Вопрос 14

Уравнения шредингера временное стационареное и для свободной частицы

Вопрос 15

электроны одной оболочки атома без отсутствия внешних полей в некотором приближении называются вырожденными, так как одной и той же величине энергии оболочки соответствуют состояния, отличающиеся проекцией спина на направление движения и орбитальным квантовым числом.

Вопрос 16

Перечислите квантовые числа электрона в атоме водорода, раскройте их физический смысл и определите их возможные значения.

Вопрос 19

Лазер это устройство, преобразующее энергиюнакачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического,поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

активной (рабочей) среды;

системы накачки (источник энергии);

оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое,жидкое, газообразное, плазма^[

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубинпредставляет собой кристалл корунда Al₂O₃, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr³⁺, которые и являются источником лазерного излучения

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения^[8]. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу

1 Газовые лазеры

2 Лазеры на красителях

3 Лазеры на парах металлов

4 Твердотельные лазеры

5 Полупроводниковые лазеры

Вопрос 20

Принцип тождественности – фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния должны рассматриваться как одно физическое состояние.

Эмпирическим фактом, который и составляет сущность принципа тождественности, является то, что в природе различают лишь два класса волновых функций для систем тождественных частиц: симметричные волновые функции, у которых при перестановке пространственных и спиновых координат любой пары тождественных частиц волновая функция не изменяется, и антисимметричные волновые функции, при аналогичной перестановке изменяющие знак.

В статистической механике статистика Бо́зе — Эйнште́йна определяет распределение тождественных частиц с нулевым или целочисленным спином (таковыми являются, например, фотоны и атомы гелия-4) по энергетическим уровням в состояниитермодинамического равновесия. Предложена в 1924 году Шатьендранатом Бозе для описания фотонов. В 1924—1925 годах Альберт Эйнштейн обобщил её на системы атомов с целым спином.

Статистика Фе́рми — Дира́ка в статистической физике — квантовая статистика, применяемая к системам тождественных фермионов (как правило, частиц с полуцелым спином, подчиняющихся принципу запрета Паули, то есть, одно и то же квантовое состояние не может занимать более одной частицы); определяет распределение вероятностей нахождения фермионов на энергетических уровнях системы, находящейся в термодинамическом равновесии; предложена в 1926 году итальянским физиком Энрико Ферми и одновременно английским физиком Полем Дираком, который выяснил её квантово-механический смысл; позволяет найтивероятность, с которой фермион занимает данный энергетический уровень.

Бозоны - протон, нейтрон, фотон; фермионы - электрон. Отличаются спином - у первых - 1; у вторых - 1/2.

Вопрос 21

Проще всего представить себе, в чем именно заключается принцип Паули, если сравнить электроны с автомобилями на многоярусной крытой стоянке. В каждый бокс помещается только одна машина, а после того, как все боксы на нижнем этаже стоянки заняты, автомобилям приходится в поисках свободного места заезжать на следующий этаж. Так же и электроны в атомах — на каждой орбите вокруг ядра их помещается не больше, чем там имеется «парковочных мест», а после того, как все места на орбите заняты, следующий электрон ищет себе место на более высокой орбите.

Далее, электроны ведут себя, условно говоря, так, будто они вращаются вокруг своей оси (то есть, обладают собственным моментом вращения, который в этом случае принято называть спином и который может принимать лишь два значения: +1/2 или –1/2). Два электрона с противоположным спином могут занимать одно место на орбите. Это, как если бы в один бокс помещались одновременно машина с правым рулем и машина с левым рулем, а две машины с одинаковым расположением руля не помещались.

Выше я описал действие запрета Паули применительно к электронам, но он действует и в отношении любых элементарных частиц с полуцелым спиновым числом (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.). В частности, спиновое число нейтрона равно, как и у электрона, 1/2. Это значит, что нейтронам, как и электронам, требуется определенное «жизненное пространство» вокруг себя

принцип запрета Паули сводятся к тому, что при решении самых сложных и комплексных проблем (а расчет орбит электронов в сложных атомов к таковым, несомненно, относится) следует запрограммировать компьютер таким образом, чтобы он даже не рассматривал заведомо невозможные варианты решения. Тем самым такое правило отсекает от ствола возможных решений задачи заведомо мертвые ветви, оставляя лишь допустимые возможности для ее решения, благодаря чему время компьютерных расчетов сокращается до разумных пределов. Таким образом, правила, подобные принципу запрета Паули, становятся всё более важными, поскольку мы всё больше зависим от компьютеров в решении самых сложных и комплексных проблем.

Вопрос 22

Опыт Штерна — Герлаха — опыт немецких физиков Отто Штерна и Вальтера Герлаха, осуществлённый в 1922 году. Опыт подтвердил наличие у атомов спина (изначально в эксперименте участвовали атомы серебра, а потом и других металлов) и факт пространственного квантования направления их магнитных моментов.

Опыты Штерна и Герлаха не только подтвердили пространственное квантование моментов импульсов в магнитном поле, но и дали экспериментальное подтверждение тому, что магнитные моменты электронов тоже состоят из некоторого числа «элементарных моментов», т.е. имеют дискретную природу. Единицей измерения магнитных моментов электронов и атомов является магнетон Бора (ħ – единица измерения механического момента импульса).

