06 07 Квантовая Механика. СТО (определения)

Принципы (постулаты) теории относительности Эйнштейна:

  1. Все законы природы выполняются одинаково во всех инерциальных системах отсчета

  2. Скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета

Взаимосвязь массы и энергии: полная энергия тела равна произведению его массы на квадрат скорости света.

Гипотеза Планка – при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая порция имеет энергию пропорциональную частоте излучения.

Гипотеза де Бройля: корпускулярно-волновой дуализм не является особенностью только оптических явлений (когда э/м волна связана с квантами света), а имеет универсальный характер. Частицы вещества также обладают волновыми свойствами. Волны де Бройля связаны с любыми частицами и отражают их волновую природу. Частице соответствует волна амплитуды вероятности, определяющая плотность вероятности обнаружения частицы в заданной точке пространства (трактовка М. Борна).

Постоянная Планка – коэффициент пропорциональности между энергией кванта и его частотой. Равна 6,626 070 15 × 10−34 Дж·c

Квант света (Фотон) – элементарная безмассовая частица, способная существовать, только двигаясь со скоростью света.

Фотоэффект – явление взаимодействия электромагнитного излучения с вещества, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. Внешний фотоэффект - поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела.

Законы фотоэффекта:

  1. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения

  2. Максимальная кинетическая энергия выбиваемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности

  3. Для каждого вещества при определённом состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая ей длина волны называется красной границей фотоэффекта

Применение фотоэффекта в технике: фотоэлементы:

  1. Фотореле (при освещении – ключ замкнут)

  2. Фоторезистор (сопротивление зависит от освещенности)

  3. Фотодиод (преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе)

Давление света –  давление, которое оказывает световое излучение, падающее на поверхность тела. Черной поверхностью фотоны поглощаются, а от белой отражаются (поэтому свет передает белой поверхности импульс в два раза больше, чем черной)

Опыт Резерфорда: Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Резерфорд пришел к выводу (на основании того, что некоторые альфа-частицы возвращались обратно), что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре в очень массивном и компактном ядре. А отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра. Получилась планетарная модель атома (ядерная модель атома).

Ядерная модель атома (планетарная): в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны

Протонно-нейтронная модель ядра: Если бы ядро состояло из одних протонов, то масса ядра любого химического элемента равнялась бы массе Z протонов. Но на самом деле масса ядер всех элементов гораздо больше. Поэтому в 1920 г. Резерфорд высказал предположение о существовании электрически нейтральной частицы. Позднее эта частица была обнаружена экспериментально. Ее назвали нейтроном. В 1932 г. предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Общее число нуклонов (протоны + нейтроны) называется массовым числом А.

Квантовые постулаты Бора:

  1. (постулат стационарных состояний): электрон в атоме может находиться только в особых (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. Когда электрон находится в стационарном состоянии, вращаясь по орбите, он не излучает. Стационарные состояния можно пронумеровать, причем каждое состояние обладает своей фиксированной энергией.

  2. (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергий электрона в данных состояниях. Состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным, а состояния с большей энергией - возбужденными. В основном состоянии электрон может находиться неограничено долго

  3. (правило квантования орбит): стационарные электронные орбиты находятся из условия: длина волны электрона должна укладываться на орбите целое число раз

Излучение и поглощение света атомом: при излучении атом переходет из возбужденного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При поглощении, атом переходит из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией.

Образование линейчатого спектра: согласно 1-му и 2-му постулатам Бора, атом может излучать и поглощать кванты только с определенными энергиями, которые соответствуют определенным частотам. Набор всех возможных частот – образует линейчатый спектр атома.

Виды спектров:

  1. Непрерывный. Присутствуют все частоты. Дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы

  2. Линейчатый (атомы) . Дают вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии.

  3. Полосатый (молекулы). Дают не атомы, а молекулы, не связанные или слабо связанные друг с другом (вследствие поглощения или излучения энергии связями между атомами: связь может поглощать и излучать кванты произвольных частот из некоторого диапазона, в результате чего возникает колебание атомов связи)

Спектральная серия - набор спектральных линий, которые получаются при переходе электронов с любого из вышележащих энергетических состояний на один нижележащий, являющийся основным для данной серии. Точно также в поглощении при переходе электронов с данного основного уровня на любой другой вышележащий образуется спектральная серия.

