Шпоры по физике - файл n1.doc

Шпоры по физике
скачать (282 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc282kb.23.11.2012 23:27скачать

n1.doc


  1. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн. Видимый свет.

Электромагнитными волнами называют возмущения электромагнитного поля (т.е. переменное электромагнитное поле), распространяющееся в пространстве. Основные характеристики этих волн: ? — длина волны, ? — частота, Т — период, ну и скорость еще. Шкала электромагнитных волн (слева—направо): гамма-излучение, рентгеновское излучение, УФ, ?380—760 нм видимый свет, 0,8 мкм—5*10-4 ИК, радио.


  1. Основные законы геометрической оптики. Принцип Ферма.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения ? равен углу падения ?.

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения ? к синусу угла преломления ? есть величина, постоянная для двух данных сред и равна …

Принцип Ферма: действительный путь распространения света (траектория светового луча) есть путь, для прохождения которого свету требуется минимальное время. Величина, равная произведению длине геометрического пути на показатель преломления среды называется оптической длиной пути.


  1. Закон преломления. Полное внутреннее отражение.

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения ? к синусу угла преломления ? есть величина, постоянная для двух данных сред и равна …



При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол ?пр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для угла падения ? = ?пр sin ? = 1 значение sin ?пр = n2 / n1 < 1. Если второй средой является воздух (n2 ? 1), то формулу удобно переписать в виде sin ?пр = 1 / n, где n = n1 > 1 — абсолютный показатель преломления первой среды.


  1. Гомоцентрические пучки. Действительное и мнимое изображения.

Набор близких лучей света может рассматриваться как пучок света. Поперечные размеры пучка света не обязаны оставаться неизменными, поскольку в общем случае разные световые лучи не параллельны друг другу.

Важным случаем пучков света являются гомоцентрические пучки, то есть такие пучки света, все лучи которого пересекаются в какой-либо точке пространства. Такие пучки света могут быть формально получены из точечного источника света или из плоского светового фронта с помощью идеальной линзы. Стандартные задачи на построение изображений в оптических системах используют как раз свойства таких пучков.

Мнимое изображение — создаваемое лучами света кажущееся присутствие изображаемого предмета в пространстве. Примером мнимого изображения может служить отражение в зеркале.

Действительное изображение — объективно существующий в области пространства образ предмета или сцены, созданный лучами света.


  1. Тонкая линза. Построение изображение тонкой линзой.

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой.

Линзы входят в состав практически всех оптических приборов. Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше. Ну а все остальное мы и так знаем.


  1. Аберрации линз.

Искажения, возникающие при формировании изображения, называются аберрациями. Главные из них – сферическая и хроматическая аберрации. Сферическая аберрация проявляется в том, что в случае широких световых пучков лучи, далекие от оптической оси, пересекают ее не в фокусе. Формула тонкой линзы справедлива только для лучей, близких к оптической оси. Изображение удаленного точечного источника, создаваемое широким пучком лучей, преломленных линзой, оказывается размытым. Хроматическая аберрация возникает вследствие того, что показатель преломления материала линзы зависит от длины волны света ?. Это свойство прозрачных сред называется дисперсией. Фокусное расстояние линзы оказывается различным для света с разными длинами волн, что приводит к размытию изображения при использовании немонохроматического света.


  1. Глаз как оптический прибор. Дальнозоркость и близорукость, астигматизм.

Не знаю, что тут написать. Астигматизм. Аберрация оптической системы, возникающая в случае, когда объект расположен далеко от оптической оси и лучи света от объекта, идущие в разных плоскостях, не могут сфокусироваться на одной плоскости изображения. Лучи света, падающие наклонно на линзу, собираются не в одном фокусе, а в двух, расстояние между которыми называется астигматической разностью и характеризует величину астигматизма. Эта аберрация исключает возможность одновременного получения резкими вертикальных и горизонтальных линий.


  1. Лупа и ее применение. Коэффициент увеличения лупы.

