Тепловое излучение и его законы

Второй коллоквиум

Нагретые тела светиться, свечение тел вызванное их нагревом называет тепловым излучение.

Количественной характеристикой теплового излечения служит спектральная плотность энергетической светимости.

Где мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот от

Спектральная плотность энергетической светимости является функцией частоты излучения и температуры.

Спектральную плотность энергетической светимости можно представить также как функцию длины волны и температуры т.к.

Продифференцируем выражение

В результате получим тогда

Знак “-«в правой части этой формулы означает что при увеличении одной из величин или другая величина убывает и наоборот, опуская знак минус можем записать:

Эта формула устанавливает связь между и .

Если известно зависимость спектральной плотности энергетической светимости от частоты во всем диапазоне частот то можно рассчитать интегральную энергетическую светимость, которая зависит только от температуры.

Способность тел поглощать падающие на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью.

где – W мощность излучения падающего на единицу площади поверхности тела в интервале частот от .

Мощность излучения поглощаемого единицей площади поверхности тела в интервале частот от .

Тело способное поглощать при любой температуре все падающее на него излучение называют абсолютно черным, для абсолютно черного тела (а.ч.)

Абсолютно черных тел в природе не существует, наиболее близкими по своим свойствам к свойствам абсолютно черного тела являются сажа и черный бархат.

Идеальной моделью абсолютно черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием внутренняя поверхность которой зачернена (рис)

Закон Кирхгофа

Кирхгоф установил, что отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела и для всех тел является универсальной функцией частоты и температуры

где – универсальная функция Кирхгофа

Для абсолютно черного тела

Поэтому

Закон Стефана Больцмана

Этот закон позволяет рассчитать интегральную энергетическую светимость абсолютного черного тела

где – постойная Стефана Больцмана

Законы Вина

Как уже говорилось, универсальная функция Кирхгофа определяется: частотой излучения (длиной волны) и температурой тела.

На рисунке показано графики универсальной функции Кирхгофа в зависимости от длины волны при различных температурах

Все кривые имеют яро выраженный максимум, который смещается в строну более коротких длин волн при увеличении температуры.

Немецкий физик Вин установил зависимость позволяющую рассчитать длину волны, при которой универсальная функция Кирхгофа имеет максимальное значение:

Где – постоянная Вина

– температура тела.

Выражение (1) называют первым законом Вина

Второй закон Вина позволяет рассчитать максимальное значение универсальной функции Кирхгофа в зависимости от температуры

где - постоянная второго закона Винна

Формула Планка

Законы Кирхгофа, Стефана Больцмана, Вина имеют частный характер поскольку не устанавливаю в явном виде зависимость универсальной функции Кирхгофа от частоты излучения и температуры тела, такая зависимость была установлена в 1900 году немецким физиком Максом Планком Планк выдвинул гипотезу о том что все тела излучают не непрерывно как это предполагалось ранее а вполне определенными порциями - квантами.

Энергия такого кванта равна

Где h=6.63*10^-34 Дж*с - постоянная Планка

С – скорость света в вакууме

Пологая что энергия излучения тел квантуется Макс Планк получил в итоге зависимость универсальной функции Кирхгофа от частоты излучения и температуры тела хорошо согласующуюся с экспериментальными данными

Где k – постоянная Стефана Больцмана

Это выражение называет формулой планка для теплового излучения.

1900 год иногда называю годом рождения квантовой физики

Внешний фотоэффект и его законы

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных молекулах и атомах (фотоионизация).

Принципиальная схема для изучения фотоэффекта

Два электрода (Катод из исследуемого металла и анод – в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра можно изменять не только значение, но знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в сеть миллиамперметром

Столетов Установил некоторые закономерности

1. Наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение.

2. Под действием света вещество теряет только отрицательные заряды.

3. Сила тока возникающая под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

Вольтамперная характеристика внешнего фотоэффекта – зависимость фототока , образуемого потоком электронов, испускаемым катодом под действием света, от напряжения между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке.

Максимальное значение тока – фототок насыщения определяется таким значением , при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

где т – число электронов выпускаемых катодом за 1 с.

Для того чтобы фототок стал равен нулю, необходимо приложить задерживающие напряжение

Законы Столетова

I. При фиксированной частоте подающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света.

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой .

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света ниже которой фотоэффект невозможен

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии,

Уравнение (2) называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III законы фотоэффекта.

При некоторой достаточно малой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится

Согласно изложенному (1) получим что

и есть красная граница фотоэффекта для данного металла она зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности

Выражение (2) можно записать используя выражения (1),(3).

(Схема установки для изучения внешнего фотоэффекта, вольтамперная характеристика внешнего фотоэффекта, уравнения Эйнштейна для внешнего фото эффекта красная граница фотоэффекта)

Давление света

С точки зрения современных представлений тела испускают излучения и поглощают излучения определенными порциями – Квантами

Энергия кванта рассчитывается по формуле планка

Квант во многих отношениях ведет себя как обычная частица обладающая энергией массой и импульсом. Энергию кванта можно рассчитать по формуле Эйнштейна устанавливающей связь между полной энергией тела и его массой

Тогда масса кванта

Импульс кванта

В отличии от обычных частиц кванты не могут существовать в состоянии покоя (энергия покоя кванта равна 0) они могут существовать только в движении кванты света иногда называют фотонами так как фотон обладает импульсом то свет падающей на поверхность тела должен оказывать давление на это тело

Пусть фотон Имеющий импульс движется по нормали к поверхности плоской стенки и поглощается стенкой после соударения с ней, считаем, что до соударения с фотоном стенка покоиться рассчитаем импульс полученный стенкой в результате соударения с фотоном.

Запишем закон сохранения импульса для системы стенка-фотон в векторной форме а затем в проекциях на ось

Рассмотрим теперь случай когда фотон отражается от стенки после соударения с ней

Запишем закон сохранения импульса в векторной форме а затем в проекциях на ось

Т.К. , то

Пусть за время с поверхность плоской стенки площадью испытывает соударения фотонов которые движуться по нормали к поверхности стенки

Коэффициентом отражения называют отношение числа фотонов отраженных от стенки к числу фотонов испытавших с ней соударения

Тогдачисло фотонов отраженных от стенки за время будет равно:

А число поглощённых стенкой:

Каждый поглощённый фотон сообщает стенке импульс

А каждый отраженный фотон сообщает стенке вдвое больший импульс

Приращение импульса стенки за время t составит

Рассчитаем давление которое свет оказывает на стенку

– энергия фотонов падающих на единицу площади поверхности стенки в единицу времени (плотность потока излучения)

Эффект Комптона

Американский физик Комптон в 1923 году изучал эффекты, которые возникают при пропускании рентгеновского излучения через вещества с легкими атомами (парафин, бор).

Комптон установил, что в составе излучения прошедшего через вещество наряду с излучением имеющим первоначальную длину волны имееться также излучении с большей длиной волны Анализ опытнвх данных показал что разность длин волн

Не зависит от длины волны падающего излучения и природы рассеивающего вещества и определяется только величиной угла рассеивания

Где – постоянная планка

- скорость покоя электрона

- скорость света в вакууме

Эффект Комптона не укладывается в рамки волновой теории света, но легко объясняется на основе квантовых представлений с точки зрения квантовой теории эффект Комптона возникает в результате соударения кванта рентгеновского излучения с одним из электронов рассеивающего вещества.

Квант в результате такого соударения теряет часть своей энергии поэтому энергия кванта а следовательно и его частота после соударения с электроном уменьшается, длина волны наоборот увеличивается

При соударении кванта с электроном выполняться законы сохранения энергии и импульса. В легких атомах электроны сравнительно слабо связаны с ядром поэтому такие электроны можно приближенно считывать свободными рассматривая их соударение с квантами рентгеновского излучения.

Пусть квант до соударения с электроном имеет импульс и энергию

Электрон до столкновения с квантом считаем покоящимся его энергия покоя

где – масса покоя электрона

После соударения с электроном импульс кванта:

Энергия электрона после соударения с квантом:

а его импульс

Запишем законы сохранения импульса и энергии:

Совместное решение уравнений (2) и (3) позволяет теоритически получить формулу (1), которая была установлена на основе анализа и обобщения опытных данных.

Корпускулярно волновой дуализм свойств веществ.

Как уже говорилось свет обладает двойственной корпускулярно волновой природой, в таких например явлениях как интерференция и дифракция света проявляются его волновые свойства, а в таких явлениях как внешний фотоэффект, эффект Комптона проявляться корпускулярные свойства света.

Развивая представления двойственной корпускулярно волновой природой света, французский физик Луи де Бройль в 1824 выдвинул гипотезу о том, что не только кванты электромагнитного излучения, но вообще все тела в природе одновременно и корпускулярными и волновыми свойствами, при этом остаются в силе соотношения, установленные для фотонов.

где – энергия тела

– частота колебаний

– импульс тела

– длина волны

Вначале было недоверчивое отношение к гипотезе де Бройля, однако, вскоре было установлено экспериментально, что электроны проходя через дифракционную решетку дают на экране картину аналогичную той, которая возникает при дифракции электромагнитных волн в тоже время в повседневной жизни мы не ощущаем, что окружающие нас макроскопические тела наряду с корпускулярными обладают и волновыми свойствами. Это обусловлено большой массой таких. В качестве примера рассчитаем длину волны частицы массой 1 мг со скорость 1 м/с.

Это настолько малая величина что её не возможно зафиксировать, даже самыми чувствительными приборами. С точки зрения современных представлений у макроскопических тел проявляется корпускулярные свойства, микроскопических тел, например элементарных частиц могут проявляться как корпускулярные так и волновые свойства.

Соотношение неопределенностей Гейзенберга

В рамках классической механики, предполагается что все тела двинуться по вполне определенным траекториям. При этом в любой момент времени используя законы механики можно точно рассчитать координаты тела и его импульс.

Классическая механика не предполагает, что тела помимо корпускулярных обладают и волновыми свойствами. Как уже говорилось связь между импульсом тела и его длиной волны имеет вид:

Таким образом если точно определен импульс тела, то оказывается точно определённой и его длина волны, но так как понятия «длина волны в данной точке» лишено физического смысла, то тело имеющие вполне определённое значение импульса не имеет точного значения координат, и наоборот если точно определены координаты тела то невозможно определить его длину волны.

Анализируя эти обстоятельства Вернер Гейзенберг в 1927 году пришел к выводу, что у объектов микромира не возможно одновременно, точно определить их координаты и импульс, неопределенности координат и импульса должны удовлетворять таким неравенствам

– неопределенности координат

– неопределённости проекций импульса на координатные оси x,y,z.

– постоянная планка деленная на

Неравенство (1) называют соотношением неопределённостей Гейзенберга.

Помимо неравенства (1) установлено соотношение неопределенностей энергии и времени

где – неопределённость энергии

– неопределённость времени.

Волновая функция уравнение Шредингера

Как уже говорилось объекты микромира наряду с корпускулярными могут обладать и волновыми свойствами. Классическая механика не предполагает возможность такой двойственности, в связи с этим возникла необходимость разработки новой механики, которая учитывала бы наличие у микрочастиц как корпускулярных так и волновых свойств. Эта новая механика была действительно разработана, её назвали волновой механикой или квантовой механикой, авторами новой механики Эрвин Шредингер, Вольфганг Паули, Поль Дирак и др.

Состояние микрочастицы в квантовой механике описывается по средством волновой функции она обозначается буквой пси и зависит от времени и координат.

Волновая функция может быть определена путем решения такого уравнения:

где – масса покоя микрочастицы

– потенциальная энергия микрочастицы

– мнимая единица

Уравнение 1 было получено в 1926 году Эрвином Шредингером и называется временным уравнением Шредингера.

Это уравнение нельзя получить теоритически оно является результатом анализа опытных (по аналогии с уравнением второго закона ньютона которое тоже получено в результате анализа опытных данных и не может быть выведено теоритически)

Потенциальная энергия микрочастицы и в общем случае зависит от времени и координат, если микрочастица находиться в стационарном силовом поле, то – является функцией только координат, теоритический анализ показывает, что волновую функцию в этом случае можно представить в виде произведения двух множителей один из которых зависит только от времени, а другой только от координат.

где – временная часть волновой функции

- координатная часть волновой функции которую тоже называют волновой функцией

Подстановка выражения (2) в формулу (1) дает такой результат:

– полная энергия микрочастицы

Выражение 3 называют уравнением Шредингера для стационарных состояний.

В 1926 году немецкий физик Макс Борн показал что квадрат модуля волновой функции определяет плотность вероятности нахождения микрочастицы в соответствующей месте пространства.

где – вероятность нахождения микрочастицы в объеме .

В случае стационарных состояний

Вероятность нахождения микрочастицы в конкретном объеме можно определить путем интегрирования

Если мы точно знаем, что какое то событие происходит, то это событие называют достоверным, вероятность такого события принимается равной 1, если событие не происходит ни при каких обстоятельствах, то его вероятность принимается равной 0, если событие может произойти а может и не произойти то его вероятность в диапазоне от 0 до 1.

Если мы твердо уверены, что микрочастица находиться в окружающем нас пространстве, то такое событие достоверно, вероятность такого события равна 1, поэтому:

Это выражение называют уравнением нормировки, изложенное выше свидетельствует о том что квантовая механика не возложено определить траекторию движения микрочастицы и её координаты, в том или иной момент времени, но можно определить вероятность обнаружения микрочастицы в той или иной области пространства.

Микрочастица в одномерной прямоугольной и потенциальной яме

В случае одномерной задаче рассматривается движение частицы только вдоль одной оси (например оси x) потенциальная энергия микрочастицы, находящейся в пределах ямы должна удовлетворять таким условиям:

где – ширина ямы

Запишем уравнение Шредингера для стационарных состояний применительно к рассматриваемой одномерной задаче:

Так как стенки ямы бесконечно высоки, то микрочастица не может выйти за пределы ямы, поэтому вероятность обнаружения микрочастицы за пределами ямы, а следовательно и волновая функция равны нулю (0).

Волновая функция — это функция непрерывная, поэтому волновая функция должна быть равна 0 и на границах ямы, т.е.

Внутри ямы потенциальная энергия микрочастицы равна 0, поэтому формула (1) принимает вид:

Решение дифференциального уравнения (2) показывает, что микрочастицы может иметь только дискретные, квантовые значения энергии.

Число называют квантовым числом

Если , то микрочастица находиться в основном состоянии, все другие значения n соответствуют возбужденному состоянию микрочастицы

Волновая функция микрочастицы находящийся в потенциальной яме имеет вид:

На рисунках показаны графики волновой функции и квадрата модуля волновой функции при различных значениях квантового числа :

Как видно из рисунка b при микрочастица не может находиться в средине ямы и в тоже время с одинаковой вероятностью может находиться в её левых правых частях, такой результат свидетельствует о том, что понятие траектории движения в квантовой механике не применимо.

Классическая теория атома водорода и водородоподобных ионов

Представление об атомах, как о мельчайших частицах возникло еще в древности однако первая попытка описать строения атома была предпринята только в 1903 году Джозефом Томсоном, он полагал что атом представляет собой шар диаметром порядка , этот шар имеет равномерно распределенный по всему объему положительный заряд, а внутри шара совершают колебания около своих центров равновесия отрицательно заряженные электроны, суммарный заряд электронов равен по модулю положительному заряду ядра, поэтому в целом атом электрически нейтрален однако вскоре было установлено, что такая модель противоречит экспериментальным данным.

В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд в результате анализа проведенных им экспериментов, выдвинул планетарную модель атома, эта модель предполагает, что атом имеет положительно заряженное ядро линейные размеры которого составляют отрицательно заряженные электроны движутся вокруг ядра по замкнутым орбитам подобно планетам солнечной системы, движущимся вокруг солнца, поэтому модель Резерфорда и получила название планетарной однако возникла такая проблема электрон движущийся вокруг ядра по криволинейной траектории обладает ускорением, такой электрон в соответствии с законами классической физики должен излучать электромагнитные волны, излучая электромагнитные волны электрон теряет энергию и должен непременно угодить на ядро в действительности этого не происходит

Модель резерфорда не смогла объяснить причины этого явления следующий шаг в развитии представлений о строении атома был сделан в 1913 году датским физиком Нильсом Бором В основу своей теории Нильс Бор положи два постулата

I постулат: в атоме существуют стационарные состояния, стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты электронов, электрон движущийся по стационарной орбите электромагнитных волн не излучает, а в момент импульса электрона, находящийся на стационарной орбите может иметь только дискретные значения которые определяются таким выражением:

Где – масса покоя электрона

– скорость электрона

– радиус орбиты электрона

II постулат: при переходе электрона одной стационарной орбиты на другую испускаться (поглощается) квант электромагнитного излучения с энергией:

где – энергия кванта

Переход электрона с вышележащей от ядра орбиты от ядра орбиты на нижележащую сопровождается испусканием кванта, а переход электрона с нижележащей от ядра орбиты на вышележащую сопровождаться поглощением кванта.

Простейшим атомом является атом водорода имеющий только один электрон, один электрон имеют так называемые водородоподобные ионы. Заряд ядра водорода равен по модулю заряду электрона () заряд ядра водородоподобного иона обозначают , где – порядковый номер элемента в периодической системе, – заряд электрона

Запишем уравнение второго закона Ньютона для электрона, движущегося вокруг ядра по круговой орбите под действием Кулоновской силы притяжения со стороны ядра

Выразим скорость электрона используя первый постулат бора

Подставим это значение в формулу 1 и выразим радиус электронной орбиты

Электрон движущийся вокруг ядра обладает кинетической энергией

Потенциальная энергия электрона равна:

Потенциальная энергия отрицательно заряженного электрона в поле положительно заряженного ядра является отрицательной

Полная механическая энергия электрона равна

Подставляя значения получим

Из этой формулы видно, что полная энергия электрона может иметь только дискретные значения и зависит от числа n число n называют главным квантовым числом

Если n=1 то электрон находиться в основном состоянии

Если n>1 то такие состояния электрона называют возбужденными

Атом в квантовой механике принцип Паули

Применение Уравнение Шредингера для описания движения электронов в атоме показало, что состояние электрона характеризуется четырьмя квантовыми числами

1 Главное квантовое число n.

-Это число может принимать целочисленные значения n=1,2,3 и т.д.

2 Орбитальное квантовое число

- Оно может принимать значения …

3 Магнитное квантовое число

-Оно может принимать значения всего 2l+1 значений

4 Магнитное спиновое квантовое число

- Оно может принимать только два значения

С точки зрения современных представлений главное квантовое число и орбитальное квантовое число характеризуют размеры и форму электронного облака, магнитное квантовое число характеризует ориентацию электронного облака в пространстве. Помимо этого, электрон в атоме должны удовлетворять принципу Паули, который был сформулирован в 1925 году

В атоме не может быть электронов обладающих одинаковым набором всех четырех квантовых чисел

Периодическая система элементов Менделеева

Принцип Паули позволил в свое время объяснить строение периодической системы элементов Менделеева в соответствии с этим принципом максимальное количество электронов в атоме имеющих одинаковое значение n Совокупность электронов имеющих одинаковое значение n называют электронной оболочке в каждой оболочке электроны распределяться по под оболочками в каждой подоболочке соответствует вполне определенное значение квантового числа максимальное количество электронов в подоболочке имеющих одинаковое значение равно символически электронные оболочки и подоболочки обозначают так

n
Символ оболочки	1K	L	M	N	O
Символ подоболочки	1s	2s	2p	3s	3p	3d
4s	4p	4d	4f	5s	5p	5d	5f	5g

Используя символические обозначения можно записать электронную конфигурацию любого атома периодической системы элементов

11Na Эта запись означат что в K оболочке атома натрия в пределах подоболочки находиться; 2 электрона в L оболочке находиться 8 электронов из них 2 в S подоболочке и 6 p – подоболочке, в M оболочке в пределах s подоболочки находиться 1 электрон

Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне

Основным источником рентгеновского излучения т.е. наиб распространенным является рентгеновская трубка эта трубка из которой удален воздух и в которой размещены два электрода (катод и анод).

Электроны испущенные катодом ускоряться электрическим полем и бомбардируют анод, анод выполняют из тяжелых металлов таких как вольфрам и платина

Он играет роль мишени при соударении с анодом электроны испытывают резкое торможение и становиться источниками электромагнитного излучения (как и любые другие ускоренно движущиеся заряженные частицы).

С точки зрения классической физики при торможении электронов должны возникать электромагнитные волны во всем диапазоне длин волн

Однако опытные данные показывают, что при торможении электронов существует коротко волновая граница Рентгеновского излучения. Такое излучение называют тормозным рентгеновским излучением так как оно возникает

Существование Коротковолновой границы тормозного рентгеновского излучения можно легко обяснить используя квантовое представление

Если между катодом и анодом рентгеновской трубки поддерживается напряжение равное то электрон проходя расстояние от катода до анода получает энергию равную где е- заряд электрона по модулю эта нергия идет на приращение скорости электрона т.е. на увеличение его кинетической энергии

При торможении электрон отдает энергию в виде кванта электромагнитного излучения при этом энергия кванта естественно не может быть больше чем та энергия которую получил электрон при движении от катода к аноду т.е. тогда

Эта формула хорошо согласуется с экспериментальными данными

Тормозное рентгеновское излучение характеризуется сплошным спектром если напряжении между анодом и катодом достаточно велико то на фоне сплошного спектра появляются отдельно резкие линии — это линейчатый спектр, который зависит от материала анода и поэтому называется характеристическим рентгеновским излучением

Характеристическое рентгеновское излучение состоит из отдельных серий, которые обозначаться буквами K, L, M, N, O каждая серия состоит из отдельных линий которые обозначаться в порядке убывания длины волны индексами и т.д

Т.е.

На рисунке показана схема возникновения характеристического рентгеновского излучения

В результате соударения внешнего электрона с анодом у одного из атомов может быть вырван один из двух электронов K оболочки на освободившееся место может перейти электрон из более удаленных от ядра оболочек такие переходы сопровождаться испусканием рентгеновским квантов и возникновений спектральных линии K серии

K – серия обязательно сопровождаться и другими сериями так как при переходов электронов освобождаться места в электронных оболочках куда могут переходить электроны из более удаленных от ядра оболочек

Поглощение излучения

Атом находящийся в основном состоянии с энергией

поглотив квант с энергией

переходит в возбужденное состояние с энергией

этот процес называю поглощением излучения

Спонтанное и вынужденное излучения

Атом находящийся в возбужденном состоянии может без каких либо внешних причин, т.е. самопроизвольно (спонтанно) возвратится в исходное состояние, такой переход сопровождается испусканием кванта, излучения возникающие в результате таких переходов называют спонтанным излучением.

В результате те спонтанного перехода атома испускатьсяквант с энергией

где – энергия атома в возбужденном состоянии

– энергия атома в основном состоянии

Помимо спонтанного возможен еще один вид излучения

Если на атом находящийся в возбуждённом стоянии с энергией воздействует квант с энергией , то может произойти переход атома из возбужденного состояния в основное состояние с энергией такой переход называют вынужденным или индуцированным

Излучение возникающие при таких переходах называют вынужденным или индуцированным

Следует отметить что кант возникающий в результате вынужденного перехода не отличим от кванта вызвавшего этот переход

Оптические квантовые генераторы (Лазеры)

В лазерах используется эффект вынужденного излучения на рисунке изображена схема твердотельного рубинового лазера (рубин представляет собой кристалл окиси Алюминия с небольшой примесей хрома). Впервые такой лазер был разработан в США в 1960 году

Основным элементом лазера является цилиндрический рубиновый стержень (1) основание этого стержня должны быть строго параллельны друг другу источником внешнего излучения служит импульсная газоразрядная лампа (2), работающая от источника энергии (3)

Под действием внешнего излучения происходит возбуждения атомов хрома и их переход из их возбужденного состояния А в состояние С это состояние являться не устойчивым и через коротких промежуток времени атомы хрома переходят в промежуточное возбужденное состояние B такой переход не сопровождается испусканием кванта т.е.. является без излучательрным энергия выделяющаяся в результате таких переходов идет на нагрев рубинового стержня в состоянии B Атомы хрома могут находиться относительно долго такое состояние называют метастабильным переходы атомов хрома из состояния B в основное состояние А являются вынужденными и сопровождаться вынужденным излучением кванты возникающие в результате вынужденных приходов атомов хрома перемещаться различных направлениях. Левое основание рубинового стержня делают зеркальным (все кванты падающие на него отражаються внутрь стержня а правое основание делают полупрозрачным (часть квантов падающих на него отражаеться внутрь стержня а часть квантов выходит наружу). Те кванты Возникющие внутри стержня которые движуться под углом к его оси рано или поздно выйдут через его боковую поверхность. Кванты движущиеся строго вдоль оси стержня будут накапливаться внутри него лавинообразно как это показано на схеме

В результате через правое основание рубинового стержня будет выходить световой луч строго определенной частоты направленный вдоль оси стержня.

Атомное ядро

Ядра атомов имеют линейные размеры порядка метра и сотоят из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов.

Протоны и нейтроны принято называть нуклонами

Массы протона и нейтрона во много раз больше массы электрона

Ядра атомов обозначают так

Где – символ химического элемента по периодической таблице

– Зарядовое число оно соответствует порядковому номеру в периодической системы и равно порядковому элемента

- Массовое число оно рано общему количеству протонов и нейтронов в ядре т.е. количеству нуклонов)

Число нейтронов в ядре будет равно

Атомные ядра имеющие одинаковое значение Z но различное значение А называют изотопами ядра имеющие одинаковое значение a но различное значение Z называют изобарами

Пример в этом ядре Z= 6 протонов A=13 нуклонов, N=16-7=7 нейтронов

Энергия связи и дефект массы ядра

Установлено что масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов из которых это ядро состоит.

Разность между суммой масс Протонов и нейтронов из которых состоит ядро и массой самого ядра называют дефектом массы ядра

Для того чтобы разделить ядро на отдельные протоны и нейтроны обходимо затратить энергию Эту нергию называют энергией связи ядра

Где – дефект массы ядра

– скорость света в вакууме

Ядерные силы

Между нейтронами и протонами в ядре действуют силы которые называют ядерными эти силы существенно превосходят по величине электрические магнитные и гравитационные силы и не сводиться к ним. Ядерные силы относиться к классу так называемы сильных взаимодействий и обладают такими свойствами:

1. Силы протяжения

2. Силы короткодействующие (их действие проявляется только на расстояниях соизмеримых с размерами атомного ядра)

3. Ядерным силам свойственно зарядовая независимость (силы притяжения между двумя протонами или двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаковы по величине)

4. Ядерные силы не являются центральными

Сложный характер ядерных сил не позволил до настоящего времени разработать строгую теорию ядра имеющиеся модели более или менее точно описывают только отдельные свойства ядер

Радиоактивное излучение и его виды

В 1896 году французский физик Анри Беккерель изучая соединения урана обнаружил новый вид излучения это излучение обладало способностью проникать через непрозрачные преграды и действовало на фото пластинку

Позднее было установлено что такое излучение характерно не только для урана но и для ряда других тяжелых элементов

Открытое Беккерелем излучение стали называть радиоактивным излучением

Установлено что радиоактивное излучение возникает в результате самопроизвольного распада некоторых атомных ядер в результате такого распада возникают новые ядра а также испускаться различного рода излучения и частицы изучения состава радиоактивного излучения показало что оно имеет три компоненты:

излучение

Установлено что альфа излучение это поток ядер Гелия Альфа частицы

Бетта излучение это поток электронов (Бетта частицы)

Гамма излучение — это электромагнитное излучение с очень малой длиной волны (поток гамма квантов)

Закон радиоактивного распада

Радиоактивным распадом называют распад атомных ядер, происходящий самопроизвольно ядро испытывающие распад называют материнским а ядро возникающие в результате распада называют дочерним, так как ядра распадаются самопроизвольно, то количество ядер , распадающихся в течении времени от до пропорционально этомк промежутку времени и количеству ядер N не распавшихся к моменту времени