Законы теплового излучения Волновые свойства микрочастиц Операторы физических величин Квантовые  генераторы Электропроводимость  металлов Ядерная физика Атомное ядро Спектры излучения атомных ядер

Курс лекций по физике

Модель атома со стационарными орбитами электронов отличалась наглядностью, но именно эта наглядность и сбивала с толку. Как "выглядят" орбиты, что происходит с электроном при "перескоке" с орбиты на орбиту, оставалось неясным. Частоты и интенсивности спектральных линий определялись только разностью энергетических уровней и вероятностью переходов. Поэтому Гейзенберг решил попытаться "построить квантово-теоретическую механику, аналогичную классической механике, в которую входили бы лишь соотношения между наблюдаемыми величинами" .

Квантовые  генераторы

 В первом приборе квантовой электроники – молекулярном генераторе активной средой являлся пучок молекул аммиака NН3 , из которого с помощью сложного квадрупольного конденсатора выводились молекулы с меньшей энергией, а обогащённый возбуждёнными молекулами пучок представлял собой активную среду. В объёмном резонаторе, взаимодействуя с молекулярным пучком, вынужденное излучение частотой ν = 24840 МГц усиливалось.

 Молекулярные квантовые генераторы такого типа, работающие в СВЧ диапазоне, получили название мазеров. Они применяются в радиолокаторах,

радиотелескопах, линиях космической связи, в устройствах для измерения частоты колебаний и промежутков времени с высокой точностью.

 В 1960 г. был создан оптический квантовый генератор, получивший название лазер.

 Обычно в возбуждённом состоянии атомы находятся лишь 10-9 – 10-7 с. Однако некоторые атомы имеют возбуждённые состояния, в которых они могут находиться довольно длительное время, например,  10-3 с. Такие состояния называются метастабильными. Пружинный и физический маятники. Колебательная система в этом случае представляет собой совокупность некоторого тела и прикрепленной к нему пружины. Пружина может располагаться либо вертикально (вертикальный пружинный маятник), либо горизонтально (горизонтальный пружинный маятник).


Процесс перевода среды в инверсное состояние, необходимое для работы ОКГ, называется накачкой усиливающей среды. Практически накачка осуществляется по трёхуровневой схеме. В первом лазере, работающем по трёхуровневой схеме был генератор с рубиновым кристаллом в качестве усиливающей среды ( Al2O3 c примесью  Cr2O3 ) Активным веществом служили ионы Cr3+.

Ближайшими к основному уровню С в Cr3+ являются две широкие энергетические зоны А и двойной метастабильный уровень В.

 Интенсивное облучение рубина зелёным светом мощной импульсной лампы накачки, наполненной неоном и криптоном переводит ионы хрома на уровни зоны  А, откуда происходят безизлучательные переходы на уровни В. Избыток энергии передаётся кристаллической решётке рубина. В результате создаётся инверсная заселённость ионами хрома уровней В и оптический квантовый генератор работает на двух линиях красного света λ = 692,7 нм и λ = 694,3 нм , соответствующих переходу ионов хрома с уровней В на уровень С .

Второе начало термодинамики. Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, а в окружающей среде и в системе при этом не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.

 Лавинообразное нарастание интенсивности в активной среде означает, что такая среда действует как усилитель электромагнитных волн.

 Эффект усиления света в ОКГ увеличивается при многократном прохождении света через один и тот же слой усиливающей среды.

 Фотон, движущийся параллельно оси активной среды 1 , рождает лавину фотонов, летящих в том же направлении. Часть этой лавины (~8%) пройдёт через полупрозрачное зеркало 3 наружу, а часть (92%)  отразится и будет нарастать в активной среде. Часть лавины фотонов, дошедших до сплошного зеркала 2 , поглотится в нём, но после отражения от зеркала 2 усиленный поток фотонов будет двигаться так же, как и первоначальный затравочный фотон. Многократно усиленный поток фотонов, вышедший из ОКГ сквозь полупрозрачное зеркало  3 , создаёт пучок света большой интенсивности, остро направленный, с малым расхождением.

  Опыт показывает, что генерация света возникает только при определённой длине резонатора  ( расстоянии между зеркалами ) кратному целому числу полуволн

.

 В этом случае на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн, т.е. в резонаторе образуется стоячая волна.

 Мощность светового излучения импульсного лазера (время высвечивания 10-8 – 10-10 с ) может быть более 109 Вт т.е. превышать мощность крупной электростанции.