Лупа. Простейшим прибором для визуальных наблюдений является лупа. Лупой называют собирающую линзу с малым фокусным расстоянием (F ? 10 см). Лупу располагают близко к глазу, а рассматриваемый предмет – в ее фокальной плоскости. Предмет виден через лупу под углом , где h – размер предмета. При рассматривании этого же предмета невооруженным глазом его следует расположить на расстоянии d0 = 25 см наилучшего зрения нормального глаза. Предмет будет виден под углом . Отсюда следует, что угловое увеличение лупы равно .


  1. Фотоаппарат и диапроектор.

Ну не знаю…


  1. Телескоп-рефрактор и зрительная труба Галилея и их увеличение.

Рефрактор — телескоп, в котором для фокусировки света используется линза, называемая объективом. Работа таких телескопов обусловлена явлением рефракции.

В силу того, что каждая отдельно взятая линза обладает различными аберрациями (хроматическая, сферическая и проч.), обычно используются сложные ахроматические и апохроматические объективы. Такие объективы представляют собой выпуклые и вогнутые линзы, составленные и склеенные с тем, чтобы минимизировать аберрации.

. Оно же гамма.


  1. Микроскоп и его увеличение.

Микроскоп применяют для получения больших увеличений при наблюдении мелких предметов. Увеличенное изображение предмета в микроскопе получается с помощью оптической системы, состоящей из двух короткофокусных линз – объектива O1 и окуляра O2. Объектив даст действительное перевернутое увеличенное изображение предмета. Это промежуточное изображение рассматривается глазом через окуляр, действие которого аналогично действию лупы. Окуляр располагают так, чтобы промежуточное изображение находилось в его фокальной плоскости; в этом случае лучи от каждой точки предмета распространяются после окуляра параллельным пучком. Мнимое изображение предмета, рассматриваемое через окуляр, всегда перевернуто. Если же это оказывается неудобным (например, при прочтении мелкого шрифта), можно перевернуть сам предмет перед объективом. Поэтому угловое увеличение микроскопа принято считать положительной величиной.


  1. Волновая природа света. Принцип Гюйгенса-Френеля.

Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления.


  1. Дифракция Френеля. Зоны Френеля. Зонная пластинка.

Д. волн — явление отклонения света от прямолинейно направления при прохождении у края преграды. Д. света — совокупность явлений, наблюдаемых при прохождении волн в неоднородных средах, приводящих к отклонению волн от первоначального прямолинейного распространения.

В случае дифракции Френеля, или дифракции в сходящихся лучах, на препятствие падает сферическая или плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, находящемся за препятствием на конечном расстоянии от него.

Радиусы зон Френеля: . Количество зон определяется радиусом отверстия: . Расстояние от двух соседних зон до точки наблюдения равно половине длины волны (это означает что колебания двух волн из соседних зон складываются в противофазе). Таким образом, если число зон четно, то волны погасятся. И в точке наблюдения будет темное пятно.

(Вариант: Дифракция Френеля — это дифракция от точечного источника, волновая поверхность которого сферическая.).


  1. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка.

В этом случае на препятствие (нормально, по отношению к препятствию) падает плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, который находится а фокальной плоскости собирающей линзы, установленной на пути прошедшего через препятствие света. Параллельные лучи, идущие от краёв щели под углом дифракции ? к направлению лучей падающего света, собираются линзой в её побочном фокусе.


  1. Дифракционный предел. Разрешающая способность оптических приборов.

Дифракционный предел — минимально возможный размер светового пятна, которое можно получить, фокусируя свет заданной длины волны ? в среде с показателем преломления n: .

Разрешающая способность оптических приборов характеризует способность этих приборов давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются, называется линейным или угловым пределом разрешения. Обратная ему величина обычно служит количественной мерой Р.С. Вследствие дифракции света на краях оптических деталей даже в идеальной оптической системе изображение точки есть не точка, а кружок с центральным светлым пятном, окруженным кольцами.



Для увеличения разрешающей способности (силы) телескопа следует увеличивать диаметр объектива (либо переходить к более коротким волнам). Критерий Релея: , где «дельта фи» — угловой предел разрешения.


  1. Двухлучевая интерференция. Опыт Юнга.

Под двухлучевой интерференцией понимают интерференционную картину, возникающую при сложении двух световых волн одинаковой частоты.



