Классическая и современная квантовая оптика, атомная и ядерная физика

Начертательная геометрия
Примеры выполнения заданий
Практика выполнения технических чертежей
Основные геометрические фигуры
Прямая и точка на плоскости
Построить сечение пирамиды
Чертежи
Замена плоскостей проекций
Виды
Аксонометрические проекции
Дизайн интерьера
Интерьеры дворцов Палладио и Виченце
Художественный театр
Эпоха классицизма в России
Интерьер детского сада в
Марсельском доме

Свет как компонента архитектурного
языка

Архитектура
Градостроительная наука
Разработка интерьера

Ландшафтно-климатические требования

Атриумные здания

Здание школы танцев Парижской оперы

Физика
Электромагнитное взаимодействие
Фотоядерные реакции
Электротехника
Математика
Курсовой расчет
Контрольная работа
Вычислить интеграл
Вычисление площадей фигур
Вычисление объема тела
Лабораторные работы
Теоретическая механика
Зубчатые механизмы
Подвижный шарнир
Сопротивление материалов
Сопротивление усталости
Лабораторная работа
Испытание на сжатие
Испытание материалов на выносливость
Проверка теории изгибающего удара
Электротехника
 

Оптика. Цель обучения Научить фундаментальным концепциям и законам классической и современной квантовой оптики, атомной и ядерной физики. Обучить грамотному и обоснованному применению накопленных в процессе развития фундаментальной физики экспериментальных и теоретических методик при решении прикладных практических и системных проблем, связанных с профессиональной деятельностью . Выработать элементы концептуального ,проблемного и творческого подхода к решению задач инженерного и исследовательского характера.

Интерференция Оптический диапазон электромагнитных волн

Способы получения когерентных волн Основная задача двухлучевой интерференции.

Бипризма и бизеркало Френеля Для разделения световой волны используют двойную призму (бипризму) с малым преломляющим углом

Лазерное излучение – это когерентное одинаково направленное излучение множества атомов, создающее узкий пучок монохроматического света. Чтобы лазер начал действовать, необходимо перевести большое число атомов его рабочего вещества в возбужденное  (метастабильное) состояние. Для этого рабочему веществу передается электромагнитная энергия от специального источника (метод накачки). После этого в рабочем веществе начнутся почти одновременные вынужденные переходы всех возбужденных атомов в нормальное состояние с излучением мощного пучка фотонов.

Тепловое излучение происходит с поверхности тел при всех температурах, отличных от абсолютного нуля. Оно испускается возбужденными атомами и молекулами при их соударении в процессе теплового движения и приводит к охлаждению поверхности излучения.

Эффект Зеемана. Явление расщепления спектральных линий под действием магнитного поля называется эффектом Зеемана. Оно наблюдается при исследовании свечения паров натрия в магнитном поле.

В соответствии с гипотезой Де Бройля движение материальных частиц сопровождается распространением волны, длина которой определяется выражением: , где h – постоянная Планка, р – импульс частицы.

Интерференция волновых цугов. Интерференция квазимонохроматических волн

Рассмотрим пространственную когерентность на конкретном примере: опыт Юнга

Многолучевая интерференция Интерференция возможна и при наложении когерентных волн от нескольких и даже бесконечного числа источников. Расчет интенсивности результирующего пучка также производится на основе универсального принципа суперпозиции, то есть сложением амплитуд с учетом фазовых соотношений и последующим вычислением интенсивности результирующего пучка.

Дифракция Принцип Гюйгенса-Френеля Дифракция Френеля

Зоны Френеля

Дифракция на оси от круглого отверстия

Дифракция на крае полуплоскости Результат дифракции Френеля на крае полубесконечной плоскости характеризуется проникновением части световой энергии в область геометрической тени.

Геометрическая оптика Следствие волновой природы света, полученное предельным переходом . При этом линейные размеры препятствий много больше размеров любой зоны Френеля и дифракционные эффекты пренебрежимо малы. В этом случае можно ввести понятие луча как линии, перпендикулярной волновым поверхностям. Траектория луча определяется принципом Ферма, согласно которому свет выбирает из всех возможных путей тот путь, который требует наименьшего времени для его прохождения

Условия Брэгга-Вульфа Нужно подчеркнуть, что кристалл отражает рентгеновские лучи только при определенных углах скольжения q, удовлетворяющих условию (*) и названных брэгговскими углами, то есть в отличие от зеркал оптики видимого света кристалл отражает рентгеновские лучи селективно.