Спектральные серии атома водорода (по формуле Ридберга):

  1. Лаймана (основное состояние: n=1)

  2. Бальмера (основное состояние: n=2)

  3. Пашена (основное состояние: n=3)

Лазер (light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения») - опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения (генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) между двумя состояниями (с более высокого на более низкий энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого равна разности энергий этих состояний. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными).

Когере́нтность (от лат. cohaerens — «находящийся в связи») — в физике скоррелированность (согласованность) нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени, и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.

Мо́нохро́мное излуче́ние (от др.-греч. μόνος — один, χρῶμα — цвет) — электромагнитное излучение, обладающее одной частотой (длиной волны)

Поляризация — явление направленного колебания векторов напряжённости электрического поля E или напряжённости магнитного поля H.

Применение лазеров:

  1. Наука (термоядерный синтез, спектроскопия и т.д.)

  2. Медицина (коррекция зрения, удаление опухолей, лапароскопия и т.д.)

  3. Вооружение (лазерное оружие, лазерные прицелы, дальномеры и т.д.)

  4. Промышленность (лазерная термообработка, сварка, резка дерева, металлов и т.д.)

  5. Информационные технологии (голография, волоконно-оптическая связь, хранение информации на оптических носителях, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов и т.д.)

  6. Культура (лазерные шоу, объемное гравирование прозрачных материалов и т.д.)

  7. Быт (указки, дальномеры, угломеры, системы навигации (гироскопы) и т.д.)

Состав атомного ядра: нуклоны (протоны (положительно заряженные) и нейтроны (нейтральные)), связанные при помощи сильного взаимодействия

Нуклид — это каждый отдельный вид атомов какого-либо химического элемента с ядром, состоящим из строго определённого числа протонов (Z) и нейтронов (N), причём ядро находится в определённом энергетическом состоянии (основном состоянии или одном из изомерных состояний (возбуждённых состояний с достаточно большим временем жизни)).

Изотопы – разновидности атомов одного химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра Z, отличающиеся лишь числом нейтронов N (изотопическим числом)

Протон – положительно заряженная элементарная частица. Заряд равен элементарному. Масса в 1836 раз больше массы электрона. Масса незначительно больше 1 а.е.м.

Нейтрон – нейтральная элементарная частица (не имеет электрического заряда). Масса незначительно больше 1 а.е.м. (немного больше чем у протона). Может распадаться в свободном состоянии на протон электрон и антинейтрино. Время жизни нейтрона около 15 минут. В ядрах нейтрон может быть стабильным.

Электрон – отрицательно заряженная элементарная частица. Заряд по модулю равен элементарному.

Позитрон – античастица электрона. Имеет положительный заряд, равный элементарному. Масса равна массе электрона. Все физические характеристики позитрона и электрона, кроме знака электрического заряда, совпадают.

Ядерные силы – силы действуют только на малых расстояниях (порядка 10-15м), являются только силами притяжения, и должны быть значительно больше сил Кулоновского отталкивания (для того, чтобы соединить протоны в ядро). Ядерные силы действуют одинаково между протоном и нейтроном, между двумя протонами и между двумя нейтронами.

Радиоактивный распад – спонтанное изменение состава (заряда Z, массового числа A) или внутреннего строения нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и/или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоакти́вностью, а соответствующие нуклиды — радиоактивными (радионуклидами). Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Период полураспада – время, за которое распадается половина от начального количества радиоактивных атомов образца.

Энергия связи атомного ядра – энергия, которую надо затратить, чтобы, преодолев ядерные силы, расщепить ядро на отдельные нуклоны. Как следует из закона сохранения энергии, если ядро образуется из отдельных нуклонов, то энергия связи ядра в момент его формирования выделяется в виде излучения. Из этого очевидно, почему масса ядра всегда меньше суммарной массы отдельных нуклонов, из которых оно состоит.

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии — энергии возбуждения

Цепная ядерная реакция – последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности.

Деление ядер урана: при попадании теплового нейтрона (медленного, температура которого сравнима с комнатной) в ядро урана 235, наиболее вероятен процесс

Ядерный реактор – устройство, предназначенное для организации управляемой, самоподдерживающейся цепной реакции деления, которая всегда сопровождается выделением энергии. Для управления реактором используют поглощающие стержни, вводимые в активную зону, изготовленные из материалов, сильно поглощающих нейтроны. Движение стержней управляется оператором или автоматически.

