Определения физических величин, их единицы измерения в СИ, основные законы физики. Квантовая и атомная физика. Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

__________________

, 

КРАТКИЙ  КУРС  ФИЗИКИ

Часть 3

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве программы и методических указаний по изучению курса «Физика» для студентов заочной формы обучения

Омск 2012

УДК  530.1(075.8)

ББК  22.3

К83

Краткий курс физики. Часть 3: Программа и методические указания по изучению курса «Физика» / , ; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. 41 с.

Методические указания содержат рабочую программу разделов  «Волновая оптика», «Квантовая и атомная физика», «Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц», «Физика твердого тела» дисциплины «Физика» и краткое изложение основных вопросов этих разделов.

Приведены определения физических величин, их единицы измерения в СИ, основные законы физики.

Предназначены для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения.

Библиогр.: 12 назв. Рис. 10. Табл. 1.

Рецензенты: ;  

                                   доктор физ.-мат. наук, доцент Г. И. Косенко  

________________________

© Омский гос. университет путей  сообщения,   2012 ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................................................5

1.  Рабочая программа дисциплины «Физика»...................................................6

2.  Волновая оптика...............................................................................................8

3.  Квантовая и атомная физика ........................................................................15

4.  Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц ....................23

5.  Физика твердого тела ....................................................................................28

Библиографический список................................................................................40

5.1.  Волновая оптика......................................................................................6

5.2.  Квантовая и атомная физика.................................................................6

5.3.  Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц..............7

5.4.  Физика твердого тела..............................................................................7

               4 ВВЕДЕНИЕ

Волновая оптика, квантовая, атомная, ядерная физика и физика элементарных частиц, физика твердого тела являются завершаемыми разделами курса физики, которыми студенты заканчивают изучение этого предмета в ВУЗах.

Волновая оптика изучает оптические явления, в которых проявляется волновая природа света (дисперсия, интерференция, дифракция, поляризация). Квантовая оптика изучает явления, в которых проявляются квантовые свойства света (тепловое излучение, фотоэлектрический эффект, эффект Комптона и др.).

Физика атомов, молекул и их коллективов, в частности кристаллов, а также атомных ядер и элементарных частиц изучается в квантовой, атомной, ядерной физике, физике элементарных частиц и физике твердого тела. В основе квантовой физики лежат представления Планка о дискретном характере изменения энергии атомов, Эйнштейна о фотонах, данные о квантованности некоторых физических величин (например, импульса и энергии). Основополагающей в квантовой физике является идея о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств, установленная для света, имеет универсальный характер. Все частицы, имеющие конечный импульс, обладают волновыми свойствами, и их движение сопровождается некоторым волновым процессом.

В основных учебных пособиях [1 – 12] вопросы по изучению физики излагаются подробно, зачастую с громоздкими математическими выкладками, что существенно затрудняет самостоятельную работу студентов.

В методических указаниях даны рабочая программа разделов «Волновая оптика», «Квантовая и атомная физика», «Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц», «Физика твердого тела», определения физических понятий, кратко излагаются основные физические законы и закономерности физики, приводится запись этих законов в математической форме.

Данные методические указания помогут студентам в самостоятельном изучении курса физики в период экзаменационной сессии.

1. РАБОЧАЯ  ПРОГРАММА  ДИСЦИПЛИНЫ  «ФИЗИКА»

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

Показатель преломления света. Законы отражения и преломления света.

Полное внутреннее отражение. Дисперсия света и ее электронная теория.

Принцип суперпозиции волн. Монохроматичность и когерентность световых  волн. Метод Юнга. Интерференция света от двух точечных источников.

Интерференция света в тонких пленках. Интерферометры.

Дифракция световых волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция света на круглом отверстии и диске. Дифракционная решетка.

Поляризация света. Естественный и  поляризованный свет. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Поляризация света при двойном лучепреломлении. Закон Малюса. Искусственная оптическая анизотропия.

КВАНТОВАЯ И АТОМНАЯ ФИЗИКА

Противоречия классической физики. Тепловое излучение и его основные законы. Энергетическая светимость. Поглощательная и излучательная способности. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина.

Формула Рэлея-Джинса. Квантовая гипотеза и формула Планка. 

Корпускулярные свойства излучения. Фотоны. Энергия, импульс и масса фотона. Тормозное рентгеновское излучение. Фотоэффект и его основные законы. Уравнение Эйнштейна. Эффект Комптона. Давление света.

Гипотеза и формула де Бройля. Дифракция электронов. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Границы применимости классической механики.

Волновая функция и ее статистический смысл. Плотность вероятности. Уравнение Шредингера. Свободная частица. Туннельный эффект. Частица в "потенциальной яме". Квантование энергии и импульса частицы. Спектр энергий. Квантовый гармонический осциллятор. Нулевые колебания.

Атом водорода в квантовой механике. Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации атома. Спектральные серии линий. Квантовые числа. Спин электрона. Правила отбора. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Периодическая система элементов Менделеева.

Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение. Инверсная населенность уровней. Лазер. Конструкция и принцип работы  лазера. Свойства лазерного излучения. Практическое использование лазеров.

ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ И ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Заряд, размер и масса атомного ядра. Массовое и зарядовое числа. Состав ядра. Нуклоны. Взаимодействие нуклонов и понятие о свойствах и природе ядерных сил. Дефект массы и энергия связи ядра. Удельная энергия связи.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. 

Ядерные реакции и законы сохранения. Энергия реакции. Деление тяжелых ядер. Цепная реакция деления. Атомный реактор. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций.

Элементарные частицы, их классификация и взаимные превращения. Типы фундаментальных взаимодействий. Лептоны, адроны, кварки и кванты фундаментальных полей – переносчиков взаимодействий. Частицы и античастицы.

Единая теория взаимодействий.

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Зонная теория твердых тел. Распределение электронов в кристалле по квантовым состояниям (распределение Ферми-Дирака). Металлы, диэлектрики и полупроводники.

Тепловые свойства кристаллов. Закон Дюлонга-Пти. Фононы. Распределение фононов по энергиям (распределение Бозе-Эйнштейна). Квантовая теория теплоемкости кристаллов. Теплопроводность твердых тел.

Электропроводность металлов. Зависимость сопротивления металла от температуры. Сверхпроводимость. Высокотемпературные сверхпроводники.

Собственные и примесные полупроводники. Проводимость полупроводников и ее температурная зависимость. Терморезисторы.

Фотопроводимость полупроводников. Красная граница фотопроводимости. Полупроводниковые фотоэлементы.

Контакт электронного и дырочного полупроводников. Полупроводниковый диод, транзистор.

Термоэлектронная эмиссия и ее практической применение. Контакт двух металлов. Термопара.

2. ВОЛНОВАЯ  ОПТИКА

По электромагнитной теории свет – это электромагнитная волна, которая в вакууме движется со скоростью с = 3,0⋅10⁸ м/с, а в любой другой прозрачной среде скорость ее меньше.

Физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз скорость света в данной среде υ меньше, чем в вакууме с, называется  абсолютным показателем преломления среды  n c=υ.

Если луч света попадает на границу раздела двух сред с разными показателями преломления n₁ и n₂, то он частично отражается и частично преломляется.

При этом справедливы законы геометрической оптики: 

− закон отражения: луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости, и угол падения α равен углу отражения γ (α = γ);

− закон преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости, и

^sinα = ⁿ² .             (1) sinβ n₁

где β −угол преломления. 

Из (1) следует, что если n₂ >n₁, то α> β всегда, значит, при этом всегда есть преломленный луч. А если n₁ >n₂, то β > α. Тогда при определенном угле падения α₀ угол преломления может стать равным 90° (β = 90°), т. е. преломленного луча не будет, будет только отраженный.

Это явление называется полным внутренним отражением света, а угол падения α₀ называют предельным углом полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения электромагнитного излучения нашло широкое применение в медицине, оптоволоконной связи и других областях.

Если на границу раздела двух сред направить электромагнитные волны