Исторически первым интерференционным опытом, получившим объяснение на основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.). В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S1 и S2. Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S1 и S2, перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос. Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели S1 и S2, которые можно рассматривать в соответствии с принципом Гюйгенса как источники вторичных волн, освещались светом одного источника S. При симметричном расположении щелей вторичные волны, испускаемые источниками S1 и S2, находятся в фазе, но эти волны проходят до точки наблюдения P разные расстояния r1 и r2. Следовательно, фазы колебаний, создаваемых волнами от источников S1 и S2 в точке P, вообще говоря, различны. Таким образом, задача об интерференции волн сводится к задаче о сложении колебаний одной и той же частоты, но с разными фазами. Утверждение о том, что волны от источников S1 и S2 распространяются независимо друг от друга, а в точке наблюдения они просто складываются, является опытным фактом и носит название принципа суперпозиции.


  1. Монохроматичность источника. Длина когерентности и время когерентности.

Луч идет и из него выделяется два подлуча. Расстояние между точками A и B, при котором вторичные источники перестают быть когерентными, называется длиной когерентности вдоль луча, длиной продольной когерентности или просто длина когерентности. Эта формула часто используется при решении задач.



Время ?, за которое свет проходит длину когерентности, называют временем когерентности. . (? — оптическая разность хода — разность оптических длин путей).


  1. Интерференция в тонких пленках. Кольца Ньютона.

Примером интерференции света, наблюдающейся в естественных условиях, может служить радужная окраска тонких пленок. Образование частично когерентных волн, интерферирующих при наложении, происходит в этом случае вследствие отражения падающего на пленку света от её верхней и нижней поверхностей. Результат этой интерференции зависит от сдвига фаз, приобретаемого накладывающимися волнами в пленке.

Пусть монохромный луч падает на плоскопараллельную пленку толщиной d. Результат интерференции в отраженном от пленке свете (r — угол преломления, n — показатель преломления пленки): — максимум, — минимум.

Радиус темных колец: . R — радиус сферы линзы.


  1. Понятие о пространственной когерентности.

Пространственная когерентность — состояние, при котором световые волны, проходящие через пространство, не обязательно совпадают по частоте, но совпадают по фазе.

Пространственная когерентность — когерентность колебаний, которые совершаются в один и тот же момент времени в разных точках плоскости Q, перпендикулярной направлению распространения волны.

Расстояние между двумя точками плоскости Q, случайные изменения разности фаз в которых достигают значения ?, называют длиной пространственной когерентности: , где ? — угловой размер источника.


  1. Голография. Свойства и типы голограмм.

Голография — способ фиксирования на фоточувствительном материале всей информации об отраженном от объекта излучении, включающей распределение амплитуды и фазы в каждой точке волнового фронта. Голография позволяет получить объемное изображение.

Получение. С помощью фотопластинки регистрируется интерференционная картина, возникающая при наложении волны, рассеянной объектом (сигнальная волна или предметный пучок), и когерентной ей волны, имеющей фиксированные значения амплитуды и фазы (эта волна называется опорной волной или опорным пучком, испускается тем же источником, который освещает сам объект и после отражения падает непосредственно на фотопластинку). Интерференционную картину называют голограммой. Восстановление голограммы связано с осуществлением интерференции света при больших разностях хода, т.е. требует весьма высокой степени когерентности света (практическое использование стало возможным только после создания лазеров). Восстановление изображения объекта по его голограмме производят, просвечивая голограмму той же опорной волной (причем ориентация должна быть сохранена).

Типы голограмм: Толщина (Тонкие или Объемные), Свойства носителя (Амплитудные или Фазовые), Геометрия восстановления (Пропускающие или Отражающие), Геометрия записи (Френеля или Фурье).

Свойства. Дифракционная эффективность голограммы определяется как отношение мощности светового потока, формирующего изображение объекта, записанного на голограмме, к мощности потока опорной световой волны. Чем больше разрешающая способность голограммы, тем более чёткое (контрастное) изображение объекта может быть получено при его восстановлении.


  1. Линейная поляризация света. Поляроиды. Закон Малюса.

