Файл: Минимальный курс физики. Составлен доц. Юнусовым Н. Б.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 361
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
принципу Паули: в каждом квантовом состоянии может находиться только одна частица. Их распределение по состояниям описывается статистикой Ферми–Дирака.
Различие статистик легко понять на следующем модельном примере: пусть нам надо распределить две частицы a и b по двум состояниям. Классические частицы можно распределить 4 способами; бозоны с учетом тождественности частиц – 3 способами; фермионы с учетом тождественности частиц и принципа Паули – 1 способом.
В случае, когда дискретностью квантовых состояний можно пренебречь, например,
при высоких температурах, оба распределения перейдут в классическое распределение Больцмана.
Периодическая система элементов. По мере увеличения порядкового номера Zатома происходит последовательное заполнение электронных уровней атома в соответствии с принципом Паули: в атоме не может быть электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых
чисел п, ℓ,mℓ,mS. Поэтому каждый следующий электрон невозбужденного атома должен занимать самый глубокий из еще не заполненных уровней.
Каждому значению п соответствует 2п2состояний, отличающихся друг от друга значениями квантовых чисел ℓ,mℓ,mS. Совокупность электронов атома с одинаковыми значениями квантового числа п образует оболочку. Оболочки обозначают большими буквами латинского алфавита:
п (Оболочка): 1(К), 2(L), 3(М), 4(N)…
Оболочки подразделяют на подоболочки, различающиеся орбитальным квантовым числом ℓ . Число состояний в подоболочке равно 2(2·ℓ +1). Подоболочки обозначают в виде 1s; 2s, 2p; 3s, Зр, 3d;..., ,где цифра означает квантовое число п, т.е. принадлежность к соответствующей оболочке, а буква – орбитальное состояние или орбиталь согласно схеме:
ℓ (Орбиталь): 0(s), 1(p), 2(d), 3(f)…
Различные состояния в подоболочке отличаются значениями квантовых чисел mℓ иmS . Число возможных состояний в К, L, М, N,... оболочках равно соответственно 2, 8, 18, 32,..., т.е. 2n2.
Заполнение периодической системы элементов основано на идее об оболочечной структуре электронного облака атома. Каждый следующий атом получается из предыдущего добавлением к заряду ядра единицы и добавлением одного электрона, помещаемого в разрешенное принципом Паули состояние с наименьшей энергией.
Распределение электронов по состояниям называется электронной конфигурацией, например, для атома хлора (Z=17) : 1s22s22
p63s23p5.
Оболочка или подоболочка, полностью заполненная электронами, называется замкнутой и соответствует инертному газу. Наблюдаемая периодичность химических и физических свойств атомов объясняется поведением внешних валентных электронов.
Лазер. Между энергетическими уровнями атомов могут осуществляться следующие переходы: 1.Самопроизвольныепереходысуровней с большей энергией на уровни с меньшей энергией. В результате наблюдается спонтанное излучение – испускание атомами фотонов . 2. Происходящие под действием излучения вынужденные переходына более высокие энергетические уровни. В результате наблюдается поглощение излучения веществом.
3. Испускательные переходы, вызываемые действием на атомы, находящиеся в возбужденном состоянии, электромагнитной волны. Такой переход сопровождается вынужденным (индуцированным) излучением.
С волновой точки зрения, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.
С квантовой точки зрения, процесс вынужденного излучения приводит к появлению вместо одного фотона с энергией ћωдвух таких же фотонов. Новый фотон, появившийся в результате индуцированного излучения, усиливает свет.
Для работы усилителя света (лазера) необходимо создать инверсную населенность в рабочем теле, когда число атомов в возбужденном состоянии превышает их число в состоянии с меньшей энергией. При прохождении светом такой среды происходит его усиление.
Для получения большой интенсивности света в лазере используется т.н. положительная обратная связь, реализованная в виде оптического резонатора, представляющего собой два строго параллельных зеркала, между которыми располагается рабочее тело. Одно из зеркал – непрозрачное, а второе – полупрозрачно
. Слабое вынужденное излучение, вышедшее из рабочего тела, циркулирует между двумя зеркалами, каждый раз обогащаясь новыми фотонами, до тех пор, пока его интенсивность не достигнет некоторого порогового значения, при котором свет выходит сквозь полупрозрачное зеркало. Необходимо еще, чтобы световая волна, идущая в одном направлении, при интерференции со встречной волной усиливалась. Это будет только в том случае, если между зеркалами возникнет стоячая волна, а именно, на расстоянии между зеркалами Lдолжно укладываться целое число полуволн: L= k (λ/2). k–целое число. Лазер обязательно содержит систему накачки, создающую и поддерживающую инверсную населенность в рабочем теле лазера; она может быть оптическая, электрическая, химическая, ядерная и т.д. По рабочему телу лазеры подразделяются на твердотельные (кристаллы, стекла, полупроводники), жидкостные (растворы красителей в спирте), газовые. Длина волны определяется рабочим веществом. Лазерное излучение имеет хорошую когерентность, малую расходимость луча, монохроматично. Кроме того, если лазер импульсный, то могут быть достигнуты огромные интенсивности света.
3.7. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА.
Твердое тело рассматривается как многоядерная и многоэлектронная система, в которой действуют кулоновские силы. Однако, решение уравнения Шредингера для такой системы оказывается невыполнимой задачей из-за огромного числа частиц. Приближенное решение можно получить путем сведения задачи многих частиц к задаче об одном электроне, движущемся в заданном внешнем поле. Такой путь приводит к зонной теории.
Если мысленно расположить N атомов в виде кристаллической решетки, но на больших расстояниях друг от друга, то атомы в такой системе практически не взаимодействуют, каждый электрон находится на соответствующем атомном уровне энергии. Если теперь начать все атомы сближать до реальных размеров кристаллической решетки, то возникает несколько эффектов.
Во-первых, на каждый электрон дополнительно начинают действовать силы со стороны соседних ядер, ослабляя связь с собственным ядром. Влияние соседних ядер на внешние валентные электроны будет значительно больше, чем на электроны внутренних заполненных оболочек. В результате валентные электроны приобретают возможность почти свободно двигаться по кристаллу. В стационарном состоянии валентный электрон в кристалле обладает вполне определенной энергией и находится на вполне определенном уровне энергии. Однако теперь этот уровень принадлежит не отдельному атому, а всему кристаллу. Поэтому стационарные состояния валентных электронов в кристалле образуют спектр очень тесно примыкающих друг к другу уровней.
В о-вторых, в системе из N далеко расположенных одинаковых атомов возможны N различных состояний электрона, соответствующих одной и той же энергии, но принадлежащих различным атомам. В кристалле, состоящем из N атомов, в одном энергетическом состоянии находилось бы N электронов, что запрещено принципом Паули. Поэтому одинаковые атомные уровни взаимодействующих атомов несколько расходятся по энергии –
Различие статистик легко понять на следующем модельном примере: пусть нам надо распределить две частицы a и b по двум состояниям. Классические частицы можно распределить 4 способами; бозоны с учетом тождественности частиц – 3 способами; фермионы с учетом тождественности частиц и принципа Паули – 1 способом.
Классические частицы a,b | Бозоны a≡b | Фермионы a≡b | ||||||||||||||||
|
|
|
В случае, когда дискретностью квантовых состояний можно пренебречь, например,
при высоких температурах, оба распределения перейдут в классическое распределение Больцмана.
Периодическая система элементов. По мере увеличения порядкового номера Zатома происходит последовательное заполнение электронных уровней атома в соответствии с принципом Паули: в атоме не может быть электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых
чисел п, ℓ,mℓ,mS. Поэтому каждый следующий электрон невозбужденного атома должен занимать самый глубокий из еще не заполненных уровней.
Каждому значению п соответствует 2п2состояний, отличающихся друг от друга значениями квантовых чисел ℓ,mℓ,mS. Совокупность электронов атома с одинаковыми значениями квантового числа п образует оболочку. Оболочки обозначают большими буквами латинского алфавита:
п (Оболочка): 1(К), 2(L), 3(М), 4(N)…
Оболочки подразделяют на подоболочки, различающиеся орбитальным квантовым числом ℓ . Число состояний в подоболочке равно 2(2·ℓ +1). Подоболочки обозначают в виде 1s; 2s, 2p; 3s, Зр, 3d;..., ,где цифра означает квантовое число п, т.е. принадлежность к соответствующей оболочке, а буква – орбитальное состояние или орбиталь согласно схеме:
ℓ (Орбиталь): 0(s), 1(p), 2(d), 3(f)…
Различные состояния в подоболочке отличаются значениями квантовых чисел mℓ иmS . Число возможных состояний в К, L, М, N,... оболочках равно соответственно 2, 8, 18, 32,..., т.е. 2n2.
Заполнение периодической системы элементов основано на идее об оболочечной структуре электронного облака атома. Каждый следующий атом получается из предыдущего добавлением к заряду ядра единицы и добавлением одного электрона, помещаемого в разрешенное принципом Паули состояние с наименьшей энергией.
Распределение электронов по состояниям называется электронной конфигурацией, например, для атома хлора (Z=17) : 1s22s22
p63s23p5.
Оболочка или подоболочка, полностью заполненная электронами, называется замкнутой и соответствует инертному газу. Наблюдаемая периодичность химических и физических свойств атомов объясняется поведением внешних валентных электронов.
Лазер. Между энергетическими уровнями атомов могут осуществляться следующие переходы: 1.Самопроизвольныепереходысуровней с большей энергией на уровни с меньшей энергией. В результате наблюдается спонтанное излучение – испускание атомами фотонов . 2. Происходящие под действием излучения вынужденные переходына более высокие энергетические уровни. В результате наблюдается поглощение излучения веществом.
3. Испускательные переходы, вызываемые действием на атомы, находящиеся в возбужденном состоянии, электромагнитной волны. Такой переход сопровождается вынужденным (индуцированным) излучением.
С волновой точки зрения, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.
С квантовой точки зрения, процесс вынужденного излучения приводит к появлению вместо одного фотона с энергией ћωдвух таких же фотонов. Новый фотон, появившийся в результате индуцированного излучения, усиливает свет.
Для работы усилителя света (лазера) необходимо создать инверсную населенность в рабочем теле, когда число атомов в возбужденном состоянии превышает их число в состоянии с меньшей энергией. При прохождении светом такой среды происходит его усиление.
Для получения большой интенсивности света в лазере используется т.н. положительная обратная связь, реализованная в виде оптического резонатора, представляющего собой два строго параллельных зеркала, между которыми располагается рабочее тело. Одно из зеркал – непрозрачное, а второе – полупрозрачно
. Слабое вынужденное излучение, вышедшее из рабочего тела, циркулирует между двумя зеркалами, каждый раз обогащаясь новыми фотонами, до тех пор, пока его интенсивность не достигнет некоторого порогового значения, при котором свет выходит сквозь полупрозрачное зеркало. Необходимо еще, чтобы световая волна, идущая в одном направлении, при интерференции со встречной волной усиливалась. Это будет только в том случае, если между зеркалами возникнет стоячая волна, а именно, на расстоянии между зеркалами Lдолжно укладываться целое число полуволн: L= k (λ/2). k–целое число. Лазер обязательно содержит систему накачки, создающую и поддерживающую инверсную населенность в рабочем теле лазера; она может быть оптическая, электрическая, химическая, ядерная и т.д. По рабочему телу лазеры подразделяются на твердотельные (кристаллы, стекла, полупроводники), жидкостные (растворы красителей в спирте), газовые. Длина волны определяется рабочим веществом. Лазерное излучение имеет хорошую когерентность, малую расходимость луча, монохроматично. Кроме того, если лазер импульсный, то могут быть достигнуты огромные интенсивности света.
3.7. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА.
Твердое тело рассматривается как многоядерная и многоэлектронная система, в которой действуют кулоновские силы. Однако, решение уравнения Шредингера для такой системы оказывается невыполнимой задачей из-за огромного числа частиц. Приближенное решение можно получить путем сведения задачи многих частиц к задаче об одном электроне, движущемся в заданном внешнем поле. Такой путь приводит к зонной теории.
Если мысленно расположить N атомов в виде кристаллической решетки, но на больших расстояниях друг от друга, то атомы в такой системе практически не взаимодействуют, каждый электрон находится на соответствующем атомном уровне энергии. Если теперь начать все атомы сближать до реальных размеров кристаллической решетки, то возникает несколько эффектов.
Во-первых, на каждый электрон дополнительно начинают действовать силы со стороны соседних ядер, ослабляя связь с собственным ядром. Влияние соседних ядер на внешние валентные электроны будет значительно больше, чем на электроны внутренних заполненных оболочек. В результате валентные электроны приобретают возможность почти свободно двигаться по кристаллу. В стационарном состоянии валентный электрон в кристалле обладает вполне определенной энергией и находится на вполне определенном уровне энергии. Однако теперь этот уровень принадлежит не отдельному атому, а всему кристаллу. Поэтому стационарные состояния валентных электронов в кристалле образуют спектр очень тесно примыкающих друг к другу уровней.
В о-вторых, в системе из N далеко расположенных одинаковых атомов возможны N различных состояний электрона, соответствующих одной и той же энергии, но принадлежащих различным атомам. В кристалле, состоящем из N атомов, в одном энергетическом состоянии находилось бы N электронов, что запрещено принципом Паули. Поэтому одинаковые атомные уровни взаимодействующих атомов несколько расходятся по энергии –