I. Испускание и поглощение электромагнитных волн веществом - pismo.netnado.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
I. Испускание и поглощение электромагнитных волн веществом - страница №1/1

ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
I. Испускание и поглощение электромагнитных волн веществом.

Видимый свет - электромагнитное излучение в пределах длин волн от 740 до 400нм, воспринимаемое человеческим глазом.

Инфракрасное излучение - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 1-2 мм до 0,74мкм.

Ультрафиолетовое излучение - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 400 до 10нм.

Рентгеновские лучи - не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн от 10-5 до 102 нм. Проникают через некоторые непрозрачные для видимого света вещества. Испускаются при торможении быстрых электронов в веществе. Дают интерференционную картину при рассеянии на кристаллической решетке - рентгеноструктурный анализ.

-излучение - коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,1нм, возникающее, например, при распаде радиоактивных ядер.

Монохроматические волны - волны, имеющие одинаковую частоту.

Спектр - совокупность монохроматических волн, на которые можно разложить данную волну.

Спектральная плотность излучения - характеристика спектра излучения, равная отношению интенсивности (плотности потока) излучения в узком частотном интервале к величине этого интервала.

[Вт м-2 с]
I.1 Тепловое излучение.

Излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие их теплового движения, называется тепловым излучением.

Накаленные твердые и жидкие тела и газы при большом давлении испускают свет, разложение которого дает непрерывный спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят один в другой.

Для абсолютно черного тела (идеальный объект, поглощающий все падающее на него излучение) из опыта известно:



- спектральная плотность интенсивности излучения имеет максимум при определенной частоте

- энергия излучения, приходящаяся на очень большие и очень малые частоты, ничтожно мала

- при повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону больших частот

Ультрафиолетовая катастрофа - несоответствие теоретической зависимости спектральной плотности излучения черного тела от частоты, полученной на основании классических представлений, экспериментальным данным в области высоких частот (ультрафиолет).
Формула Планка. Теоретическая зависимость спектральной плотности излучения черного тела от частоты, совпадающая с экспериментальными данными, получена Максом Планком на основе чуждого классической физике предположения, что атомы излучают энергию только определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте излучения.

E = h , где h = 6,6210-34 Дж с - коэффициент пропорциональности, постоянная Планка, E - энергия излучения, - частота излучения.
I.2 Излучение возбужденных атомов разреженных газов или паров

Возбужденные атомы разреженных газов или паров испускают свет, разложение которого дает линейчатый спектр, состоящий из отдельных цветных линий. Каждый химический элемент имеет характерный для него линейчатый спектр - основу спектрального анализа (определение качественного и количественного состава вещества по спектру его паров).

Если белый свет от источника, дающего сплошной спектр, пропускается через пары исследуемого вещества и затем разлагается в спектр, то на фоне сплошного спектра наблюдаются темные линии поглощения (фраунгоферовы линии) в тех же самых местах, где лежали бы линии спектра испускания паров исследуемого элемента. Такой спектр называют спектром поглощения.

Расположение линий в линейчатых спектрах подчинено определенным, эмпирически выявленным закономерностям:



* Комбинационный принцип Ритца.

Частоту любой спектральной линии данного атома можно получить комбинацией (сложением или вычитанием) двух или более частот других спектральных линий этого же атома.



* Терм. Система спектральных линий каждого атома может быть сведена к системе атомных постоянных, так называемых спектральных термов, так что каждая спектральная линия представляет собой разность двух термов. Правильно построенная эмпирическая система термов одновременно изображает собой и энергетическую систему атома с точностью до произвольной постоянной (см. Модель атома Бора).

* Обобщенная бальмеровская формула (сериальные законы).

, где R - постоянная Ридберга, n1 и n2 - положительные целые числа, .
I.3 Излучение возбужденных молекул разреженных газов или паров

Спектр молекулы состоит из большого числа отдельных линий, сливающихся в полосы, четкие с одного края и размытые с другого. Такие спектры называют полосатыми спектрами.


I.4 Люминесценция

Люминесценция представляет собой излучение света телами, избыточное над их тепловым излучением. Люминесценция вызывается переходом излучающих частиц в возбужденное состояние под действием освещения тела (фотолюминесценция), вследствие бомбардировки электронами (катодолюминесценция), при пропускании тока (электролюминесценция), при химических реакциях (хемилюминесценция).

* Флуоресценция - вид люминесценции, прекращающийся почти сразу вслед за прекращением действия фактора, возбуждающего атомы или молекулы вещества.

* Фосфоресценция - вид люминесценции, сохраняющейся значительное время после прекращения возбуждения свечения.
I.5 Фотоэффект

Фотоэффект - вырывание электронов из вещества под действием света.
Законы фотоэффекта.

1. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (Emax = ) линейно возрастает с частотой света ( ) и не зависит от его интенсивности. При частоте света ниже определенной для данного вещества минимальной величины (кр) фотоэффект не происходит.

Второй закон необъясним на основе классических представлений.



Теория фотоэффекта (Эйнштейн).

Свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями (Такие порции называют квантами света или фотонами). Энергия E каждой порции излучения в соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:

E = h , где h = 6,6210-34 Дж с - коэффициент пропорциональности, постоянная Планка

Применяя закон сохранения энергии для фотоэлектрона получаем формулу Эйнштейна:



h = Aвых + кр = Aвых / h

где Aвых - работа, которую надо совершить для извлечения электрона из металла (работа выхода электрона).