Поляризацией волны называется направление электрического поля в волне.

Световые волны могут иметь линейную поляризацию (в этом случае колебания электрического поля происходят в фиксированной плоскости), круговую поляризацию (электрическое поле вращается подобно стрелке часов) или эллиптическую поляризацию (электрического поля вращается, при этом его абсолютная величина зависит от направления).

Вариант определения. Если при распространении электромагнитной волны световой вектор (Е) сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно-поляризованной или плоско-поляризованной (термин поляризация волн был введен Малюсом применительно к поперечным механическим волнам).

Поляроид, поляризационный светофильтр, один из основных типов оптических линейных поляризаторов; представляет собой тонкую поляризационную плёнку, заклеенную для защиты от механических повреждений и действия влаги между двумя прозрачными пластинками (плёнками).

Если естественный свет проходит через два последовательно установленных поляроида, то интенсивность прошедшего света зависит от угла ?? между разрешенными направлениями обоих поляроидов: . Это соотношение называют законом Малюса.


  1. Отражение света от границы раздела диэлектриков. Эффект Брюстера.

Эффект (закон) Брюстера: отраженный свет полностью линейно поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения при угле падения Бюстера, который удовлетворяет условию .


  1. Круговая и эллиптическая поляризация. Оптически активные вещества.

Световые волны могут иметь линейную поляризацию (в этом случае колебания электрического поля происходят в фиксированной плоскости), круговую поляризацию (электрическое поле вращается подобно стрелке часов) или эллиптическую поляризацию (электрического поля вращается, при этом его абсолютная величина зависит от направления).

Оптически-активные вещества, среды, обладающие естественной оптической активностью. О.-а. в. подразделяются на 2 типа. Относящиеся к 1-му из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора, винная кислота), ко 2-му — активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь).

Оптическая активность, способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё света.


  1. Просветляющие покрытия и диэлектрические зеркала.

Просветляющие покрытия — диэлектрические тонкослойные покрытия, наносимые на поверхности оптических элементов для уменьшения отражения от них света. Толщина просветляющих покрытий подбирается так, чтобы волны, отраженные от обеих поверхностей, погашали друг друга в результате интерференции. Просветляющее действие такой пленки зависит от ее показателя преломления.

Диэлектрические зеркала — еще одна разновидность интерференционного светофильтра. Такие зеркала могут быть полупрозрачными или иметь высокий (98-99%) коэффициент отражения, быть глухими (100%), то есть полностью отражать все падающее излучение. Так, в лазерных резонаторах применяются исключительно диэлектрические зеркала. По сравнению с зеркалами, имеющими металлические покрытия, диэлектрические зеркала практически не поглощают излучение.


  1. Эффект Доплера и его применение.

Воспринимаемая частота волны зависит от относительной скорости ее источника.

Эффект Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Во всем мире он используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость. Пистолет-радар излучает радиоволновой сигнал (обычно в диапазоне УКВ или СВЧ), который отражается от металлического кузова вашей машины. Обратно на радар сигнал поступает уже с доплеровским смещением частоты, величина которого зависит от скорости машины. Сопоставляя частоты исходящего и входящего сигнала, прибор автоматически вычисляет скорость вашей машины и выводит ее на экран.

Несколько более эзотерическое применение эффект Доплера нашел в астрофизике: в частности, Эдвин Хаббл, впервые измеряя расстояния до ближайших галактик на новейшем телескопе, одновременно обнаружил в спектре их атомного излучения красное доплеровское смещение, из чего был сделан вывод, что галактики удаляются от нас. Когда же Хаббл обнаружил к тому же, что чем дальше галактика, тем сильнее красное смещение (и тем быстрее она от нас улетает), оно понял, что Вселенная расширяется. Это стало первым шагом на пути к теории Большого взрыва — а это вещь куда более серьезная, чем поезд с духовым оркестром.


  1. Дисперсия. Нормальная и аномальная дисперсии.

