- •Часть 4. Оптика. Квантовая физика а.В. Петров, а.А. Петров
- •Программа курса Лекционный курс
- •Тематика практических занятий
- •Основные формулы по геометрической и волновой оптике
- •Глава I. Оптика
- •§1. Развитие представлений о природе света
- •§2. Отражение и преломление света
- •§3. Волновые свойства света
- •§4. Оптические приборы
- •Глава II. Оптика в таблицах и схемах
- •§2. Элементы волновой оптики
- •Для любознательных
- •Глава III. Квантовая физика
- •§1. Зарождение квантовой теории
- •Для любознательных фотоны
- •§2. Открытие фотоэффекта
- •Глава IV. Атомная физика
- •§1. Модели атома Томсона и Резерфорда
- •§2. Спектр атома водорода по Бору
- •Глава V. Физика атомного ядра
- •§1. Состав атомного ядра
- •Свойства ядерных сил
- •§2. Дефект массы, энергия связи и устойчивость атомных ядер
- •§3. Радиоактивность
- •§4. Закон радиоактивного распада
- •Глава VI. Элементарные частицы
- •Глава VII. Квантовая физика в таблицах и схемах
- •Свойства фотонов
- •Для любознательных
- •Эвристические задачи
- •Задачи к контрольной работе по оптике и квантовой физике
- •Вопросы к экзамену по оптике и квантовой физике
- •Геометрическая оптика. Законы отражения и преломления света. Полное отражение. Рассмотрение законов преломления и отражения с позиции принципа Гюйгенса. План ответа
- •Волновые свойства света. Интерференция света. Дифракция света. Поляризация света. Дисперсия света. План ответа
- •Протонно-нейтронная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра. Свойства ядерных сил. Дефект массы, энергия связи и устойчивость атомных ядер. План ответа
- •Радиоактивность. Законы смещения. Закон радиоактивного распада. План ответа
- •Систематика элементарных частиц. Основные свойства элементарных частиц. Лептоны и адроны (мезоны, барионы). Типы взаимодействия в природе. План ответа
- •Рекомендуемая литература
- •Содержание
- •Контрольные работы
Глава II. Оптика в таблицах и схемах
§2. Элементы волновой оптики
Для любознательных
На рисунке 18 показано, как происходит интерференция волн, имеющих равные амплитуды.
Рис.18
Если разность хода равна нечетному числу полуволн (а), то амплитуды А1, А2 имеют разные знаки, результирующая амплитуда А = 0 и происходит гашение волн. Если разность хода равна четному числу полуволн (б), то амплитуды А1, А2 имеют одинаковые знаки, А = А1 + А2 и происходит усиление света. Известно, что излучение светящегося тела складывается из волн, испускаемых отдельными атомами. Продолжительность излучения отдельного атома составляет 10-8 с. За это время в вакууме образуется цуг волн(последовательность горбов—впадин) протяженностью около 3 м, т. е.
= ct=310 8м/с10-8с = 3м
Поскольку тело одновременно излучает большое количество атомов, возбуждаемые ими цуги волн, накладываясь друг на друга, претерпевают случайные скачкообразные изменения, т. е. они не являются когерентными и устойчивой картины интерференции не наблюдается.
Для получения когерентных световых пучков применяют различные. искусственные приемы. Физическая сущность всех приборов (зеркала Френеля, бипризмы Френеля, щели Юнга и т. д.) для наблюдения интерференции света одна и та же: свет от одного источника идет к экрану двумя различными путями.
Схема наблюдения интерференции света с помощью бипризмы Френеля изображена на рисунке 19. Бипризма Френеля состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с малыми преломляющими углами. Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых источников S1 и S2, являющихся когерентными. Таким образом, на поверхности экрана (в заштрихованной области) происходит наложение когерентных пучков и наблюдается интерференция.
Рис. 19
Глава III. Квантовая физика
§1. Зарождение квантовой теории
Величайшая революция в физике совпала с началом XX века. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения (электромагнитного излучения нагретого тела) оказались несостоятельными. Многократно проверенные законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали», когда их попытались применить к проблеме излучения веществом коротких электромагнитных волн. И это тем более удивительно, что эти законы превосходно описывают излучение радиоволн антенной и что в свое время само существование электромагнитных волн было предсказано на основе этих законов.
Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Согласно классической теории тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт показывает, что ничего подобного в действительности нет. Нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнитных волн.
В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытом немецкий физик Макс Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:
Е = h
Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка.
Предположение Планка фактически означало, что законы классической физики неприменимы к явлениям микромира.
Построенная Планком теория теплового излучения превосходно согласовалась с экспериментом. По известному из опыта Распределению энергии по частотам было определено значение постоянной Планка. Оно оказалось очень малым:
h = 6,6310 -34 Джс.
В следующем параграфе мы рассмотрим другое физическое
Итак, Планк указал выход из трудностей, с которыми столкнулась теория. Но этот успех был получен за счет отказа от законов классической физики применительно к микроскопическим системам и излучению.