Критическая масса – в ядерной физике минимальная масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления (при массе меньше критической, некоторые нейтроны вылетают из зоны деления, что сокращает число делений в новых стадиях цепной реакции, и приводит к её затуханию). Коэффициент размножения нейтронов в таком количестве вещества больше единицы или равен единице. Размеры, соответствующие критической массе, также называют критическими. При массе больше критической цепная реакция может лавинообразно ускоряться, что приводит к ядерному взрыву.

Ядерная бомба – состоит из разделенных кусков ядерного вещества (например, двух), масса каждого из которых меньше критической, поэтому коэффициент размножения нейтронов в них меньше единицы. Если эти куски соединить, то их суммарная масса станет больше критической, и коэффициент размножения нейтронов станет больше единицы, что приведет к цепной неуправляемой ядерной реакции (когда количество распавшихся ядер на каждом этапе деления увеличивается в геометрической прогрессии).

Термоядерная реакция – разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счёт кинетической энергии их теплового движения. При высоких температурах положительно заряженные ядра имеют достаточную скорость для преодоления кулоновского барьера отталкивания, и приближаются друг к другу на расстояние, на котором происходит сильное взаимодействие. Ядерные силы, притягивающие ядра, сообщают им большу́ю кинетическую энергию за счет уменьшения потенциальной. В результате высвобождается энергия (кинетическая энергия системы увеличивается, также образуются гамма-кванты). Термоядерная реакция происходит, например, на Солнце.

Радиоактивность – физический процесс самопроизвольных превращений атомных ядер.

Виды радиоактивного излучения:

  1. Альфа излучение – поток альфа частиц (ядро атома гелия). Его может остановить лист бумаги. Альфа-распад – самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома гелия: два протона и два нейтрона).

  2. Бета излучение – поток электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света: 0,999с. Его может остановить лист металла толщиной несколько миллиметров. Бета-распад — это проявление слабого взаимодействия; это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра, вследствие превращение нейтрона в протон, электрона и электронного антинейтрино.

  3. Гамма излучение – поток фотонов с длиной волны менее 3 × 10−11 метров (более 1019 Гц). Его может остановить свинцовая стена толщиной в несколько метров. Гамма-распад (изомерный переход) – излучение гамма квантов ядром, находящемся в изомерном (долгоживущем, возбужденном) состоянии при его переходе в основное состояние.

Корпускулярно-волновой дуализм – свойство природы, состоящее в том, что материальные микроскопические объекты могут при одних условиях проявлять свойства классических волн, а при других — свойства классических частиц. (пример: свет может проявлять себя как волна (дифракция, интерференция), и как частица (фотон))

Дефект масс - разность между суммой масс покоя отдельно взятых протонов и нейтронов, из которых состоит ядро, и массой покоя ядра.

Энергетический выход ядерных реакций - разность суммарных кинетических энергий частиц (а также энергии излучения) на «выходе» и «входе» реакции. Также это: разность начальной массы реагентов и конечной массы продуктов реакции умноженная на квадрата скорости света.

Движение частиц в ускорителе

Дифракция фотонов и электронов

Опыты Столетова

Опыты Лебедева

Опытыт Беккереля

Методы регистрации ионизирующего излучения:

  1. Камера Вильсона – в ней перенасыщенный пар, и при попадании частицы, пар начинает конденсироваться, остается трек.

  2. Пузырьковая камера – при попадании в нее частицы, она оставляет за собой трек из пузырьков (жидкость в камере перегрета за счет понижения над ней давления: температура становится выше температуры кипения).

  3. Счетчик Гейгера – радиоактивная частица ионизирует газ в нем, и возникает лавинообразный разряд: раздается щелчок.

  4. Фотоэмульсионный счетчик – частица, попадая в фотоэмульсию – засвечивает ее, и после проявления виден трек.

  5. Ионизацио́нная ка́мера — газонаполненный датчик. Измерение уровня излучения происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры, который находится между двумя электродами. Между электродами создаётся разность потенциалов. При наличии свободных зарядов в газе между электродами возникает ток, пропорциональный скорости возникновения зарядов и, соответственно, мощности дозы облучения

  6. Сцинтилляционный детектор – при попадании частицы, сцинтиллятор (особое вещество) излучает короткую вспышку света. Количество излученных фотонов пропорционально поглощенной энергии.