Дисперсия света (разложение света) — это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света. В результате экспериментов по исследованию дисперсии электромагнитных волн было установлено, что, как правило, с уменьшением длины волны показатель преломления материальной среды увеличивается. Такой тип дисперсии называют нормальным. Если показатель преломления в видимой области уменьшается с уменьшением длины волны. Такая дисперсия была названа аномальной. n21 = v2 / v1


  1. Закон Бугера. Дихроизм.

Закон Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. Закон выражается следующей формулой:

, где I0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, k? — показатель поглощения.

Показатель поглощения — коэффициент, характеризующий свойства вещества и коэффициент зависящий от длины волны ? поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.

Плеохроизм — способность некоторых анизотропных кристаллов, в том числе двупреломляющих минералов обнаруживать различную окраску в проходящем через них свете при рассматривании по различным направлениям.

Явление связано с тем, что лучи, поляризованные в разных плоскостях, поглощаются веществом кристалла различно. Важная сфера применения плеохроизма — изготовление поляризационных фильтров (поляроидов), действие которых основано на явлении линейного дихроизма (например, в кристаллах ПВС-йод).


  1. Оптическая анизотропия. Двулучепреломление.

Двойное лучепреломление, расщепление пучка света в анизотропной среде (например, в кристалле) на два слагающих, распространяющихся с разными скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Оптическая анизотропия, различие оптических свойств среды в зависимости от направления распространения в ней света и состояния поляризации этого свет. Часто под О. а. понимают только явление двойного лучепреломления. Более правильно, однако, относить к О. а. и вращение плоскости поляризации, происходящее в оптически-активных веществах. Естественная О. а. большинства кристаллов обусловлена характером их строения. Естественная оптическая активность (вращение плоскости поляризации) веществ, которые проявляют её в любом агрегатном состоянии (кристаллическом, аморфном, жидком, газообразном), связана с асимметрией строения отдельных молекул таких веществ и обусловленным ею различием во взаимодействии этих молекул с излучением различной поляризации. Наведённая (искусственная) О. а. возникает в средах, от природы оптически изотропных, под действием внешних полей, выделяющих в средах определённые направления.


  1. Эффект Керра. Эффект Фарадея.

Керра эффект, Кeppa явление, возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах, например жидкостях и газах, под воздействием однородного электрического поля.

Эффект Фарадея (продольный магнитооптический эффект Фарадея) — магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света.


  1. Рассеяние света. Закон Рэлея.

Рассеяние света — отклонение распространяющегося в среде светового пучка во всевозможных направлениях. Рассеяние света обусловлено неоднородностью среды и взаимодействием света с частицами вещества, при котором изменяется направление распространения, частота и плоскость колебаний световой волны. Проявляется как несобственное свечение вещества.

Для рассеянного света справедлив закон Рэлея: интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны: .


  1. Фотометрические единицы.

Фотометрические величины — сила света, освещенность, световой поток, яркость, коэффициент пропускания и коэффициент отражения.

Кандела (кд) — единица силы света; основная единица системы СИ.

Люкс (лк) — в СИ — единица освещенности; освещенность, создаваемая световым потоком 1 лм, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 кв.м.

Люмен (лм) — в СИ — единица измерения светового потока. Люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником света 1 кд в телесном угле, равном 1 ср.

Яркость (кд/кв.м) — характеристика светящихся тел. Яркость равна отношению: — силы света, излучаемого в заданном направлении; к площади проекции светящейся поверхности, на плоскость перпендикулярную заданному направлению.

Коэффициент пропускания — отношение потока излучения, вышедшего из слоя вещества, к потоку падающего на него излучения.

Коэффициент отражения света — величина, равная отношению потока энергии отраженной волны к потоку энергии волны, падающей на поверхность раздела двух сред.


  1. Законы излучения абсолютно черного тела.

Абсолютно чёрное тело — физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка.

Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана—Больцмана: ,

где j — мощность на единицу площади излучающей поверхности, а ? = 5,670400(40)*10-8 Вт/(м2·К4) — постоянная Стефана—Больцмана.

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина: , где T — температура в кельвинах, а ?max — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.


  1. Гипотеза Планка и ее применение для объяснения излучения черного тела.

М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: атомы испускают электромагнитную энергию от дельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения: E = h?.