I.6 Давление света

Классическая теория: Если на поверхность тела нормально к ней падает электромагнитная волна, то наличие электрического поля приводит к смещению заряженных частиц вещества. На движущиеся заряды со стороны магнитного поля приходящей волны оказывают действие силы Лоренца.

Квантовая теория: Свет - поток фотонов. Каждый фотон обладает:

- энергией E = h

- импульсом p = h /

- массой m = (h) / c2

При поглощении фотонов макроскопическим телом изменяется их импульс  изменяется импульс тела  на тело действует сила.


I.7 Химическое действие света

Фотохимическая реакция - реакция, возбуждаемая действием света. Важнейший природный фотохимический процесс - фотосинтез. Основная область практического использования - фотография.


II. Атомная физика
II.1 Модель атома Дж. Дж. Томсона (“пудинг с изюмом”)

Атом представляет собой положительно заряженную сферу, в которую вкраплены отрицательно заряженные частицы - электроны.


II.2 Модель атома Резерфорда (планетарная модель)

На основании опытов по рассеянию -частиц тонкой металлической фольгой Резерфорд предложил следующую модель атома:

- весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточена в маленьком ядре (диаметр порядка 10-14 м) (“солнце”)

- ядро окружено вращающимися вокруг него отрицательно заряженными электронами (“планеты”)

- размер атома порядка 10-10 м, большая часть пространства в атоме является “пустой”

- нейтральность атомов обеспечивается равенством отрицательного заряда электронов и положительного заряда ядра


На основании этой модели необъяснимы:

1. Стабильность атомов (ускоренно движущийся электрон должен все время излучать электромагнитные волны, терять энергию; в результате, за время порядка 10-8 с он должен упасть на ядро)

2. Линейчатые спектры излучения атомов (частота излучения атома должна быть равна частоте обращения электрона, а она (см. п. 1) все время изменяется из-за потерь энергии на излучение)
II.3 Модель атома Бора

Для исправления недостатков планетарной модели Бор предложил теорию атома водорода, основанную на следующих постулатах:

1. Электрон обращается вокруг протона в атоме водорода, совершая равномерное движение по круговой орбите под действием кулоновской силы и в соответствии с законами Ньютона.

* 2. Из всех возможных орбит являются разрешенными только те, для которых момент импульса электрона равен целому числу, умноженному на h / (2), т.е.



, n = 1, 2, 3, ...

где h - постоянная Планка

3. При движении электрона по разрешенной орбите атом не излучает энергию.

4. При переходе электрона с одной орбиты с энергией Еi на другую орбиту с энергией Еj (ЕiЕj) излучается фотон с частотой



5. При поглощении фотона электрон переходит с орбиты с меньшей энергией на орбиту с большей энергией.



Планк “квантует” энергию излучателей, Эйнштейн - излучаемый свет. Бор соединил оба эти представления: представление о световом кванте заключено в боровском условии частот, планковское представление о квантовых состояниях излучателя - в квантовых условиях для стационарных орбит электронов в атоме.
II.3а Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Лазер (оптический квантовый генератор, ОКГ) - источник оптического когерентного излучения, действие которого основано на усилении света в результате индуцированного излучения атомов. Излучение лазера характеризуется высокой направленностью и большой плотностью энергии.

Индуцированное излучение - процесс испускания электро-магнитных волн возбужденными атомами под действием вынуждающего излучения. Частота, фаза, поляризация н направление испускаемого и вынуждающего излучения совпадают.
II.4 Волны де Бройля

Гипотеза де Бройля:

Если световые волны имеют корпускулярную природу, то и частицы (например, электрон) должны проявлять волновые свойства:

Если для фотона Е = h = mc2 = pcp = h / , то и любой частице можно поставить в соответствие волновой процесс с частотой = Е / h и длиной волны  = h / p.
* II.5 Матричная механика Гейзенберга

Характерной особенностью величин, играющих главную роль в теории строения атома, является их попарная связь между собой и невозможность одновременного точного указания обеих, связанных таким образом величин. Математические правила, с помощью которых можно производить выкладки с такого рода величинами составляют содержание матричной механики.


* II.6 Волновая механика Шредингера

Путем обобщения идей де Бройля можно построить системы стоячих волн, амплитуды которых вполне правильно изображают вероятность нахождения электрона в различных точках вблизи ядра. Таким путем может быть построена волновая механика атома, вполне эквивалентная матричной механике Гейзенберга.


II.7 Принципы, сформулированные в процессе развития квантовой физики
Корпускулярно-волновой дуализм.

Любые микрообъекты материи обладают свойствами и частиц (корпускул), и волн.


* Принцип дополнительности.

При экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены точные данные либо о его энергиях и импульсах, либо о поведении в пространстве и времени. Эти две взаимоисключающие картины: энергитически-импульсная и пространственно-временная, получаемые при взаимодействии микрообъекта с соответствующими измерительными приборами, “дополняют” друг друга.


* Принцип неопределенности.

Характеризующие физическую систему т. н. дополнительные физические величины (напр., координата и импульс) не могут одновременно принимать точные значения. Принцип отражает двойственную, корпускулярно-волновую природу частиц материи.


Принцип соответствия.

Новая теория, претендующая на более широкую область применимости, чем старая, должна включать последнюю как предельный случай.