• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Квантовые эффекты электромагнитного излучения

1. Каковы основные характеристики фотонов?

2. Объяснить, почему формула Эйнштейна для фотоэффекта по сути является выражением закона сохранения энергии.

3. Почему скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света? От чего зависит скорость фотоэлектронов?

4. Какое напряжение называется запирающим?

5. В каких приборах используется явление внешнего фотоэффекта?

6. Почему при освещении одним и тем же светом зеркальные тела испытывают большее давление, чем черные?

7. В каком случае при наблюдении эффекта Комптона изменение длины волны будет максимальным?

3. Квантовая физика

Развитие квантовой физики связано с учением теории строения атома. О сложном строении атома говорят исследования спектров излучения разряженных газов (т.е. спектров излучения отдельных атомов).

Электромагнитное излучение имеет двойственную природу (корпускулярно- волновой дуализм). Корпускулярно-волновой дуализм присущ также материальным частицам. Согласно гипотезе де Бройля, движение любой частицы всегда связано с волновым процессом.

Изучение теоретического курса в программе завершается рассмотрением вопросов квантовой механики. Здесь важно понять, что существуют границы применимости законов классической механики, которые устанавливаются из соотношения неопределенностей Гейзенберга. Состояние микрочастицы в квантовой механике описывается волновой функцией. Важно понять статистический смысл волновой функции, т.е. понять - как определить вероятность нахождения частицы в различных точках пространства. Вид волновой функции находится из решения уравнения Шредингера. Необходимо рассмотреть применение уравнений Шредингера к стационарному состоянию частицы в прямоугольной бесконечно глубокой потенциальной яме, из которого вытекает квантование энергии. Применение уравнения Шредингера к описанию поведения электрона в водородоподобном атоме приводит к квантованию энергии и момента импульса электрона. Следует выяснить физический смысл квантовых чисел, характеризующих состояние электрона в атоме.

При изучении темы "Периодическая система элементов" необходимо обратить внимание на роль принципа запрета Паули, связанного с существованием у электрона спина - фундаментальной характеристики микрочастицы. При изучении взаимосвязи между веществом и излучением важно знать, что помимо поглощения и спонтанного (самопроизвольного) излучения существует вынужденное (индуцированное) излучение. Практическое использование вынужденного излучения привело к созданию оптических квантовых генераторов (лазеров).

При изучении темы "Квантовая статистика. Зонная теория твердых тел" основное внимание должно быть уделено понятию энергетических зон в кристаллах, выяснению различий между металлами, полупроводниками и диэлектриками. Важно понять распределение электронов по энергиям, иметь качественное представление о таких явлениях как термоэлектронная эмиссия, термоэлектрические явления и, наконец, рассмотреть собственную и примесную проводимости полупроводников, а также вольт-амперную характеристику р-n перехода и его применение в различных полупроводниковых приборах.

3.1. Основные понятия и формулы к разделу «Квантовая физика »

Для объяснения устойчивости атомов и линейчастости оптических спектров Бор сформулировал следующие постулаты:

постулат стационарных состояний: в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии;

постулат стационарных орбит: стационарными будут те орбиты, для которых момент количества движения электрона равен целому кратному величины .

,

где m – масса электрона; r и – соответсвенно радиус орбиты и скорость на этой орбите; n – целое число, определяющее номер орбиты (главное квантовое число).

постулат частот: при переходе электрона с любой дальней на ближнюю стационарную орбиту атом испускает фотон с энергией:

(n>k).

Последняя формула описывает поглощенную энергию атомом при n<k.

Все линии в спектре атома водорода описываются формулой Бальмера-Ридберга: ,

где λ – длина волны; R – постоянная Ридберга; n – номер орбиты, на которую перешел электрон; k – номер орбиты, с которой перешел электрон; 1/λ – волновое число, показывающее, сколько длин волн укладывается в единице длины.

В зависимости от значения n различают в спектре водорода следующие серии (табл.1).

Спектр водородоподобных атомов описывается сериальной формулой:

,

где - порядковый номер элемента в таблице Менделеева (зарядовое число).

Энергия кванта света (фотона) определяется соотношением

,

где h – постоянная Планка; с – скорость света; , - соответсвенно частота и длина волны фотона. Энергия фотона, испускаемого или поглащаемого атомом водорода или водородоподобным ионом равна: .

Таблица 1

Спектральные серии в спектре атома водорода

Наименование серии	Значение n	Значение k	Область спектра	Математическая формула
Лаймана		2,3,4…	Ультрафиолетовая
Бальмера		3,4,5…	Видимая
Пашена		4,5,6…	Инфракрасная
Брэккета		5,6,7…	Инфракрасная
Пфунда		6,7,8…	Инфракрасная
Хэмфри		7,8,9…	Инфракрасная

Граница сплошного рентгеновского спектра определяется минимальной длиной волны : , где e – заряд электрона; u – напряжение между катодом и анодом рентгеновской трубки.

Длина волны характеристического (линейчатого) рентгеновского спектра определяется законом Мозли: , где b – постоянная экранирования, зависящая от серии (числа n).

Главное квантовое число n определяет энергетическое состояние атома, а также название электронных оболочек в атоме: электроны с n=1 образуют так называемую К-оболочку, а с n=2 – L-оболочку. Наиболее тяжелые элементы имеют семь электронных оболочек: K, L, M, N, O, P и Q.

К-серия характеристических рентгеновских лучей возникает при выбивании электрона из К-оболочки и переходе электрона с вышележащих оболочек: L-оболочки (n=2), M-оболочки (n=3) и других оболочек на К-оболочку.

Движущаяся частица, по предположению де Бройля, обладает волновыми свойствами – длиной волны де Бройля: или , где - масса покоя частицы; - скорость ее движения; р – импульс частицы.

Если скорость движения частицы сравнима со скоростью света в вакууме, то импульс равен , или , где W – энергия движущейся частицы, W₀ – энергия той же частицы в состоянии покоя.

И тогда , или .

Закон радиоактивного распада: , где N – число ядер, еще не распавшихся к моменту времени t; - исходное число ядер, т.е. число радиоактивных ядер в момент t=0; λ – постоянная радиоактивного распада, т.е. величина, обратная времени, за которое исходное число атомов уменьшается в e раз; t - время распада.

Период полураспада Т – время, за которое распадается половина начального числа ядер – связан с постоянной радиоактивного распада соотношением:

.

Число распавшихся ядер за время t: , формула практически используется для вычисления числа распавшихся ядер за t время, соизмеримое с переходом полураспада; при t <<T последняя формула примет вид: t.

Активность препарата измеряется числом ядер, распадающихся в единицу времени: .

Химический элемент обозначается символом _zХ^A, где А – массовое число (округленное до ближайшего целого значения атомной массы элемента) определяет число протонов и нейтронов в ядре.

Ядро атома состоит из Z- протонов, (A-Z) - нейтронов.

Дефектом массы ядра называют величину, равную разности между суммой масс покоя частиц, составляющих ядро, и массой покоя ядра:

,

где Z – число протонов в ядре; (А - Z) – число нейтронов в ядре; , , - соответственно масса протона, нейтрона и ядра.

Так как , где - масса изотопа, - масса электрона, то дефект массы вычисляют по формуле:

,

где - масса изотопа водорода ; - масса данного изотопа; - масса нейтрона.

Энергия связи ядра – энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его частицы без сообщения им кинетической энергии. Она вычисляется по формуле , или с учетом значения деффекта масс

, (Дж)

Если масса частиц, входящих в ядро, и масса атома выражены в атомных единицах массы (а.е.м.), то энергия связи ядра равна: , (МэВ), где 931,5 – коэффициент пропорциональности, МэВ/а.е.м.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи: .

Чем больше значение удельной энергии связи ядра, тем оно устойчивее.

Ядерная реакция – процесс взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром, приводящий к возникновению новых ядер и новых элементарных частиц.

При написании уравнения любой ядерной реакции следует соблюдать законы сохранения массовых и зарядовых чисел:

сумма массовых чисел исходных продуктов реакции равна сумме массовых чисел конечных продуктов реакции; алгебраическая сумма зарядовых чисел Z ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна алгебраической сумме зарядовых чисел конечных продуктов ядерной реакции.

Ядерные реакции записывают сокращенно, например: , где А - исходное ядро, вступающее в реакцию; а – частица, которая вступает в реакцию (налетающая); b – частица, образовавшаяся в результате реакции; В – ядро, образовавшееся в результате реакции.

Такая реакция может быть записана в эквивалентной форме:

.

Дефект массы ядерной реакции – это разность сумм масс ядер и частиц, вступающих в реакцию и образовавшихся в результате ядерной реакции. Так как в ядерной реакции число электронов до и после реакции одинаково, то при вычислении дефекта массы ядерной реакции вместо массы ядер можно брать массу атомов:

,

где - масса продуктов, вступивших в реакцию; - масса продуктов, образовавшихся в результате реакции.

Если дефект массы <0, то в результате ядерной реакции требуется подвод энергии извне, т.е., энергия поглощается (эндотермическая реакция); если же >0, то в результате ядерной реакции будет выделяться энергия (кинетическая, тепловая, энергия электромагнитного излучения), такая реакция называется экзотермической.

Энергия ядерной реакции вычисляется по формуле:

(Дж),

3.2. Примеры решения задач к разделу «Физика атома и атомного ядра»

Пример №1. Найти: а) радиус первой боровськой орбиты для однократно ионизированного гелия; б) скорость электрона на ней.

Читайте також:

1. Эффекты межличностного общения

Переглядів: 668