На основе гипотезы о прерывистом характере процессов излучения и поглощения телами электромагнитного излучения Планк получил формулу для спектральной светимости абсолютно черного тела. Формулу Планка удобно записывать в форме, выражающей распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела по частотам ?, а не по длинам волн ?. . Здесь c – скорость света, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.


  1. Внешний фотоэффект. Законы фотоэффекта. Формула Эйнштейна.

Фотоэффект (или фотоэлектрический эффект) состоит в вырывании электронов из вещества при облучении этого вещества светом. В конденсированных телах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) — называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Чтобы вырвать электрон из вещества, нужно сообщить ему энергию, превышающую работу выхода A. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона определяется согласно Эйнштейну уравнением
— это уравнение объясняет основные закономерности фотоэффекта:

1) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока.
Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения Uз анодный ток прекращается. Величина Uз определяется соотношением

2) Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности светового потока P.

3) Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты ?min, то фотоэффект не происходит («красная граница фотоэффекта»)
или .


  1. Корпускулярные свойства света. Масса фотонов. Световое давление.

Эффект Комптона выявил корпускулярные свойства света. Было экспериментально доказано, что наряду с известными волновыми свойствами свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц. В этом проявляется дуализм света, его корпускулярно-волновая природа.

Масса фотона равна m = h?/c2. Масса покоя равна нулю.

Давление света на поверхность выражается формулой , где I — интенсивность света (I = nh?), а R — коэффициент отражения света от поверхности тела.


  1. Комптоновское рассеяние света.

Комптона эффект, комптон-эффект, упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн — рентгеновского и гамма-излучения. В К. э. впервые во всей полноте проявились корпускулярные свойства излучения. , где — угол рассеяния, ?К — комптоновская длина волны (?К = h/mc = 2,426 · 10-10 см).


  1. Модель атома Томсона и ее несостоятельность. Опыты Резерфорда.

Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных принадлежит Дж. Томсону (1903 г.). Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него. Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.

Опыты Резерфорда. От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, ?-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Вспышки на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных ?-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами ? к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство ?-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие ?-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить ?-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на ?-частицу по закону Кулона, возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n ?-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома.


  1. Планетарная модель атома. Постулаты Бора.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не исключением был и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только через два года (в 1911 г.) после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро. Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию ?-частиц. Однако она оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает.

Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний: , где h — постоянная Планка.


  1. Излучение электромагнитных волн атомом. Спектроскопия и ее применение.

Электромагнитные волны порождаются атомами любых веществ во время перехода атома из одного энергетического уровня в другой. При переходе энергия либо поглощается, либо излучается, и равна разнице между энергиями атома на этих стационарных уровнях.

Спектроскопия — раздел физики, посвященный изучению спектров электромагнитного излучения. Оптическую спектроскопию часто называют просто спектроскопией. Спектроскопию я вообще обычно применяю для качественного и количественного анализа веществ. А вообще много для чего применяют.


40. Вынужденное излучение. Принципы построения лазеров.


Вынужденное излучение (индуцированное излучение) — испускание электромагнитного излучения квантовыми системами под действием падающего на них излучения. Фотоны, испускаемые при В. и., совпадают по частоте, направлению распространения и поляризации с фотонами, вынуждающими их испускание.

Лазер — устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей.

Основная идея работы лазера заключается в инверсии электронной населённости путём «накачки» рабочего тела, подводя к нему энергию, например в виде световых или электрических импульсов. Рабочее тело помещается в оптический резонатор, при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально возрастает благодаря механизму вынужденного излучения. При этом энергия накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление, и выходная мощность будет крайне мала.


41. Молекулярные спектры.


Молекулярные спектры, оптические спектры испускания и поглощения, а также комбинационного рассеяния света, принадлежащие свободным или слабо связанным между собой молекулам. М. с. имеют сложную структуру. Типичные М. с. — полосатые, они наблюдаются в испускании и поглощении и в комбинационном рассеянии в виде совокупности более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и близкой инфракрасной областях, распадающихся при достаточной разрешающей силе применяемых спектральных приборов на совокупность тесно расположенных линий. Конкретная структура М. с. различна для различных молекул и, вообще говоря, усложняется с увеличением числа атомов в молекуле. Для весьма сложных молекул видимые и ультрафиолетовые спектры состоят из немногих широких сплошных полос; спектры таких молекул сходны между собой.
42. Частица в потенциальной яме. Энергетический спектр.

