15. Сила Лоренса. Движение зарядов в магнитном поле.
Сила Лоренса действует на дижущуюся в магнитном поле заряженную частицу,
изменяя при этом только направление скорости (т.к. она перпендикулярна к
скорости). Fл = q B V sin (a). Если на частицу в магнитном поле действует
сила Лоренса, она начинает закручиваться (или двигаться по спирали) с R =
mV/qB и периодом T = 2?m/qB;16. Эффект Холла.
Эффектом Холла называют возникновение поперечного электрического поля в
проводнике или полупроводнике с током при помещении его в магнитное поле.
Это явление обусловлено влиянием силы Лоренса на движение носителей тока.
Напряженность установивщегося поперечного электрического поля Е = R [B*j],
где B-индукция, j-вектор плотности тока, R-постоянная Холла.Холловская
разность потенци U=RIB/d, где d — линейный размер проводника в направлении
вектора В.17. Взаимодействие движущихся зарядов.
Сила, действующая на движущийся заряд q2 со стороны магнитного поля
другого движущегося заряда q1, называется силой магнитного взаимодействия.
Если два одноименных заряда движутся в вакууме с одинаковыми скоростями,
малыми по сравнению со скоростью света в вакууме, то силы их магнитного
взаимодействия явл. силами притяжения и численно равны Fm =
Mоq1q2V2/(4?r2), сила кулоновского ооталкивания — Fе = q1*q2/4pi*ео*r*r.
Т.к. еоМо = 1/с2, то отношение этих сил равно Fm/Fe = V2/c2; Следовательно,
при скоростях зарядов, малых по сравнению со скоростью света в вакууме,
магнитное взаимодействие между движущимися зарядами значительно слабее их
электростатического взаимодействия. Однако если заряды движутся в
прводнике, который в целом электрически нейтрален, электрические силы
оказываются скомпенсироваными, так что остается только магнитное
взаимодействие. Этим объясняется магнитное взаимодействие проводников с
токами.18. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца.
Электромагнитной индукцией называется возникновение э.д.с. в проводнике
при его перемещении в магнитном поле либо в замкнутом проводящем контуре
вследствие его движения в магнитном поле или изменения самого поля. Эта
э.д.с. назыв. электродвижущей силой электромагнитной индукции. Под её
влиянием в замкнутом прводнике возникает эл. ток, называемый индукционным
током. Закон Фарадея : э.д.с. электромагнитной индукции пропорциональна и
противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Фм сквозь
поверхность, натянутую на этот контур — Е инд = -dФ/dt; Знак минус в правой
части закона эл.-магн. индукции соответствует правилу Ленца : при всяком
изменении магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на прводящий
контур, в контуре возникает индуционный ток такого направления, что его
собственное магнитное поле противодействует изменению магнитного потока,
вызвавшего индуционный ток.19. Явление самоиндукции. Индуктивность.
Самоиндукцией наз. возникновение э.д.с. электромагнитной индукции в
электрической цепи вследствие изменения в ней электрического тока. Эта
э.д.с. наз. электродвижущей силой самоиндукции. Собственный магнитный поток
прпорционален току : Фс = LI, где коэффициент пропорциональности L называют
индуктивностью. Индуктивность зависит от размеров и формы проводника с
током и от свойств окруж. среды ( L = ??о n2V, где V=lS). Э.Д.С.
самоиндукции — Ес = -LdI/dt;20. Экстратоки.
Это токи, которые возникают в момент включения / или выключения
соленоида. При размыкании : I = Iо*e -Rt/ L, где R-активное сопративление
контура, L — его индуктивность. T = R/L — время релаксации. Во время
замыкания : I = Iо — Iо*e-Rt/L21. Взаимная индукция.
Взаимной индукцией называется явление возбуждения э.д.с.
электромагнитной индукции в одной эл. цепи при изменении эл. тока в другой
цепи или при изменении взаимного расположения этих двух цепей. В соотв. с
основным законом электромагитной индукции э.д.с. взаимной индукции
возникает во второй цепи вследствие изменения потока Ф в первой цепи.
Взаимные индуктивности двух контуров равны, если в среде нет
ферромагнитиков.22. Энергия магнитного поля.