Дисперсия света Нормальная и аномальная дисперсии Групповая и фазовая скорости

Рассеяние света. Основная идея: атомы и молекулы вещества и их совокупности под воздействием падающего на них излучения становятся источниками вторичного излучения.

Ослабление интенсивности света. В результате рассеяния плотность потока энергии падающего светового излучения ослабевает по мере распространения в среде

Электромагнитные волны на границе раздела сред Закон преломления Снеллиуса

Энергетические соотношения на границе раздела сред

Естественный и поляризованный свет. Волна, в которой направление колебаний электрического вектора (а, значит, и ) упорядочено каким-либо образом, называется поляризованной.

Оптические свойства анизотропной среды. Двойное лучепреломление Структура плоской монохроматической волны в анизотропной среде

По своим оптическим характеристикам кристаллы подразделяют на три группы

В общем случае волна, попадающая в кристалл из изотропной среды, разделяется внутри кристалла на две линейно поляризованные волны: обыкновенную, вектор  которой перпендикулярен главному сечению, и необыкновенную, вектор  которой лежит в главном сечении.

Построение Гюйгенса. Зная вид волновых поверхностей, можно с помощью принципа Гюйгенса определить направления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле.

Интерференция поляризованных волн Искусственная анизотропия. Эффект Керра. Эффект Коттон-Мутона

Интерференция волн с взаимно перпендикулярными поляризациями

Искусственная анизотропия Анизотропия при деформациях Обычные прозрачные тела, не обладающие двойным лучепреломлением, при деформации сжатия или растяжения приобретают свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль деформирующих сил. Экспериментально установили следующую связь между показателями преломления необыкновенной и обыкновенной волн в направлении ортогональном так называемой оптической оси, т.е. направления внешних сил деформации

Оптическая активность. Вращение плоскости поляризации При прохождении линейно поляризованного света через определённые вещества происходит поворот вектора  на некоторый угол. Вещества, обладающие такой способностью называются оптически активными.

Магнитное вращение плоскости поляризации Оптически неактивные вещества в магнитном поле становятся оптически активными и вращают плоскость поляризации света, распространяющегося в веществе вдоль силовых линий напряженности магнитного поля. Этот эффект называют эффектом Фарадея (1846 год).

Элементарная теория явления Зеемана Классическая теория Лоренца эффекта Зеемана является модельной теорией, в которой исповедуется модель атома как набора квазиупруго связанных с массивным ядром электронов, при этом собственные частоты колебаний электронов определяют спектральные линии излучения атома

 Обратный эффект Зеемана и явление Фарадея Эффект Зеемана наблюдается и на линиях поглощения. Вещество в газообразном агрегатном состоянии, например, пары металла, имеющее резкую спектральную линию поглощения помещают в сильное однородное магнитное поле. Пропуская мощный световой поток через абсорбирующее вещество, наблюдают расщепление линии поглощения при включении магнитного поля

Тепловое излучение Квантовые свойства света

Второй закон Кирхгофа. В состоянии равновесия поглощаемая в единицу времени участком поверхности энергия излучения равна энергии ,излучаемой в тот же промежуток времени тем же участком поверхности.

Закон Стефана-Больцмана. Экспериментальные (1879 г. Й. Стефан) и теоретические (1884 г. Л. Больцман) исследования позволили доказать важный закон теплового излучения абсолютно черного тела. Этот закон утверждает, что энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры

Формула Рэлея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа Успехи термодинамики, позволившие теоретически вывести законы Стефана–Больцмана и Вина, вселяли надежду, что из термодинамических соображений удастся получить всю кривую спектрального распределения излучения черного тела r*w,Т. В 1900 году эту проблему пытался решить знаменитый английский физик Д. Релей, который в основу своих рассуждений положил теорему классической статистической механики о равномерном распределении энергии по степеням свободы в состоянии термодинамического равновесия.