Согласно квантовой механике, частица, находящаяся в П. я. со «стенками» конечной толщины, может покинуть П. я. за счёт туннельного эффекта даже в том случае, если её энергия меньше высоты ямы. В квантовой механике под туннельным эффектом подразумевается прохождение частиц сквозь потенциальный барьер, когда полная энергия частиц меньше высоты этого барьера.

В квантовой физике частица, движущаяся в свободном пространстве, может обладать любой энергией. Ее энергетический спектр — сплошной. У частицы, которая движется в силовом поле, удерживающем ее в ограниченной области пространства, спектр собственных значений энергии оказывается дискретным.
43. Волны де Бройля. Уравнение Шредингера.

Волны де Бройля, волны, связанные с любой движущейся микрочастицей, отражающие их квантовую природу. В 1924 Л. де Бройль выступил с поразительной по смелости гипотезой о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем без исключения видам материи — электронам, протонам, атомам и т.д., причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и установленные ранее для фотонов. А именно, если частица имеет энергию E и импульс p, то с ней связана волна, частота которой v = E/h и длина волны  = h/p. Эти волны и получили название В. де Б.

Дуальная корпускулярно-волновая природа квантовых частиц описывается дифференциальным уравнением Шредингера:

— основное уравнение нерелятивистской квантовой механики. Здесь m — масса частицы, U(x,y,z,t) — потенциальная энергия частицы в силовом поле, где частица движется, — оператор Лапласа, — искомая волновая функция частицы, i — мнимая единица.
44. Принцип неопределенности Гейзенберга.

Если приготовлены несколько идентичных копий системы в данном состоянии, то измеренные значения координаты и импульса будут подчиняться определенному распределению вероятности — это фундаментальный постулат квантовой механики. Измеряя величину стандартного отклонения ?x координаты и стандартного отклонения ?p импульса, мы найдем что: ,

где «» является постоянной Планка h поделенной на 2?. Отметьте, что это неравенство даёт несколько возможностей — состояние может быть таким, что x может быть измерен с высокой точностью, но тогда p будет известен только приблизительно, или наоборот p может быть определен точно, в то время как x — нет. Во всех же других состояниях, и x и p могут быть измерены с «разумной» (но не произвольно высокой) точностью.

В повседневной жизни мы обычно не наблюдаем неопределенность потому, что значение h чрезвычайно мало.

По лекциям: закон неопределенности означает, что з. сохр. энергии может быть нарушен на короткое время, причем — нужно для объяснения мезонов и прочей ерунды.
45. Принцип Паули. Фермионы и бозоны.

Принцип Паули, который часто называют еще принципом запрета, ограничивает число электронов, которые могут находиться на одной орбитали. Согласно принципу Паули, на любой орбитали может находиться не более двух электронов и то лишь в том случае, если они имеют противоположные спины (неодинаковые спиновые числа). Поэтому в атоме не должно быть двух электронов с одинаковыми четырьмя квантовыми числами (n, l, ml, ms) (вообще лучше не писать вещи, о которых не знаешь!).

Фермионы — частицы, имеющие спин, равный h/4?, называют фермионами.К фермионам относятся электроны, протоны, нейтроны.

В природе существуют частицы, например, фотоны и некоторые ядра, обладающие спином, равным h/2?, эти частицы называют бозонами.

Для справки: любая частица может обладать двумя видами углового момента: орбитальным угловым моментом и спином. В отличие от орбитального углового момента, который порождается движением частицы в пространстве, спин никак не связан с движением в пространстве. Спин — это внутренняя характеристика частицы, причём характеристика исключительно квантовая, не имеющая места в классической механике (вспомним, что в классической механике материальная точка, по определению, есть объект без каких-либо внутренних степеней свободы).
46. Периодическая система элементов Менделеева.

