Фізика, методичні вказівки до контрольних робіт

не залежить від природи випромінювача, зокрема, стінок (їх випромінювальної і поглощательной здібностей і стану поверхні). Розглянемо дві порожнини, стінки яких нагріті до однакової температури T, але зроблені з різних матеріалів. Припустимо, що спектральна щільність енергії випромінювання залежить від природи випромінювача і різна в обох порожнинах. Тоді, з'єднавши порожнини, можна порушити рівновагу. Випромінювання буде переходити в ту порожнину, в якій його щільність менше. В результаті цього щільність випромінювання в цій порожнині виросте, стінки порожнини будуть поглинати більше енергії, а їх температура підвищиться. Між стінками обох порожнин виникає різниця температур, яка може бути використана для отримання корисної роботи. Таким чином, зроблене припущення призводить до висновку про можливість побудови вічного двигуна 2-го роду, що, як відомо, неможливо. Таким чином, доведено, що

T) є універсальна функція частоти і температури.

Випромінювання випромінювальних і поглощательная властивостей матеріальних тіл привело Кирхгофа до встановлення важливою теореми, названої теоремою Кірхгофа.

Назвемо випромінювальною здатністю довільного тіла величину E (

і може приймати значення від -1 до +1. Наприклад, l = 2, m = -2, -1,0,1,2. Назва магнітного квантового числа запозичене з досвіду: було виявлено, що при газовому розряді спектральні лінії розщеплюються в магнітному полі на кілька ліній, розташованих близько один до одного (ефект Земана).

Є ще спіновий квантове число mS. яке приймає лише два значення 1/2 і -1/2. Існування цього квантового числа годі було з рівняння Шредінгера. Вказівка ​​про необхідність введення mS вперше було отримано з досвіду. Ретельне дослідження спектральних ліній атома водню показало, що кожна лінія в дійсності складається з двох (або більшої кількості) ліній. Це явище отримало назву тонкої структури.

Два електрона можуть перебувати в атомі в одному і тому ж квантовому стані. Інакше кажучи, 2 електрони не можуть мати однакового набору квантових чисел n, e, m, mS. Принцип заборони Паулі становить основу розуміння не тільки структури складних атомів, а й природи молекул і хімічного зв'язку та інших явищ. Принцип застосуємо до всіх частинкам з підлозі цілим спіном (1/2, 3/2), тобто до електронів, протонів, нейтронів і т.д. але не до фотонам.

Поглинання світла речовиною. Закон Бугера. Спонтанне і вимушене випромінювання

При проходженні світлової хвилі через речовину частина енергії хвилі витрачається на збудження коливань електронів. Інтенсивність світла при проходженні зменшується за законом Бугера

Тут I0 - інтенсивність світла при вході в поглинаючий шар, x - товщина шару, - постійна, яка називається коефіцієнтом поглинання.

Спонтанне і вимушене випромінювання

Розглянемо випромінювання на прикладі двох рівнів - основного і збудженого з енергіями E1 і E2. При переході електрона з рівня E2 на E1 енергія системи зменшується, а надлишок енергії випромінюється у вигляді кванта

У цьому випадку говорять про спонтанне випромінювання. Ейнштейн припустив, що якщо в подібній ситуації близько атома пролітає фотон, енергія якого в точності дорівнює h # 957; 21. то може статися вимушений (індукований) перехід електрона з рівня E2 на E1. Це і є вимушене випромінювання, завдяки якому з'явилися підсилювачі випромінювання - квантові генератори.

Зонна теорія твердого тіла. Енергетичні зони в кристалах.

Електрони в окремому атомі можуть займати лише певні енергетичні рівні. Найнижчий рівень відповідає основному стану, а більш високі рівні - збудженим станам. У твердому тілі дозволені енергетичні рівні внаслідок взаємодії атомів розмиваються, перетворюючись в високі смуги або зони. Зовнішні електрони можуть виявитися в одній з двох зон: або в нижній валентній зоні, відповідної основного стану, або у верхній - зоні провідності. Електрони не можуть мати енергії в забороненій щілини між цими двома зонами. Зазвичай електрони перебувають у валентній зоні, де вони сильно пов'язані з окремими атомами. У хорошого діелектрика валентна зона заповнена, а щілину між зонами досить широка (> 1еВ).

Вільних станів, які могли б зайняти електрони, немає, перейти через заборонену зону електрони можуть лише зрідка (випадкові зіткнення з іншими електронами) .В хорошому провіднику такий щілини немає і електрони вільно переміщаються по решітці кристала, забезпечуючи його високу провідність

У чистих напівпровідниках щілину невелика і деяка частина електронів (невелика) може переходити з валентної зони в зону провідності, що забезпечує слабку провідність напівпровідників. З підвищенням температури число перейшли електронів буде рости і опір його падає.

У легованих провідниках домішки створюють додаткові рівні енергії між зонами. У напівпровідниках n-типу домішковий енергетичний рівень лежить трохи нижче дна зони провідності.

Електрони на цьому рівні можуть легко отримати додаткову енергію для переходу в зону провідності. Так як цей рівень поставляє електрони в зону провідності, він називається однорідним.

У напівпровідниках р-типу домішковий валентний рівень розташований трохи вище стелі валентної зони.

Він називається акцепторним, так як електрон з валентної зони легко може переходити на нього. В результаті утворюється позитивно заряджена дірка. При заповненні дірок електронами вона переміщається, забезпечуючи провідність напівпровідника. Якщо напівпровідник n-типу з'єднати з напівпровідником р-типу, то отримаємо діод з р-n-переходом. Кожен з напівпровідників окремо електронейтрален, але в результаті з'єднання, кількість електронів поблизу контакту перейде за рахунок дифузії з напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу і заповнить там деяку кількість дірок. В результаті напівпровідник n-типу позитивний заряд, а напівпровідник р-типу - негативний. Виникає різниця потенціалів, яка стане на заваді подальшій дифузії електронів. Якщо підключити до такої системи джерело напруги, то отримаємо транзистор. Можна зробити транзистори типу р-n-р або n-р-n.

Рівень Фермі являє енергію електрона на вищому зайнятому рівні. Наприклад, якщо в ящику є n електронів, то за принципом Паулі вони займуть n / 2 рівнів (на кожному рівні по два електрони з протилежними спинами). Енергії Фермі буде відповідати рівень з номером n / 2.

Склад і характеристика атомного ядра

Модель атомного ядра була розроблена на початку 30-х років. Відповідно до цієї моделі, ядро ​​складається з частинок двох типів протонів і нейтронів. Протон - це ядро ​​атома гелію з зарядом l = 1,6 · 10 -19 Кл і масою m = 1,672 · 10 -27 кг. Нейтрон має нульовий заряд і m = 1,675 · 10 -27 кг. Їх об'єднують під загальною назвою нуклон, який може знаходитися як би в двох станах. Число протонів в ядрі дає атомний номер і позначається буквою Z. Загальне число нуклонів називають масовим числом. Число нейтронів одно N = A-Z. В ядрах одного хімічного елемента число нейтронів може бути по-різному, а число протонів завжди одне і теж. Подібні елементи називаються ізотопами. наприклад,

дорівнює 4,002603 а.е.м. Сума мас двох нейтронів і двох протонів (навіть якщо забути про електрони)

Що в сумі дає 4,032980 а.е.м. (Маси ядер вимірюють в атомних одиницях маси (а.е.м. або 1 а.е.м = 931,5016 МеВ / с). Куди зникла частина маси? Різниця мас називають енергією зв'язку ядра вона показує, яку енергію необхідно затратити, щоб розділити ядро ​​на складові його протони і нейтрони. Якби маса гелію була б в точності дорівнює масі двох нейтронів і протонів, то ядро ​​розпадалося б мимовільно, без повідомлення йому додаткової енергії.