Развивая теорию теплового излучения, Д. Рэлей (1900 г.) и Д. Джинс (1905 г.) предложили рассмотреть каждую стоячую электромагнитную волну как объект с двумя степенями свободы, одна из которых – электрическая, а другая – магнитная.

Элементарная квантовая теория излучения Эйнштейна Получить формулу Планка в рамках классической физики невозможно. Обосновать ее можно, используя квантовые представления об излучении и поглощении света. Тепловое излучение в полости находится в термодинамическом равновесии с атомами, составляющими внутреннюю оболочку полости.

Атом Резерфорда – Бора и гипотеза де Бройля Ядерная модель атома Резерфорда

Теория атома водорода по Бору Постулаты, выдвинутые Бором, позволили рассчитать спектр атома водорода и водородоподобных систем - систем, состоящих из ядра с зарядом Ze и одного электрона (например, ионы Не+, Li2+), а также теоретически вычислить постоянную Ридберга.

Элементы квантовой механики Соотношение неопределенностей Современная трактовка корпускулярно-волнового дуализма может быть выражена словами: для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна - частица.

Частица в потенциальном ящике. Квантование энергии Рассмотрение частицы в потенциальном ящике — одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками — имеет большое значение, так как потенциальная яма есть первое приближение силового поля, связывающего электроны в атоме, а также атомы в кристаллической решетке.

Прохождение частиц через потенциальный барьер. Туннельный эффект Потенциальным барьером называют область пространств, в которой потенциальная энергия больше, чем в окружающих областях пространства.

Квантование момента импульса Момент импульса. Момент импульса М является одной из важнейших характеристик движения. Однако в квантовой теории момент импульса существенно отличается от классического. А именно, модуль момента импульса может быть задан сколь угодно точно только с одной из проекций, например, Мг. Другие две проекции оказываются полностью неопределенными.

Элементы квантовой статистики и зонной теории твердого тела Понятие о квантовой статистике Свойства систем, состоящих из огромного числа частиц, подчиняющихся законам квантовой механики, изучаются в разделе статистической физики – квантовой статистике. Квантовая статистика основывается на принципе неразличимости тождественных частиц.

Распределение Бозе - Эйнштейна Перейдем к выводу закона распределения для идеального бозе-газа, т. е. системы практически не взаимодействующих бозонов. Вначале решим вспомогательную задачу. Возьмем N неразличимых частиц, помещенных в некоторый длинный ящик (пенал).

Фононный газ Колебания кристаллической решетки можно представить как фононный газ, заключенный в пределах образца кристалла, подобно тому, как электромагнитное излучение можно представить как фотонный газ, заполняющий полость. Чтобы обсудить эту тему подробнее, нужно знать решение задачи о малых колебаниях системы с большим числом степеней свободы. Ниже будут рассмотрены результаты решения этой задачи, не касаясь способов ее решения.

Понятие о квантовой теории теплоемкости кристаллов Для фотонного газа предполагались условия изотропности среды и линейности закона дисперсии (ω = сk). Для кристаллов в общем случае эти условия не выполняются. Из-за электрон-электронного, электрон-фононного и фонон-фононного взаимодействия закон дисперсии для кристаллов имеет сложный вид и зависит от направления в кристалле

Теплоемкость фононного газа Применив к фононному газу распределение Бозе-Эйнштейна, можно получить выражение для энергии колеба­ний кристаллической решетки, а следовательно, и для теплоемкости кристаллов. Число фононов непостоянно (они могут возникать и исчезать).

Температура вырождения Уровень Ферми, хотя и очень слабо, но зависит от температуры

Электроны в кристаллах Электропроводность металлов Квантовомеханический расчет показывает, что в случае идеальной кристаллической решетки электроны проводимости не испытывали бы при своем движении никакого сопротивления и электропроводность металлов была бы бесконечно большой. Согласно корпускулярно-волновому дуализму, движению электрона сопоставляют волновой процесс

Примесная проводимость полупроводников Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим составом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т.д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат. % бора его проводимость увеличивается примерно в 106 раз.

Контакт электронного и дырочного полупроводников Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. р-n-Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов.

