частица вещества микроскопической массы и размеров, которая является носителем всех его физических и химических свойств.
Каждому элементу соответствует свой род атомов и все его свойства полностью определяются его строением.
Атомная физика изучает строение атома, как квантовой системы, состоящей из ядра и электронов. Кроме того необходимо добавить энергитические уровни, излучательные и безизлучательные переходы между ними, столкновения атомов, а также их поведение во внешних полях.
Развитие атомной физики.
1863 – создание периодической системы Менделеева (следствием является сложная структура атома)
1897 – открытие электрона Томсоном (е/m)
1919 – открытие протона Резерфордом
1931 – открытие нейтрона Чедвигом
Проблемы физики начала 20 века.
Законы теплового излучения
Закономерности фотоэффекта
Проблема размеров и стабильности атомов
Линейчатые спектры атомов
Поиски решения всех этих проблем в итоге привели к созданию квантовой механики – физики микромира, к которому законы классической физики не применимы.
По современным представлениям атом состоит из тяжелого ядра, обладающего положительным зарядом и окружающих его электронов, имеющих отрицательный заряд и образующих электронную оболочку. Линейные размеры атома определяются размерами его электронной оболочки.
Ион – атом, присоединивший или отдавший электроны.
Атом и соответствующие ионы с одинаковым количеством электронов образуют изоэлектронный ряд. Например:
Каждый элемент этого ряда называется водородоподобным атомом.
Ядро состоит из протонов – частиц с положительным элементарным зарядом и электрически нейтральных нейтронов.
Для большинства химических элементов существуют изотопы – разновидности этих элементов, отличающиеся массовым числом. При этом:
Различие в массах изотопов практически не сказывается на физических и химических свойствах атома. Однако эти отличаи (изотопический эффект) проявляются в случае легких атомов.
|
А |
Z |
Np |
Nn |
H(водород) |
1 |
1 |
1 |
- |
D(дейтерий) |
2 |
1 |
1 |
1 |
T(тритий) |
3 |
1 |
1 |
2 |
Энергия ионизации атома – это работа, затрачиваемая на удаление одного внешнего электрона с электронной оболочки атома, находящегося в основном энергитическом состоянии на бесконечность.
1 ЭВ – внесистемная единица.
Энергия ионизации водорода
§2.Законы теплового излучения.
Вокруг любого тела существуют излучения или ЭМП, возникающие в результате испускания телом ЭМ волн за счет внутренней тепловой энергии тела. С ростом температуры плотность излучения увеличивается. Данное излучение называется тепловым.
Любое тело как излучает, так и поглощает ЭМ волны. В результате этих двух процессов может устанавливаться термодинамическое равновесие. Только в этом случае можно говорить о температуре излучения. Тепловое излучение существует при любой температуре Т > 0 K. Тепловое излучение – единственный вид излучения, который может быть равновесным. Все остальные виды излучения неравновесны, их называют люминесцирующими. Люминесценция происходит при дополнительных по отношению к нагреванию процессах. Фотолюминесценция – возникает при освещении люминофора (вещества, в котором возбуждается люминесценция)
Существует:
- УФ люминесценция
- рентгеновская люминесценция
- катодолюминесценция
- хемилюминесценция
dФ – энергия излучения, испускаемого единицей поверхности тела в единицу времени в единичном интервале частот . Эта величина имеет смысл плотности потока энергии.
Ф(ω,Т) – спектральная испускательная способность тела. Эта функция – различная для различных тел, определяет плотность потока энергии, испускаемой телом, находящемся при температуре Т на частоте ω.
Поглощательная способность тела.
Отношение плотности потока энергии, поглощенной телом к плотности потока энергии, падающей на тело называется поглощательной способностью тела и обозначается
В 1859 году Кирхгоф установил следующий закон:
Отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты и температуры, одинаковой для всех тел.
Представим себе тело с Такое тело называют АЧТ (абсолютно черное тело). Оно поглощает всю энергию, которая на него падает, поэтому:
Простейшая модель АЧТ.
d << D
На опыте было установлено, что испускательная способность абсолютно черного тела ( АЧТ ) имеет следующий вид:
1893г. – Винн предложил общую формулу, согласно которой
- некоторая неизвестная функция отношения частоты к температуре.
–интегральная испускательная способность АЧТ или энергетическая светимость.
- мощность излучения единицы поверхности тела.
Где:
экспериментально установлено, что постоянная Стефана-Больцмана:
Закон Стефана-Больцмана:
Как следствие общей формулы Винна, объясняется закон смещения Винна.
- постоянная Винна.
–длина волны λ для максимума испускательной способности .
Для доказательства рассмотрим производную
(⋆)
1896г. – Винн предложил частную формулу
где α и β - константы
- первый недостаток формулы Винна: α и β - некоторые импирические постоянные.
- второй недостаток формулы Винна: при , Т →⇒- формула Винна не работает при высоких температурах или низких частотах.
1900г. – формула Релея-Джинса:
При T=const :
Ультрафиолетовая катастрофа: формула перестает работать при высоких частотах или низких температурах.
14.12.1900г. Макс Планк предложил для испускательной способности АЧТ:
где
- постоянная Планка
–постоянная планка – это естественная единица измерения момента импульса.
Рассмотрим область высоких частот
Формула Планка переходит в частную формулу Винна:
Рассмотрим область низких частот или высоких температур
Вывод: из формулы Планка можно вывести все законы теплового излучения.
Физическое содержание формулы Планка.
Тела, испускающие тепловое излучение, могут быть представлены в виде осцилляторов, энергия которых испускается порциями (квантами), т.е. энергия испускается не непрерывно, а дискретно.
Энергия кванта
где
В теории теплового излучения пользуются также объемной испускательной способностью АЧТ