Виникає питання, чому ядро ​​не розлітається на частини незважаючи на сили відштовхування між протонами? Так як стабільні ядра існують, ясно, що повинна діяти якась інша за своєю природою сила, що перевершує кулонівську силу відштовхування, і вона отримала назву сильного (ядерного) взаємодії. Точний математичний опис сильної взаємодії поки невідомо. Діє ця сила на відстані близько 10 -15 м, а потім убуває до нуля, тобто це дуже короткодействующие сили.

При A> 40 число нейтронів в ядрах перевищує число протонів. При дуже великих надлишок нейтронів не в змозі компенсувати кулоновское відштовхування і при Z> 82 стабільних ядер не існує.

Необхідно згадати про існування ще одного типу ядерного взаємодії - слабке взаємодія. Воно проявляється в існуванні определеннная типів радіоактивного розпаду.

Радіоактивність виникає в результаті розпаду нестабільного ядра. Багато нестабільні ізотопи зустрічаються в природі. Їх радіоактивність називається природною.

Резерфорд і ряд інших фізиків виявили, що по проникаючої здатності випромінювання можна розділити на три різні види. Випромінювання одного виду ледь проходить через аркуш паперу. Випромінювання іншого виду проходило через пластинки алюмінію завтовшки до 3 мм. Випромінювання третього виду проходило через шар свинцю в кілька сантиметрів. Їх назвали відповідно альфа (# 945;), бета (# 946;) і гамма (# 947;) випромінюванням. Всі три види мають різний електричний заряд і по різному відхиляються в магнітному полі. Альфа-частинки являють собою ядра гелію. Бета-частинки - це звичайні електрони, а гамма-частинки - це фотони великої енергії, більшої ніж у рентгенівських фотонів.

При бета-розпаді утворюється ще одна частинка - нейтрино, передбачена в 1934 році і виявлена ​​1956 р

При радіоактивному розпаді виконуються всі закони збереження плюс закон збереження числа нуклонів.

Швидкість розпаду будь-якого ізотопу характеризується його періодом напіврозпаду - проміжок часу, за який розпадається половина початкової кількості ізотопу в даному зразку. Наприклад, для C6 14. T = 5730 років.

Розподіл ядер і ланцюгова реакція

Час життя проміжного ядра

дорівнює 10 -12 с. Осколки можуть бути різної природи

В результаті реакції поділу вивільняється величезна кількість енергії, так як маса ядра значно більше сумарної маси уламків поділу. Різниця мас порядку 0,9 МеВ на нуклон, а для 236 нуклонів отримаємо близько 200 МеВ. Для ядерних масштабів це величезна енергія. І якщо одночасно ділиться велике число ядер урану то і макроскопічних масштабах буде виділятися величезна енергія. Фізики (Фермі) зрозуміли що нейтрони, що випускаються в кожному акті поділу можна використовувати для ланцюгової реакції: один нейтрон викликає поділ одного ядра урану; два або три утворилися нейтрона викличуть додаткові акти поділу і так далі. І процес буде лавиноподібно наростати. У 1942 Фермі з співробітниками запустили перший ядерний реактор. Різниця між ядерним реактором і атомною бомбою полягає в швидкості вивільнення енергії. Для виробництва вибуху досить зблизити дві підкритичні маси.

Маса будь-якого стабільного ядра менше суми складових його протонів і нейтронів. Отже, якщо два протони і два нейтрони привести в зіткнення, щоб утворилося ядро ​​гелію, то це супроводжувалося б зменшенням маси, що проявиться у виділенні величезної кількості енергії. Освіта ядер в процесі злиття окремих протонів і нейтронів або легких ядер називається ядерним синтезом. В даний час ядерний синтез йде в надрах зірок в тому числі і нашого.