Контактные и термоэлектрические явления по зонной теории Работа выхода и термоэлектронная эмиссия Поверхность металла удается покинуть только тем электронам проводимости, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Удаление электрона от наружного слоя ионов peшетки приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда.

Сверхпроводимость Камерлинг-Оннес обнаружил в 1911 г., что при температуре около 4 К электрическое сопротивление ртути скачком уменьшалось до нуля. Дальнейшие исследования показали, что аналогично ведут себя и многие другие металлы и сплавы. Это явление назвали сверхпроводимостью, а вещества, где оно наблюдается, - сверхпроводниками. Температура Тк, при которой происходит скачкообразное уменьшение сопротивления, называется температурой перехода в сверхпроводящее состояние или критической температурой. Состояние сверхпроводника выше критической температуры называется нормальным, а ниже — сверхпроводящим.

Атом водорода. Квантование Собственные значения энергии. Рассмотрим систему, состоящую из электрона е, который движется в кулоновском поле неподвижного ядра с зарядом Ze (водородоподобная система).

Описание состояния электрона. Поскольку в квантовой механике определяют лишь вероятность местонахождения электрона, то для наглядности применяют образ электронного облака. Плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра пропорциональна плотности вероятности обнаружения электрона в этой точке, которая в свою очередь определяется квадратом модуля волновой функции. Квантовые числа n и l характеризуют размер и форму электронного облака, а квантовое число m – ориентацию электронного облака в пространстве.

Щелочные металлы. Уровни энергии Атом щелочного металла имеет Z электронов и можно считать, что (Z – 1) электронов вместе с ядром образуют сравнительно прочный остов, в электрическом поле которого движется внешний (валентный) электрон, довольно слабо связанный с остовом атома.

Результирующий механический момент многоэлектронного атома

О периодической системе элементов Д.И. Менделеева. В основе систематики заполнения электронных состояний в атомах лежит принцип Паули. Это позволяет объяснить Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева (1869) — фундаментальный закон природы — основу современной химии, атомной и ядерной физики.

Магнитный момент атома. Опыт Штерна и Герлаха

Физика атомного ядра и элементарных частиц Атомное ядро Состав и основные характеристики атомного ядра

Ядерные силы Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы притяжения между нуклонами в сотни раз превосходят электромагнитные силы отталкивания. Перечислим отличительные особенности этих сил.

Радиоактивность Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся: 1) α-распад, 2) β-распад (в том числе электронный захват), 3) γ-излучение ядер, 4) спонтанное деление тяжелых ядер, 5) протонная радиоактивность.

Эффект Мёссбауэра

Деление ядер Реакция деления ядра происходит при облучении тяжелого ядра нейтронами, при этом ядро делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Деление тяжелых ядер может быть вызвано не только нейтронами, но и протонами, дейтронами, α-частицами, а также γ-фотонами

Элементарные частицы Виды взаимодействий элементарных частиц В настоящее время элементарными частицами называют большую группу мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона — ядра атома водорода) и которые при взаимодействии ведут себя как единое целое. Характерным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям (рождению и уничтожению) при взаимодействии с другими частицами.

Частицы и античастицы Уравнение Шрёдингера не удовлетворяет требованиям теории относительности — оно не инвариантно по отношению к преобразованиям Лоренца. В 1928 г. П. Дираку удалось найти релятивистское квантовомеханическое уравнение для электрона, из которого вытекает ряд замечательных следствии.

Кварки Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела Гелл-Мана и Цвейга (1964 г.) на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. Ими  была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых.

Рентгеновское излучение Природа и свойства РИ. В рентгеновской трубке пучок электронов, эмитируемых катодом и разгоняемых электрическим полем до скоростей порядка 100000 км/с, ударяется об анод. Очень резкое торможение электронов, происходящее при  ударе об анод, создаёт коротковолновое электромагнитное излучение, называемое  тормозным РИ. При ударе электронов об анод происходит превращение части кинетической энергии электронов в энергию электромагнитного излучения, однако большая часть энергии электронов превращается в энергию молекулярно-теплового движения частиц анода, что вызывает его сильное нагревание.

Радиоактивностью называется процесс самопроизвольного распада неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц.