Модуль 5. Основы физики атома и атомного ядра

Изучение этого модуля следует начать с элементов квантовой механики и рассмотреть такие вопросы, как корпускулярно– волновой дуализм материи, гипотезу де Бройля, уяснить, что движение любой частицы, согласно этой гипотезе, всегда сопровождается волновым процессом. Исходя из соотношений неопределенностей Гейзенберга, определить границы применимости классической механики и понять, что из этих соотношений вытекает необходимость описания состояния микрочастиц с помощью волновой функции, обратить внимание на ее статистический смысл. Целесообразно рассмотреть применение уравнения Шредингера к стационарным состояниям (прямоугольная потенциальная яма бесконечной глубины), следует знать правила квантования энергии, орбитального момента импульса в атоме водорода и выяснить смысл трех квантовых чисел. При изучении темы «Периодическая система элементов» необходимо обратить внимание на физический смысл спинового числа и принцип запрета Паули, на основе которого рассмотреть распределение электронов в атоме по состояниям.

Переходя к изучению элементов физики атомного ядра и элементарных частиц, студент должен хорошо представлять себе состав атомного ядра и его характеристики: массу, линейные размеры, момент импульса, магнитный момент ядра, дефект массы ядра, энергию и удельную энергию связи ядра. Рассматривая состав ядра и взаимодействие нуклонов в ядре, нужно знать свойства ядерных сил и обратить внимание на их обменную природу.

В процессе изучения радиоактивного распада ядер важно понять дискретный характер энергетического спектра α– частиц и γ–излучения, свидетельствующий о квантовании энергии ядер; понять закономерности β–распада, связанного с законами сохранения энергии и момента импульса.

Излучая тему «Ядерные реакции», важно понять, что во всех ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда, числа нуклонов. Особое внимание уделите реакциям синтеза легких и делению тяжелых ядер, вопросам ядерной энергетики и проблемам управления термоядерными реакциями.

При изучении темы «Элементы физики твердого тела» основное внимание должно быть уделено элементам теории кристаллической решетки, элементам зонной теории твердых тел, полупроводникам, проводникам (металлам). Рассматривая эти вопросы, существенно понять характер теплового движения в твердых телах, дебаевскую теорию теплоемкости, распределение электронов по энергиям при T=0 и Т>0, иметь качественное представление о сверхпроводимости, выяснить различие между металлами, диэлектриками и полупроводниками, рассмотреть собственную и примесную проводимости полупроводников и вольт–амперную характеристику p–n–перехода.

Вопросы для самоподготовки

1. Тепловое излучение. Испускательная и поглощательная способность.
Чернов тело. Закон Кирхгофа. Распределение энергии в спектре излучения черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина.

2. Квантовая природа излучения и поглощения света атомами. Правило частот Бора. Фотоны. Энергия и импульс фотонов. Корпускулярно-волновой дуализм свойств электромагнитного излучения.

3. Фотоэффект. Внешний фотоэффект и его вольтамперная характеристика. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. Работа выхода и красная граница фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна.

4. Эффект Комптона. Законы сохранения энергии и импульса при рассея­нии фотона на свободном электроне. Изменение длины волны рассеянного излучения. Комптоновская длина волны электрона.

5. Давление света. Объяснение давление света с точки зрения волно­вой и квантовой теории.

6. Волновые свойства частиц вещества. Дифракция электронов на крис­таллах. Соотношение неопределённостей Гейзенберга. Объяснение устой­чивости атома.

7. Волновая функция и её статистический смысл. Уравнение Шредингера. Стационарные состояния. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Операторы физических величин.

8. Частица в одномерной прямоугольной бесконечно глубокой потенци­альной яме. Квантование энергии. Принцип соответствия Бора.

9. Линейный гармонический осциллятор. Энергетические уровни. Энергия нулевых колебаний. Правила отбора.

10. Проникновение частицы через потенциальный барьер (туннельный эффект). Объяснение туннельного эффекта.

11. Атом водорода. Энергетические уровни. Главное, орбитальное и маг­нитное квантовые числа. Момент импульса электрона. Пространственное квантование.

12. Спектр излучения атома водорода. Сериальные формулы. Правила от­бора и спин фотона. Естественная ширина спектральных линий. Тонкая структура спектральных линий и спин электрона.

13. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны, Принцип Паули. Многоэлектронные атомы. Электронные оболочки и подоболочки. Заполнение оболочек и электронная конфигурация атома.

14. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Коротко­
волновая граница тормозного рентгеновского излучения. Рентгеновские
спектры. Формула Мозли.

15. Молекулы. Физическая природа химической связи. Ионная и ковалентная связь. Энергетические уровни. Колебательная и вращательная структура уровней. Молекулярные спектр.

16. Энергетические зоны в кристаллах. Заполнение зон. Валентная зона и зона проводимости. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Собствен­ная и примесная проводимость полупроводников. Электронный и дырочный полупроводники.

17. Колебания кристаллической решётки. Понятие о фотонах. Теплоёмкость кристаллов при низких температурах. Закон Дебая. Теплоёмкость крис­таллов при высоких температурах. Закон Дюлонга и Пти.

18. Состав и характеристики атомного ядра. Изотопы, Дефект массы и энергия связи ядра. Зависимость удельной энергии связи от массового числа. Свойства ядерных сил.

19. Радиоактивность. Альфа-, бета- и гамма-излучения атомных ядер.
Правила смещения. Закон радиоактивного распада. Период полураспада.
Активность радиоактивного вещества.

20. Ядерные реакции. Законы сохранения в ядерных реакциях. Энергия ядерной реакции. Реакция деления ядра. Цепная реакция деления. Реакция синтеза атомных ядер.

21. Элементарные частицы. Типы взаимодействия элементарных частиц.
Лептоны и адроны. Кварки. Частицы и античастицы. Взаимопревращения элементарных частиц.

22. Физическая картина мира. Мега-, макро- и микромир. Веществ и поле. Атомно-молекулярное строение вещества. Элементарные частицы. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия.

Студент должен самостоятельно изучить тему: «Оптические квантовые генераторы».

Список рекомендуемой литературы

а) основная

1. Дмитриева В.Ф., Прокофьев В.Л., Основы физики – М.: Высшая школа, 2009г.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2010г.

б) дополнительная

1. Валькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука, 2008г.

2. Гладской В.М., Самойленко П.И. Сборник задач по физике с решениями: пособие для втузов – М.: Дрофа, 2009г.

3. Детлаф А.А., Яворский Ю.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2008г.

4. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. – М.: Высшая школа, 2008г.

5. Яворский Ю.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – М.: Наука, 2008г.