При создании в замкнутом проводящем контуре электрического тока
необходимо совершить работу по преодолению э.д.с. самоиндукции,
перпятствующей нарастанию тока в контуре. По закону сохранения энергии
работа А определяет собственную энергию тока в контуре — W = LI2/2; Вместе
с ростом тока в цепи возрастает и магнитное поле этого тока. Собственная
энергия тока в цепи представляет собой не что иное, как энергию его
магнитного поля. Объемной плотностью энергии магнитного поля называется
энергия этого поля, отнесенная к его объему : w = dW/dV, где dW — энергия,
заключенная в малом объеме dV поля, который выбран таким образом, чтобы в
его пределах поле можно было считать однородным. В изотропной и
неферромагнитной среде w=BH/2;23. Магнитомеханические явления.
Магнитный момент создаваемого эл-ном тока(вращение можно принять как
ток) равен Pm = IS (S — площадь орбиты) Pm = eVr/2; Момент обусловлен
движением эл-на по орбите, вледствие чего назыв. орбитальным моментом эл-
на. Направление вектора Pm образует с направлением движения эл-на
левовинтовую систему. Движущийся по орбите электрон обладает моментом
импульса M = mVr. Вектром М назыв. орбитальным механ. моментом эл-на. Он
образует с направлением движения эл-на правовинтовую систему. Следовательно
направления векторов Pm и M противоположны. Отношение магнитного момента
элементарной частицы к её механ. моменту назыв. магнитомеханическим
отношением. Для эл-на оно равно : Pm/M = — e/2m. Вследствие вращения вокруг
ядра эл-н оказывается подобным волчку. Это обстоятельство лежит в основе
так называемых магнитомеханических явлений, заключающихся в том, что
намагничивание магнетика приводит к его вращению и, наоборот, вращение
магнетика вызывает его намагничивание.24. Опыт Энштейна-Де Хааза. Опыт Барнета.
Существование первого явления (вопр. 23) было доказано экспериментально
Эйнштейном и де Хаазом, а второго — Барнетом. Опыт 1 : если намагнитить
стержень из магнетика, то магнитные моменты электронов установятся по
направлению поля, а механич. моменты — против. В результате суммарный
механический момент эл-нов станет отличным от нуля. Момент импульса системы
стержень-электроны должен остаться без изменений. Поэтому стержень
преобретает момент импульса и следовательно приходит во вращение. Изменение
направления намагниченности приведет к изменению направления вращения
стержня. Опыт Эйнштейна и де Хааза осуществлялся следующим образом : тонкий
железный стержень подвешивали на упругой нити и помещали внутрь соленоида.
Закручивание нити при намагничивании стержня постоянным м.п. получалось
весьма малым. Для усиления эффекта был применен метод резонанса — соленоид
питался переменным током, частота к-рого подбиралась равной собственной
частоте механич. колебаний системы.
Опыт 2 : если установить гироскоп, закрепленный в карданном подвесе, на
диск центробежной машины и привести ее во вращение, то ось гироскопа
установится по вертикали, причем так, что направление вращения гироскопа
совпадет с направлением вращения диска. При изменении направления вращения
центробежной машины ось гироскопа поварачивается на 180 градусов, т.е. так
чтобы направления обоих вращений снова совпали. Барнет приводил железный
стержень в очень быстрое вращение вокруг его оси и измерял возникающее при
этом намагничивание. Из результатов этого опыта Барнет получил для
магнитомеханического отношения величину, в два раза превышающую значение
-e/2m (т.к. кроме орбитальных моментов, эл-н обладает собственными механич.
Ms и магнитным Pms моментами, для к-рых магнитомеханическое отношение равно
-e/2m, т.е. соотв. опыту)25. Диамагнетизм.
Диамагнетиками наз. в-ва, магнитные моменты атомов(молекул) которых в
отсутствии внешнего магнитного поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех
электронов атома (молекулы) взаимно скомпенсированы. Таким свойством
обладают, например, вещества, в атомах(молекулах) к-рых имеются только
целиком заполненные электронные слои — инертные газы, водород, азот NaCl и
др. При внесении диамагнитного в-ва во внешнее магнитное поле его атомы
преобретают наведенные магнитные моменты. Магнитная проницаемость < 1.26. Парамагнетики.
