Квантовая природа излучения

Проблема теплового излучения – важная задача формировании научного мировоззрения студентов, так как с теорией равновесного излучения абсолютно черного тела связан переход от классической физики к квантовой. Важно подчеркнуть согласие классической теории с опытом в области малых частот и катастрофическое расхождение в областибольших частот. Необходимо рассмотреть гипотезу Планка о квантовании энергии осцилляторов. Полный вывод средней энергии осциллятора и формулы Планка на основе этой гипотезы приводить не обязательно. Следует вывести законы Стефана Больцмана и Вина из формулы Планка, а также показать, что при малых частотах она переходит в классическую формулу Рэлея - Джинса.

После анализа трудностей классической физики в объяснении законов внешнего фотоэффекта нужно остановиться на гипотезе Эйнштейна о «световых квантах». В этой связи нужно рассмотреть опыты А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова, а также рассказать о работе А. Эйнштейна по исследованию флуктуаций плотности энергии и давления излучения. Основываясь на формуле Планка, Эйнштейн показал, что эти флуктуации излучения представляют просто сумму соответствующих волновых
и корпускулярных флуктуаций.

При изложении светового давления необходимо остановится на опытах

П. Н. Лебедева, сыгравших большую роль в утверждении электромагнитной теории света Максвелла. Следует качественно пояснить возникновение светового давления с классической точки зрения и вывести формулу для давления на основе квантовых представлений. Эффект Комптона нужно рассматривать как наиболее полное и яркое проявление корпускулярных свойств излучения. Он также убедительно подтверждает универсальный характер законов сохранения, которые оказываются справедливыми, в частности, и в каждом отдельном акте взаимодействия фотона с электроном.

Анализ двойственности свойств света должен подготовить студентов к восприятию двойственности свойств вещества. Важно подчеркнуть статистический характер попадания фотонов в отдельные точки экрана.

Элементы атомной физики и квантовой механики

Обсуждая опыты по дифракции электронов, нужно подчеркнуть их значение как доказательство существования у частиц вещества волновых свойств. Соотношение неопределенностей следует рассматривать в связи с корпускулярно-волновым дуализмом свойств материи. Соответственно нужно проявлять, особую осторожность при обосновании указанного соотношения с помощью мысленных опытов. Можно получить соотношение неопределенностей, рассматривая частицу как группу волн де Бройля. Однако при этом нужно, обязательно сказать об ограниченности такого представления частицы из-за сильной дисперсии волн де Бройля, приводящей к «быстрому расплыванию» волнового пакета. Следует подчеркнуть физический смысл соотношения неопределенностей как квантового ограничения применимости понятий классической механики. Затем необходимо рассмотреть соотношение неопределенностей для энергии и времени. В заключение нужно указать, что из соотношения неопределенностей вытекает необходимость описания состояния микрообъекта с помощью волновой функции, и разъяснить статистический смысл волновой функции частицы.

Далее следует записать общее уравнение Шредингера для частицы, находящейся во внешнем силовом поле (в общем случае, нестационарном), и перейти от него к уравнению Шредингера для стационарных состояний. В качестве примеров решения стационарных задач с помощью уравнения Шредингера нужно рассмотреть свободную частицу и частицу, находящуюся в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» бесконечной глубины. На основе соотношения неопределенностей следует пояснить, почему энергия частицы в «потенциальной яме» не может быть сколь угодно малой. В конце решения этой задачи необходимо сформулировать принцип соответствия Бора.

В задачах о линейном гармоническом осцилляторе и атоме водорода не следует приводить полностью ход решения уравнения Шредингера. Достаточно обсудить постановку и результаты решения этих задач в классической физике и квантовой механике. Полезно использовать соотношение неопределенностей для обоснования существования нулевых колебаний осциллятора. В задаче об атоме водорода нужно кратко напомнить об опытах Резерфорда и теории Бора. Следует остановиться на правилах квантования энергии и орбитального момента импульса электрона в атоме водорода и других одноэлектронных системах, пояснив смысл трех квантовых чисел.

Необходимо показать с помощью соотношения неопределенностей, что туннельный эффект не противоречит закону сохранения энергии.

После рассмотрения опытов Штерна и Герлаха и введения спинового квантового числа следует остановиться на делении элементарных частиц и построенных из них систем (атомов, молекул) на 2 класса - фермионы и бозоны. Далее следует сформулировать принцип неразличимости тождественных частиц и принцип Паули для системы фермионов, на основе которого рассмотреть распределение электронов в атоме по состояниям. Нужно рассказать об открытии комбинационного рассеяния света Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и парамагнитного резонанса Е. К. Завойским.

Изложение вопроса о поглощении излучения и его спонтанном и вынужденном испускании рекомендуется завершить выводом формулы Планка по Эйнштейну и разъяснением принципа действия лазера и особенностей генерируемого им излучения. Следует указать на вклад Н. Г. Басова и А. М. Прохорова в создании квантовых генераторов излучения.

Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц

Говоря о составе ядра и его характеристиках, целесообразно, начать с характеристики экспериментальных методов определения массы, линейных размеров, момента импульса и магнитного момента ядер атомов. Обсуждая особенности взаимодействия нуклонов в ядре, нужно рассмотреть свойства ядерных сил и остановиться на их обменной природе. Дефект массы должен трактоваться как разность между массой атома данного изотопа и его массовым числом, т.е. числом нуклонов в ядре. Надо указать на существование зависимости удельной энергии связи ядер (энергии связи, отнесенной к одному нуклону) от массового числа. Рассматривая α- распад ядер, следует остановиться на квантовом механизме этого явления, служащего примером проявления туннельного эффекта. Важно обратить внимание студентов на дискретный характер энергетического спектра α-частнц и γ-излучения, свидетельствующий о квантовании энергии ядер. Необходимо специально остановиться на тех трудностях, которые возникли в согласовании закономерностей β-распада с законами сохранения энергии и момента импульса, и на том, что выход из этих трудностей был найден путем введения гипотезы о существовании нейтрино.

Рассмотрение ядерных реакций целесообразно начать с описания опыта Резерфорда и открытия искусственной радиоактивности. В этой связи нужно кратко остановиться на явлениях β_- и β₊ радиоактивности ядер, а также на явлении электронного захвата. Следует подчеркнуть, что во всех ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда (зарядового числа) и массы (массового числа). Особое внимание нужно уделить реакции деления тяжелых ядер и ее энергетическому балансу. Для обоснования реакции деления целесообразно использовать капельную модель ядра Н. Бора - Я. И. Френкеля. Детально следует остановиться на расщеплении ядер урана под действием нейтронов и указать на возможность спонтанного деления ядер. При обсуждении цепной реакции деления следует ввести понятие о коэффициенте размножения нейтронов и критическом размере системы. Говоря о ядерной энергетике, нужно остановиться на роли И. В. Курчатова. Надо, сказать о реакторах на быстрых нейтронах, позволяющих воспроизводить ядерное топливо. В связи с рассмотрением ядерных реакций синтеза следует остановиться на проблеме осуществления управляемых термоядерных реакций.

В заключение нужно остановиться на четырех фундаментальных взаимодействиях, на классификации, основных свойствах и взаимных превращениях элементарных частиц.