ВОПРОСЫ  К РУБЕЖНОМУ КОНТРОЛЮ

Законы теплового излучения:

Кирхгофа;

Вина;

Стефана-Больцмана.

Квантовые свойства излучения:

Гипотеза Планка;

Формула Планка;

Вывод законов Вина и Стефана-Больцмана из формулы Планка;

Фотоэффект (законы Столетова и уравнение Эйнштейна);

Эффект Комптона;

Корпускулярно-волновой дуализм света.

Волновые свойства микрочастиц:

Гипотеза де Бройля;

Дифракция микрочастиц;

Принцип неопределённости Гейзенберга;

Задание состояния микрочастицы комплексной пси-функцией;

Плоская волна де Бройля и её свойства (преломление, интерференция, дифракция);

Статистический смусл пси-функции и условия, которым она должна удовлетворять;

Принцип суперпозиции квантовых состояний;

Уравнение Шрёдингера;

Общее;

Стационарное.

Стационарные задачи квантовой механики:

Частица в одномерной пот. яме с бесконечно высокими стенками;

Частица в трехмерной потенциальной яме… Понятие о вырожденных энергетических уровнях;

Одномерный потенциальный порог и барьер. Туннельный эффект.

Сканирующий туннельный микроскоп.

Гармонический квантовый осциллятор.

Представление физических величин операторами:

Операторы физических величин;

Гамильтониан;

Основные постулаты квантовой механики;

Вероятностный характер результатов измерений в квантовой механике.

Вычисление средних значений физических величин в квантовых системах.

Ядерная модель атома:

Постулаты Н.Бора;

Стационарное уравнение Шрёдингера для атома водорода;

Волновые функции и квантовые числа;

Правила отбора квантовых чисел;

Спектр атома водорода (серия Лаймана, серия Бальмера);

Ширина спектральных линий.

7.1 Механический и магнитный моменты атома. Опыт Штерна и Герлаха.

7.2 Орбитальный, спиновый и полный угловые моменты. Спин-орбитальное взаимодействие.

7.3 Атом во внешнем магнитном поле. Эффект Зеемана.

8. Спонтанное и индуцированное излучение. Коэффициенты «А» и «В» Эйнштейна. Активные среды с инверсной заселённостью энергетических уровней.

 ОКГ. Особенности лазерного излучения. Основные типы лазеров и их применение.

Квантовые  системы из одинаковых частиц Квантовые особенности поведения микрочастиц, отличающие их от свойств макроскопических объектов, проявляются не только при рассмотрении движения одной частицы, но и при анализе поведения системы микрочастиц. Наиболее отчётливо это видно на примере физических систем, состоящих из одинаковых частиц, – систем электронов, протонов, нейтронов и т.д.

Бозоны  и фермионы Частицы, состояния которых описываются симметричными волновыми функциями, называются бозонами. Системы, состоящие из таких частиц, подчиняются  статистике Бозе – Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, π- и к-мезоны, фононы в твёрдом теле, экситоны в полупроводниках и диэлектриках. Все бозоны обладают нулевым или целочисленным спином.

Квантовые  статистические распределения Особенности поведения частиц, связанные с неразличимостью тождественных частиц в квантовой механике, проявляются и в статистических свойствах систем, состоящих из одинаковых частиц. Это приводит к тому, что статистические распределения частиц в квантовой механике отличаются от статистических распределений, известных из классической физики. Кроме того, статистические свойства бозонов и фермионов в силу кардинального отличия в поведении этих частиц также оказываются различными.

Распределение  Ферми–Дирака Квантовая статистика Ферми–Дирака описывает идеальный газ из фермионов – ферми–газ.

Ньютон не создавал теорию особых механических явлений (даже неясно, что это такое). Он разрабатывал математическую механику как "Начала натуральной философии", как теорию всех возможных явлений. В XVIII в., как известно, ньютоновская механика представлялась именно универсальной системой естественнонаучного мышления. Она стала буквально мировоззрением - и не в силу своих внешних успехов или популяризации, а потому, что в ней были воплощены одновременно и идея полноты, точности и осмысленности теоретического знания вообще, и некая идеальная картина мира, идея реальности. Даже в XIX в., замечает Гейзенберг,- "механика прямо отождествлялась с точным естествознанием. Ее задачи и сфера ее применимости казались безграничными" .
;
Курс лекций по физике