Парамагнетиками наз. в-ва, атомы (молекулы) которых в отсутствие
внешнего магнитного поля имеют отличный от нуля магнитный момент.
Существование этого магнитного момента может быть связано как с орбитальным
движением электронов в атомах (мол-х) парамагнетика, так и со спиновыми
магнитными моментами этих электронов. Примерами парамагнетиков являются
щелочные и щелочноземельные металлы. В отсутсвие внешнего магн. поля
векторы магнитных моментов различных атомов парамагнетика, совершающих
тепловое движение, ориентированы в пространстве совершенно беспорядочно,
так что намагниченность парамагнетика равна нулю. Магнитная проницаемость >
1.27. Ферромагнетики. Природа ферромагнетиков.
Ферромагнетиками называются твердые в-ва ( как правило находящиеся в
твердом состоянии), обладающие при не слишком высоких температурах
самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется
под влиянием внешних воздействий — магнитного поля, деформации, изменению
температуры. Ферромагнетики являются сильномагнитными средами : внутреннее
магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее. У каждого
ферромагнетика имеется такая темпера t, называемая точкой Кюри, выше к-рой
вещество теряет свои особые магнитные св-ва и ведет себя как обычный
парамагнетик. Измерения гиромагнитного отношения для ферромагнетиков
показали, что элементарными носителями магнетизма в них являются спиновые
магнитные моментов электронов. Область спонтанной ориентации магн. моментов
наз. доменом. Магнитная проницаемость ферромагнетика > > 1.28. Токи Фуко.
Индукционные токи, которые возникают в сплошных проводниках, наз.
вихревыми токами или токами Фуко. В толщах сплошных проводников возникает
много замкнутых линий таких токов. Токи Фуко способствуют нагреванию
проводника, это приводит к потерям энергии. Для их уменьшения сердечники
трансформаторов, магнитные цепи эл. машин изготовляют не сплошными, а из
отдельных изолированных пластин, пов-ти к-рых располагаются параллельно
линиям магнитной индукции.29. Работа перемагничивания ферромагнетика.
( Нк — коэрцитивная сила, это напряженность, полностью размагничивающая
ферромагнетик). dA = V H dB, где V-объем ферромагнетика. При намагничивании
ферромагнетика работа не может быть приравнена приращению энергии магн.
поля. По завершении цикла перемагнич., Н и В, а значит и магн. энергия
будут иметь первонач. величину. Работа идет на увелич. внутр. энергии
ферромагнетиков, т.е. на нагревание. При совершении одного цикла
перемагнич. ферромагн. работа затрачиваемая, в расчете на еденицу объема,
численно равна площади петли гистерезиса( криволин. интеграл от HdB). Эта
работа идет на нагревание ферромагнетика.30. Вихревое электрическое поле.
Ток можно представить как интеграл от плотности тока в пределах малого
участка площадью dS по всей площади. Поэтому согласно теореме Стокса, из
закона полного тока следует, что магнитная индукция в какой-либо точке
магнитного поля в вакууме связана с плотностью тока соотношением : rot B =
?о*j. Таким образом магнитное поле является безвихревым (rot B = 0) во всех
областях пространства, где нет электрических токов, и вихревым всюду, где
эти токи есть.31. Ток смещения.
Максвелл обобщил закон полного тока, предположив, что переменное
электрическое поле, так же как и электрический ток, является источником
магнитного поля. Количественной мерой магнитного действия переменного
электрического поля служит ток смещения. Током смещения сквозь замкнутую
поверхность называется физическая величина, равная потоку вектора плотности
тока смещения сквозь эту пов-ть (j=dD/dt, где j — плотность тока смещения,
D — вектор электрического смещения. Учет токов смещения приводит к тому,
что цепи непостоянных токов становятся замкнутыми. Токи смещения «проходят»
в тех участках, где нет проводников, например между обкладками
заряжающегося или разряжающегося конденсатора.32. Система уравнений Максвелла : диффер. форма. Материальные уравнения.