Периодическая система элементов (таблица Менделеева) — классификация химических элементов, позволяющая выявить зависимость их различных свойств от атомной массы (точнее, от числа протонов в атомном ядре). Система разработана русским химиком Д. И. Менделеевым в 1869—1871 годы на основании открытого им в 1869 году периодического закона и является его графическим выражением. Всего предложено несколько сот вариантов изображения периодической системы (аналитических кривых, таблиц, геометрических фигур и т. п.). В современном варианте системы предполагается сведение элементов в двухмерную таблицу, в которой каждый столбец (число столбцов составляет 8) определяет основные физико-химические свойства, а строки представляют собой периоды, в определенной мере подобные друг другу.
47. Зонная теория твердых тел. Проводники, изоляторы и полупроводники.

Зонная теория твёрдого тела — раздел квантовой механики, рассматривающий движение электронов в твёрдом теле. Свободные электроны могут иметь любую энергию — их энергетический спектр непрерывен. Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетический спектр электронов существенно иной, он состоит из отдельных разрешенных зон, разделённых зонами запрещенных энергий.

Полупроводник — материал, электрические свойства которого в сильной степени зависят от концентрации в нём химических примесей и внешний условий (температура, излучение и пр.). Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет 0-6 электрон-вольта, например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам.
48. Структура атомного ядра. Нуклоны. Изотопы.

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомное ядро, рассматриваемое как частица с определённым числом протонов и нейтронов, часто называется нуклидом.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре полностью определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами.
49. Радиоактивные излучения.

Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:

Спектры ?- и ?-излучений прерывистые («дискретные»), а ?-распада — непрерывный.
50. Радиоактивный распад.

Радиоактивность — явление спонтанного превращения неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно другого элемента) (радиоактивный распад), или (реже) — явление спонтанного испускания ?-частиц без превращения.

Установлено, что все химические элементы с порядковым номером, большим 83 — радиоактивные.

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем, через соответствующие ядерные реакции.
51. Цепная реакция ядерного деления. Атомные электростанции.

Цепная ядерная реакция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

Атомная электростанция (АЭС) — комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путём использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции.
52. Ядерные реакции синтеза.

Термоядерная реакция (синоним: ядерная реакция синтеза) — разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые.

Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие. Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.

Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер.


53. Ядерные силы. Мезоны.

Сильное взаимодействие (ядерное взаимодействие) — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. Сильное взаимодействие действует в масштабах атомных ядер и меньше, отвечая за притяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах.

В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны, а также составленные из них элементарные частицы, называемые адронами.

Мезоны — неустойчивые элементарные частицы. Механизм ядерного взаимодействия является обменным, собственно частицы обмениваются мезонами. Мезон в 200—300 раз тяжелее электрона. Мезоны бывают пи-мезонами (пионами) и мю-мезонами (мюонами). Теория Юкавы — о пионах. Мюон имеет отрицательный заряд и спин равный Ѕ.
54. Распад нейтрона. Нейтрино.

Бета-распад нейтрона — спонтанное превращение свободного нейтрона в протон с излучением ?-частицы (электрона) и электронного антинейтрино.

Иногда нейтрон распадается на протон, мюон и антинейтрино (ню с индексом мю).

Нейтрино — стабильные нейтральные лептоны с полуцелым спином, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом.
55. Кварковая модель элементарных частиц.

Кварки — фундаментальные частицы, из которых состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных сортов (чаще говорят — ароматов) кварков, свойства которых приведены в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой цвет. В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три, так называемых, поколения (они так и представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — (?1/3). Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде.

1 поколение — нижний и верхний (D и U), 2 поколение — странный и очарованный (S и C), 3 поколение — прелестный и истинный (B и T).
56. Антивещество.

Античастица — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой заряд, барионное и лептонное квантовое число).

Антивещество — материя, составленная из античастиц. По современным представлениям, силы, определяющие структуры материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы) совершенно одинаковы как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть почти идентична структуре обычного вещества. Отличие вещества и антивещества возможно только за счёт слабого взаимодействия, однако при обычных температурах слабые эффекты пренебрежимо малы.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации