экзамен. фихика. 1. Предмет волновой оптики. Характеристика световой волны. Волновая оптика

• Название: 1. Предмет волновой оптики. Характеристика световой волны. Волновая оптика
• Анкор: экзамен
• Дата: 07.06.2022
• Размер: 0.52 Mb.
• Имя файла: фихика.docx
• Тип: Закон; #574749
• страница: 3 из 3

23.Формулы Рэлея – Джинса и Планка. Квантовая природа излучения
 Ф-ла Рэлея – Джинса. Оно согласуется с экспериментальными данными только в области достаточно длинных волн или малых частот. Кроме того, из него следует абсурдный вывод о том, что интегральная светимость R(T) черного тела должна обращаться при коротких длинах волн в бесконечность, что было названо «ультрафиолетовой катастрофой» и что противоречило реально наблюдаемым данным. Таким образом, стало ясно, что решить задачу о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела в рамках существующих теорий невозможно. Эта задача была успешно решена немецким физиком М. Планком на основе новой идеи, положившей начало квантовой физике.
Планк предположил, что энергия осциллятора не может принимать значения, меньшего некоторой минимальной вели- чины ε, а любое другое значение энергии осциллятора кратно ε. Данная минимальная порция энергии была названа квантом. Планк сделал еще одно предположение о том, что процессы излучения и поглощения нагретым телом электромагнитной энергии происходят не непрерывно. По теории Планка, энергия кванта ε прямо пропорциональна частоте света: ε = hν, где h – так называемая постоянная Планка, равная 6,626·10–34 Дж·с.

Формула Планка хорошо описывает спектральное распределение излучения черного тела при любых частотах. Планк выдвинул гипотезу, которая в дальнейшем блестяще подтвердилась и в других экспериментах, согласно которой энергия атома - осциллятора может изменяться не непрерывно, а только дискретно - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте колебаний, излучение и поглощение энергии при тепловом излучении тел квантовано.

24.Внешний фотоэлектрический эффект. Эксперимент Столетова. Законы фотоэффекта
Явление вырывания электронов из вещества под действием света (электромагнитного излучения) называют внешним фотоэффектом.



Плоский конденсатор, одной из обкладок которого служила медная сетка С, а второй – цинковая пластина D, был включен через гальванометр G в цепь аккумуляторной батареи Б. При освещении отрицательно заряженной пластины D светом от источника S в цепи возникал электрический ток, названный фототоком. Сила фототока была пропорциональна освещенности пластины D. Освещение положительно заряженной обкладки С не приводило к возникновению фототока.

Первый закон фотоэффекта Столетова звучит так: фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на катод.2-й закон фотоэффекта: Максимальная кинетическая энергия выбиваемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. 3-й закон фотоэффекта: Для каждого вещества при определённом состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается.

25.Устройство и характеристики фотоэлемента.
Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств. Фотоэлементы разделяются на три типа: 1) с внешним фото-эффектом, 2) с внутренним фотоэффектом, 3) с запирающим слоем.
Фотокатодом Ф. служит фоточувствительный слой, к-рый наносится либо непосредственно на участок стеклооболочки, либо на металлический слой (подложку), предварительно осаждённый на стекло, либо на поверхность металлич. пластинки, смонтированной внутри баллона; анод имеет вид металлич. кольца или сетки. Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности катода; при замыкании цепи Ф. в ней протекает фототок, пропорц. световому потоку.

 К - фотокатод; А - анод; Ф - световой поток;Е- источник постоянного тока, служащий для создания в пространстве между К и А электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны; R _н - нагрузка.

26.Формула Эйнштейна. Квантовая теория фотоэффекта

Эйнштейн предположил, что электромагнитное излучение не просто испускается порциями - оно и распространяется в пространстве, и поглощается веществом тоже в виде порций - световых квантов (элементарных частиц - фотонов). Энергия фотона  связана с частотой электромагнитного излучения  соотношением, предложенным ранее Планком,  = h (h-постоянная Планка).
Согласно Эйнштейну, фотон, после его поглощения металлом, pасходует свою энеpгию на пpеодоление потенциального баpьеpа (эта часть энеpгии называется pаботой выхода электpона из металла А), а оставшуюся после этого энергию (если останется) на сообщение электpону вне металла кинетической энеpгии. Отсюда следует, что для возникновения фотоэффекта не важна интенсивность падающего светового пучка, главное, хватает ли отдельному световому кванту энергии, чтобы выбить электрон из вещества. Минимальная энергия необходимая для этого равна работе выхода.
hv = А + Ek, где hv - энергия, которую отдаёт фотон электрону вещества, А- работа выхода электрона из вещества, Ek = mv квадрат/2 - кинетическая энергия освобождённого электрона. Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Теория Эйнштейна объясняет все законы Столетова. Увеличение числа фотонов вызывает возрастание числа вырванных в единицу времени электронов.

27.Корпускулярные свойства фотонов. Масса, импульс и энергия фотонов.
Фотон- материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).
Основные свойства фотона: Является частицей электромагнитного поля. Движется со скоростью света. Существует только в движении. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю. Энергия фотона:   Масса фотона   Импульс фотона    . Импульс фотона направлен по световому пучку.

28. Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц. Волны де Бройля.
Эксперименты с электромагнитными волнами показали, что в некоторых явлениях они проявляют свойства частиц. Эти явления удалось описать, если предположить согласно теории Планка, что электромагнитное излучение является потоком частиц‑фотонов или квантов со следующими значениями энергии и импульса  где  - частота, - длина волны.
Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что для объяснения волновых свойств микрочастиц им необходимо сопоставить особые волны, которые были названы волнами де Бройля. То есть, если микрочастице приписать некоторый волновой процесс с длиной волны  (где р, m, υ – импульс, масса и скорость частицы), то по формулам дифракции и интерференции для электромагнитных волн можно рассчитать эти явления и для пучков микрочастиц.
Эксперименты также показали, что распространение волн де Бройля не связано с распространением электромагнитных волн, а также каких-либо других волн, известных в классической физике. Наблюдаемое постепенное формирование интерференционной картины показывает, что волны де Бройля связаны со статистической природой движения микрочастиц и имеют вероятностное истолкование.

Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что для объяснения волновых свойств микрочастиц им необходимо сопоставить особые волны, которые были названы волнами де Бройля

29. Экспериментальное подтверждение волновой природы вещества. Дифракция электронов.
Первые экспериментальные исследования, подтвердившие волновую природу частиц, были выполнены американскими физиками Дэвиссоном и Джермером, а также независимо английским физиком Томсоном. В этих работах использовалась дифракция электронов на кристаллической решетке
Дифракция электронов — процесс рассеяния электронов на совокупности частиц вещества, при котором электрон проявляет волновые свойства. Данное явление называется корпускулярно-волновым дуализмом, в том смысле, что частица вещества(в данном случае взаимодействующие электроны) может быть описана, как волна.

30. Основные понятия квантовой механики. Соотношение неопределенностей Гайзенберга.
Своеобразие движения микрочастиц, как оказалось, заключается также и в том, что ее траекторию нельзя характеризовать точными значениями координат и скорости.
Немецкий ученый Гейзенберг установил, что неопределенности или погрешности измерения координаты Δх, Δy, Δz и импульса Δр_х, Δр_y, Δр_z удовлетворяют соотношениям: ∆х ∆рх ≥ h, ∆y ∆рy ≥ h, ∆z ∆рz ≥ h.
Соотношения неопределенностей позволяют определить границы применимости понятий и законов классической механики к объектам. Учитывая, что р_х = mv_x, можно получить Δх Δv_х ≥ h/m, откуда следует, что чем больше масса частицы, тем меньше неопределенность ее координаты и скорости и, следовательно, с тем большей точностью можно применять к этой частице понятие траектории.
Если рассчитать скорость электрона в атоме согласно классиче- ской механике, учитывая, что роль центростремительной силы играет сила Кулона, то скорость получается порядка 2·106 м/с и в данном случае неопределенность больше самой скорости. По- этому нельзя говорить о движении электрона в атоме по опреде- ленной траектории.

31.Понятие волновой функции. Свойства волновой функции.
С помощью волновой функции можно рассчитать вероятность пребывания частицы в различных точках пространства в различные моменты времени, а также средние значения различных ее параметров.  Волновая функция, характеризующая вероятность обнаружения частицы в элементе объема, должна быть:
1) конечной (вероятность не может быть больше единицы);
2) однозначной (вероятность не может быть неоднозначной величиной);
3) непрерывной (вероятность не может изменяться скачкообразно).

32.Волновое уравнение Шредингера. Стационарное ур. Ш.
 , волновое ур. где m – масса частицы, i – мнимая единица, U – потенциальная энергия частицы, Δ оператор Лапласа. Смысл и назначение уравнения Шредингера заключается в том, что если известна волновая функция некоторой частицы в начальный момент времени и известно силовое поле, в котором она движется, то, решив это уравнение, можно найти волновую функцию и узнать характеристики состояния частицы в последующие моменты времени.
 или

Это - уравнение Шредингера для, так называемых, стационарных состояний, находясь в которых частица имеет определенные, не меняющиеся со временем характеристики.

33.Планетарная модель атома и ее недостатки. Постулаты Бора.
Планетарную модель атома:
В центре атома находится маленькое плотное положительное Ядро, а вокруг его вращаются отрицательные электроны. Размер атома определяется диаметром орбиты вращения электронов вокруг ядра. В целом атом электронейтрален.
Недостатки модели Резерфорда:
Не объясняет энергетическую устойчивость атома. Электрон вращается вокруг ядра, следовательно, имеет центростремительное ускорение, следовательно, излучает энергию, радиус вращения уменьшается и электрон должен упасть на ядро. А этого не происходит.
Постулаты Бора:
1.В атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии. 
2. при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией
hV = En – Em

34. Атом водорода по Бору. Заслуги и недостатки теории Бора.

Теория Бора основана на двух его постулатах, именно это и отличило его модель от модели Резерфорда.
Достоинства:

1. 
   Объяснила дискретность энергетических состояний водородоподобных атомов.
   
2. 
   Объяснила внутриатомные процессы, стала первой полуквантовой теорией атома.
   
3. 
   Объясняет границу таблицы Менделеева
   

Недостатки:

1. 
   Не смогла объяснить интенсивность спектральных линий.
   
2. 
   Теория Бора логически противоречива: не является ни классической, ни квантовой.
   Справедлива только для водородоподобных атомов.
   
   
   

35.Частица в потенциальном ящике. Квантовая энергия частицы.
Рассмотрим графики функции ² которая согласно определяет вероятность нахождения частицы в разных точках «ямы» для различных состояний.


Во втором и в третьем состояниях микрочастица не может находиться в некоторых точках «ямы» A,B,C, однако она может находиться между этими точками. Кроме этого, видно, что минимальное значение полной энергии Е₁, которая в области 2 является кинетической энергией, не равна нулю, это означает что частица находится в непрерывном движении. Получим выражение для полной энергии частицы

36. Атом водорода в квантмех. Решение ур Шредингера для водорода.

Атом водорода и водородоподобные системы – это системы, состоящие из ядра с зарядом Ze и одного электрона (например, ионы He+, Li2+). Решение задачи об энергетических уровнях электрона для атома сводится к задаче о движении электрона в кулоновском поле ядра.Потенциальная энергия взаимодействия электрона с ядром, обладающим зарядом Zе (для атома водорода Z =1),
Состояние электрона в атоме водорода описывается волновой функцией Ψ, удовлетворяющей стационарному уравнению Шредингера:   где m – масса электрона, Е – полная энергия электрона в атоме.то так называемое стационарное уравнение Шрёдингера для электрона водородоподобного атома

37. Квантовые числа.

Квантовые числа - это энергетические параметры, определяющие состояние электрона и тип атомнойорбитали, на которой он находится. Квантовые числа необходимы для описания состояния каждого электрона в атоме. Всего 4-ре квантовых числа. Это: главное квантовое число - n, орбитальное квантовое число - l, магнитное квантовое число - m и спиновое квантовое число - s.
Главное квантовое число - n - определяет энергетический уровень электрона, удалённость энергетического уровня от ядра и размер электронного облака. (n=1,2,3,…)
Орбитальное квантовое число - l - определяет геометрическую форму атомнойорбитали.(l=0,1,2,3,…n-1).
Магнитное квантовое число m определяет ориентацию орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля.(-1,0,1)
Спиновое квантовое число - s - определяет магнитный момент, возникающий при вращении электрона вокруг своей оси.(-0,5; +0,5)

38. Многоэлектронный атом.Принцип Паули. Правило отбора. Спектры атомов.
Принцип Паули или принцип запрета:никакие два электрона в одном атоме не могут характеризоваться одинаковым набором всех четырех квантовых чисел чисел n, l, m, s.
Из принципа Паули вытекает следствие: : в квантовом состоянии, описываемом набором квантовых чисел n, l, m, может находиться максимум два электрона: один со спиновым квантовым числом +1/2 и один со спиновым квантовым числом -1/2.
Распределение электронов по состояниям для любого невозбужденного атома происходит на основании следующих законов: пpинципа минимума энеpгии и пpинципазапpета Паули. Таким образом, электроны в невозбужденном многоэлектронном атоме, последовательно занимают состояния, начиная с имеющего минимальную энергию (согласно принципу минимума энергии системы), при этом, согласно принципу запрета Паули, в одном и том же квантовом состоянии могут находиться не более двух электронов.Атомные спектры Атомные спектры, спектры оптические, получающиеся при испускании или поглащении света (электромагнитных волн) свободными или слабо связанными атомами; такими спектрами обладают, в частности, одноатомные газы и пары.

39.Оптический квантовый генератор. Вынужденное излучение

Лазеры представляют собой генераторы оптического излучения. Основой работы ОКГ является генерирование монохроматических волн оптического диапазона под воздействием индуцированного излучения.Лазер состоит из трех основных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, а также вспомогательных устройств, обеспечивающих его нормальную работу и управление лазерным излучением.

Принцип действия лазеров основан на использовании процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотона возбужденным атомом или молекулой под воздействием излучения, имеющею ту же частоту. Самое важное в этом процессе то, что фотон, возникший при вынужденном испускании, совершенно тождественен с вызвавшим его внешним фотоном по направлению, частоте, фазе и поляризации. На языке волновой оптики это означает, что вынужденное излучение когерентно со стимулирующим. Этот принцип справедлив для всего спектра электромагнитного излучения.

40.Классификация элементарных частиц.

Элементарные частицы принято условно делить на четыре класса: переносчики взаимодействия, лептоны, мезоны и барионы (последние два типа частиц объединяют общим названием – адроны).

Первый класс состоит из фотонов, которые участвуют только в электромагнитном взаимодействии, глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, бозонов - переносчиков слабого взаимодействия.

Второй класс - класс лептонов - состоит из частиц, участвующих в слабом и в электромагнитном взаимодействиях, если они имеют электрический заряд.

Третий класс - класс барионов - состоит из частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии, некоторые из которых могут также участвовать и в слабом, и в электромагнит- ном взаимодействиях.

Четвертый класс – класс мезонов. По видам взаимодействий он сходен с классом барионов, но спин и барионный заряд данных частиц равен нулю.

Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи и Вселенной.

(Надо или нет). Гравитационное взаимодействие присуще всем

элеметарным частицам, имеющим ненулевую массу

покоя. Это взаимодействие действует на больших

расстояниях, но оно самое слабое по величине и поэтому не влияет на

процессы взаимопревращений

элементарных частиц. Электромагнитное взаимдействие присуще

элементарным частицам, имеющим

электрический заряд, отличный от нуля, оно также дальнодействующее,

а по величине энергии взаимодействия на 36 порядков сильнее

гравитационного. Слабое и сильное ядерные взаимодействия,

между частицами только на расстояниях, сравнимых с

размерами ядра (10-18 – 10-15 м).