Вопрос 23

Эффе́кт Зеема́на — расщепление линий атомных спектров в магнитном поле. Эффект обусловлен тем, что в присутствии магнитного поля электрон, обладающий магнитным моментом приобретает дополнительную энергию Приобретённая энергия приводит к снятию вырождения атомных состояний по магнитному квантовому числу и расщеплению атомных спектральных линий.

Простым или нормальным эффектом Зеемана называется расщепление спектральных линий на три подуровня, и качественно может быть объяснён классически. Если член взаимодействия мал (меньше тонкой структуры то есть ), нормальный эффект Зеемана наблюдается:

при переходах между синглетными термами ();

при переходах между уровнями и ;

при переходах между уровнями и , поскольку не расщепляется, а расщепляется на три подуровня.

Для всех несинглетных линий спектральные линии атома расщепляются на значительно большее чем три количество компонент, а величина расщепления кратна нормальному расщеплению . В случае сложного (или аномального) эффекта величина расщепления сложным образом зависит от квантовых чисел . Как указано ранее, приобретенная электроном в магнитном поле дополнительная энергия пропорциональна — фактору, который называют множителем Ланде(гиромагнитный множитель) и который дается формулой

Вопрос 24

Масса ядра измеряется в атомных единицах массы (а.е.м). За одну атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы нейтрального атома углерода ¹² С:

1а.е.м = 1.6606 10^-27 кг.

А.е.м. выражается через энергетические единицы:

1а.е.м = 1.510^-3эрг = 1.510^-10дж = 931.49 МэВ

Масса покоя частицы m, ее полная энергия E и импульс p связаны соотношением (релятивистский инвариант):

E² - c²p² = m²c⁴. (1.1)

При скорости частицы v = 0 энергия покоя E₀ и полная энергия частицы E совпадают

Е₀ = mc²

Радиус ядра R связан с массовым числом A соотношением

R = r₀A^1/3, (1.4)
где параметр r₀ 1.3 Фм.

Энергия связи ядра

Избыток масс (дефект масс)

Удельная энергия связи ядра (A, Z) это энергия связи, приходящаяся на один нуклон

ε(A, Z) = E_св(A,Z) / A,

Заряд ядра - количество протонов в ядре, а количество протонов в ядре - масса ядра, тоесть 1 число значит и массу ядра и его заряд.

Изотопы - это ядра атомов одного химического элемента, например, ядра атомов кислорода имеют массы 16, 17 и 18. Но всё равно это ядра атома кислорода, потому что в ядрах таких атомов по 8 протонов (а именно по количеству протонов в ядре атома определяется какой это химический элемент). У большинства химических элементов имеется по нескольку природных и искусственно полученных изотопов.
Изобары - это ядра атомов разных химических элементов, но с одной массой, то есть сумма протонов и нейтронов в таких ядрах равны.
Например, ядро изотопов углерода-14 (С-14) и азота-14 (N-14).
Оба ядра имеют одинаковые массы, по 14, но в ядре атома углерода-14 имеется 6 протонов (поэтому это углерод) и 8 нейтронов, а в ядре атома углерода-14 имеется 7 протонов (поэтому это азот) и 7 нейтронов

Найди в таблице Менделеева значение относительной массы атома, округли ее до целого числа, - это и будет масса ядра атома. Масса ядра или массовое число атома, слагается из числа протонов и нейтронов в ядре
А = число р + число n.

Вопрос 25

Энергией связи ядра называется минимальная энергия, которую необходимо затратить на расщепление ядра на отдельные нуклоны.

Удельная энергия связи ядра (A, Z) это энергия связи, приходящаяся на один нуклон

ε(A, Z) = E_св(A,Z) / A,

Дефе́кт ма́ссы (англ. mass excess) — разность между суммой масс покоя нуклонов, составляющих ядро данного нуклида, и массой покоя атомного ядра этого нуклида.

Вопрос 26

Силы, действующие между нуклонами в ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер, называются ядерными силами.

1) Эти силы не относятся ни к одному из типов сил, известных в классической физике.

2) Ядерные силы – силы короткодействующие. Расстояние r, на котором действуют ядерные силы, называются радиусом действия ядерных сил (r = 2*10^-15 м).

3) Они обладают свойством зарядовой независимости.

4) У них имеется свойство насыщения: каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов, а не со всеми нуклонами ядра.

5) Ядерные силы не являются центральными силами, в отличие от кулоновских и гравитационных сил.

6) Ядерные силы имеют обменный характер. Это проявляется в том, что силы, действующие между двумя ядерными частицами, рассматриваются как результат обмена между ними некоторой промежуточной частицей(Pi⁺ - мезоном)

Вопрос 27

По величине спина

бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса).

фермионы — частицы с полуцелым спином^[1] (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

По видам взаимодействий

адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;

барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10⁻¹⁸ м.

кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов.

калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;

гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Элементарная частица, характеризующаяся теми же массой, временем жизни и т. п., что и соответствующая ей частица с противоположным знаком электрического заряда, магнитного момента и т.п.

Дата добавления: 2015-07-14