Теорией Максвелла назвывается последовательная теория единого
электромагнитного поля, создаваемого произвольной системой электрических
зарядов и токов. В теории Максвелла решается основная задача
электродинамики : по заданному распределению зарядов и токов отыскиваются
характеристики создаваемых ими электрического и магнитного полей. Если мы
из системы 4-х уравнений перейдем в проэкции на оси ( E — Ex Ey Ez, B — Bx
By Bz), то не сможем решить ее, из-за большого кол-ва неизвестных. Для их
нахождения пользуются так называемыми материальными уравнениями,
характеризующими электрические и магнитные св-ва среды.33. Анализ уравнений Максвелла.
1-е уравнение указывает на то, что поле является вихревым (вопр. 30). 2-
е уравнение — Максвелл обобщил теорему Остроградского-Гаусса для
электростатического поля. Он предположил, что она справедлива для любого
электрического поля как стационарного, так и переменного. 3-е уравнение :
См. ток смещения. В интегральной форме показывает, что циркуляция вектора
напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому контуру равна
алгебраической сумме макротоков и тока смещения сквозь поверхность,
натянутую на этот контур. 4-е уравнение — теорема Остроградского-Гаусса
справедлива для любого магнитного поля.
Если электрические и магнитные поля стационарны (dD/dt = dB/dt = 0), то
эти поля существуют независимо друг от друга. Электрическое поле
описывается двумя уравнениями электростатики : rot E = 0 и div D = p, а
магнитное поле — двумя уравнениями магнитостатики : rot H = j и div B =
0;34. Электромагнитные волны как решение уравнений Максвелла.
Переменное электр. поле порождает магнитное, которое оказывается тоже
переменным, и в свою очредь порождает эл. поле. Если возбудить с помощью
движ. зарядов электромагнитное поле, то в пространстве вокруг зарядов
возникнет последовательность взаимных превращений электрич. и магнитных
полей, распространяющаяся от точки к точке. Этот процесс будет
переодическим во времени и в пространстве и, следовательно, представляет
собой волну. Уравнения Максвелла разрешают электромагнитные волны.35. Энергия и импульс электромагнитного поля. Вектор Умова-Пойтинга.
Объемная плотность энергии электромагнитног поля (энергия эл.-магн.
волны) W = ??o E2/2 + ??o H2/2, если волна распространяется в вакууме, то
из соотнош. между H и E энергия W = EH/c, где с — скорость света в вакууме.
Вектор плотности потока энергии электромагнитной волны называется вектором
Умова-Пойтинга. Скорость переноса энергии бегущей монохроматической волной
равна фазовой скорости этой волны (в вакууме — с). Поэтому вектор Умова-
Пойтинга для такой волны : P=WV=[EH]. Вектор направлен в сторону
распространения волны.36. Физическая природа света. Опыты по определению скорости света.
Свет представляет собой электромагнитные волны разных частот. Вся
цветовая гамма, воспринимаемая человеческим глазом, есть смешение
нескольких световых спектров. Ученые научились получать практически
бесконечную цветовую гамму смешивая три цвета : RGB. Опыты : 1. Опыт
Рёмера. (запаздывание прохождения света к земле при затмении спутника
Юпитера), 2. Опыт Физо ( вращающийся диск с множеством отверстий,
нанесенных по окружности одного радуса, сквозь к-рый человек наблюдает
отраженный свет, прошедший путь : источник-колесо-зеркало-колесо-зеркало-
глаз. Изменяя частоту вращения колеса наблюдалось появление/исчезновение
света. 3. Опыт Фуко.37. Геометрическая оптика. Принцип Ферма.
Законы геометрической оптики : 1. Свет распространяется прямолинейно. 2.
Световые лучи не взаимодействуют. 3. Угол отражения равен углу падения. 4.
Закон преломления : n=sin(A)/sin(B), где n-коэф. преломления, A-угол
падения, B-угол отражения. Принцип Ферма : для оптики — свет
распространяется так, чтобы время распространения было минимальным. Общий —
все процессы проходят так, чтобы при этом затрачивался минимум энергии.38. Интерференция световых волн. Условия усиления и ослабления света.
Интерференция — устойчивое перераспределение интенсивности света при
наложении когерентных волн.39. Интерференция Юнга. Зеркала и бипризма Френеля.
Юнг вырезал две дырки в светонепроницаемой пластине и наблюдал
интерференцию от одного источника. (очень похоже на увеличенную
дифракционную решетку). Бипризма состоит из двух одинаковых трехгранных
призм, сложенных основаниями и изготовленных как одно целое. Преломляющие
углы при верхней и нижних вершинах бипризмы очень малы. Свет от источника S
преломляется в бипризме и распространяется за ней в виде двух систем волн,
соответствующих когерентеым мнимым источникам света S1 и S2. Интерференция
этих волн наблюдается в области их перекрытия на экране Э.40. Интерференция от тонких пленок.
Примером интерференции света, набдюдающейся в естественных условиях,
может служить радужная окраска тонких пленок(мыльных пузырей, пленок нефти
или масла на поверхности воды). Образование частично когерентных волн,
инерферирующих при наложении, происходит в этом случае вследсвие отражения
падающего на пленку света в верхней и нижней ее поверхности. Результат
интерференции зависит от сдвига фаз, приобретаемого накладывающимися
волнами в пленке и зависящего от их оптической разности хода — разность
оптических длин пути волн. Оптической длиной пути света называется
произведение геометрической длины пути, пройденного светом в среде, на
показатель преломления этой среды. Применяют, к примеру, в оптике,
накладывая пленки на линзы, для уменьшения потерь интенсивности света.41. Кольца Ньютона.
No comment…42. Применение интерференции.
Интерференцию применяют, например, для получения картины внутренних
напряжений детали. При этом из прозрачного материала изготавливают точную
копию детали. При приложении к детали внешних сил можно в местах деформации
наблюдать интерференционную картину. Нанесение на линзы пленок для
уменьшения потерь при прохождении света через объектив — наз. просветление
оптики.43. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Принцип Гюйгенса — все точки поверхности, через котрорые проходит фронт
волны в некоторый момент времени t, следует рассматривать как источники
вторичных волн, а искомое положение фронта в момент времени t+dt совпадает
с поверхностью, огибающей все вторичные волны. При этом считается, что в
однородной среде вторичные волны излучаются только вперед, т.е. в
направлениях, составляющих острые углы с внешней нормалью к фронту волны.
Принцип Гюйгенса является чисто геометрическим. Он не указывает способа
расчета амплитуды волны. Поэтому принцип Гюйгенса недостаточен для расчета
закономерностей распространения световых волн. Приближенный метод решения
этой задачи, являющийся развитием принципа Гюйгенса на Основе предложенной
Френелем идеи о когерентности вторичных волн и их интерференции при
наложении, называется принципом Гюйгенса-Френеля. Этот принцип можно
выразить так : 1. при расчете световых колебаний источник можно заменить
эквивалентной ему системой вторичных источников — малых участков dS любой
замкнутой вспомагательной поверхности S, проведенной так, чтобы она
охватывала источник. 2. Вторичные источники когерентны между собой и
поэтому возбуждаемые ими волны интерферируют при наложении.44. Прямолинейность распределения света согласно методу зон Френеля.
С помощью принципа Гюйгенса-Френеля можно обосновать с волновой точки
зрения закон прямолинейного распространения света в однородной среде.
Разобъем поверхность S на небольшие кольцевые участки — зоны Френеля.
Колебания, возбуждаемые в точке М двумя соседними зонами противоположны по
фазе, т.к. разность хода от сходственных точек этих зон до точки М равна
половине длины волны. Следовательно, амлплитуда колебаний в точке М равна
А=А1-А2+А3-А4+.., где Аi — амплитуда колебаний, возбуждаемых в точке М
вторичными источниками, находящимися в пределах одной зоны. С увеличением i
увеличивается и расстояние от зоны до точки М, и угол между нормалью к
поверхности зоны и направлением в точку М. Поэтому, согласно принципу
Гюйгенса-Френеля A1 > A2 > A3 .., а Ai = (Ai+1 + Ai-1)/2, следовательно
амплитуда колебаний в точке М равна А = А1/2, т.е. результирующее действие
всего открытого волнового фронта равно половине действия первой
(центральной) зоны Френеля, радиус к-рой очень мал. Таким образом можно
считать, что свет распространяется из S в M прямолинейно.45. Дифракция от щели.
Дифракцией света называется совокупность явлений, которые обусловлены
волновой природой света и наблюдаются при его распространении в среде с
резко выраженной оптической неоднородностью ( вблизи границ непрозрачных
тел, в отверстиях экранов). В более узком смысле под дифракцией понимается
огибание светом встречных препятствий, сравнимых с длиной волны. Различают
два случая дифракции света : дифракцию Френеля(дифракция в сходящихся
лучах) и дифракцию Фраунгофера(дифракция в параллельных лучах) — дифракция
на щели.46. Дифракционная решетка.
Дифракционная решетка представляет собой систему из большого числа
одинаковых по ширине и параллельных дркг другу щелей в экране, разделенных
также одинаковыми по ширине непрозрачными промежутками. Сумма ширина одного
прозрачного и непрозрачного промежутка называется постоянной или периодом
дифракционной решетки.47. Дисперсия света. Отличие дисперсионного и дифракционного спектров.
Дисперсией света называется зависимость фазовой скорости света в среде
от его частоты. Эта зависимость легко обнаруживается, например при
прохождении пучка белого цвета через призму. На экране, установленном за
призмой, наблюдается радужная полоска, которая называется призматическим
или дисперсионным спектром. Зависимость показателя преломления среды от
частоты света нелинейная и немонотонная. Области значений, в которых с
ростом частоты увеличивается также показатель преломления, соответсвуют
нормальной дисперсии света (если наоборот — дисперсия аномальная).48. Дифракция рентгеновских лучей.
Дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах можно истолковать как
результат интерференции рентгеновского излучения, зеркально отражающегося
от систем параллельных плоскостей, которые проходят через узлы
кристаллической решетки. Эти плоскости называются сетчатыми, или атомными,
плоскостями кристалла(в кристалле дифракция объемная — т.е. трехмерная).
Расстояние между двумя соседними сетчатыми плоскостями наз. межплоскостным
расстоянием, а угол между падающим лучом и сетчатой плоскостью — углом
скольжения.49. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса.
Свет наз. естественным или неполяризованным, если направление колебания
вектора Е не является преимущественным. Свет называется частично
поляризованным, если в нем имеется преимущественные направление колебания
вектора Е. Частично поляриз. свет можно рассматривать как совокупность
одновременно распространяющихся в одном и том же направлении естественного
и линейно поляризованного света. Поляризацией света назыв. выл=деление
линейно поляризованного света из естественного или частично
поляризованного. Для этой цели используют поляризаторы. Их действие
основывается на поляризации света при его отражении и преломлении на
границе раздела двух сред, а также на явлениях линейного лучепреломления и
дихроизма. То же устройство можно использовать в качестве анализаторов,
т.е. для определения характера и степени поляризации света. Закон Малюса :
Ia = Ip*cos2(a), где Ia и Ip интенсивности линейно поляризованного света,
пропущенного анализатором и падающего на него. Угол а — между главной
плоскостью поляризатора и плоскостью в к-рой изменяется Е.50. Закон Брюстера. Получение поляризованных лучей.
Закон Брюстера : отраженный свет полностью линейно поляризован при угле
падения i=iБр, удовлетворяющего условию tg(iБр) = n, где n — относительный
показатель преломления отражающей свет среды.51. Эффект Керра. Оптически активные среды.
Оптически изотропное прозрачное тело становится анизотропным( т.е.
показатель преломления зависит от направления волны), если его подвергуть
механической деформации. Эффектом Керра называется возникновение оптической
анизотропии у прозрачного изотропного твердого, жидкого или газообразного
диэлектрика при помещении его во внешнее электрич. поле. Под действием
однородного эл. поля диэлектрик поляризуется и приобретает отические св-ва
одноосного кристалла, оптическая ось к-рого совпадает по направлению с
вектором Е напряженности поля.52. Применение поляризации.
Для телеуправления затемнения стекол в навороченых тачках и
президентских дачах.53. Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта.
Поглощением света наз. явление уменьшения энергии световой волны при ее
распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии
волны во внутреннюю энергию в-ва или в энергию вторичного излучения,
имеющего другой спектральный состав и иные направления распространения.
Поглощение света может вызывать нагревание в-ва, возбуждение и ионизацию
атомов или молекул, фотохимические реакции. Поглощение света описывается
законом Бугера-Ламберта, соглано к-рому интенсивность плоской волны
монохроматического света уменьшается по мере прохождения через поглощающую
среду по экспоненциальному закону : I = Io e-a'x, где Iо и I — значения
интенсивности света на входе и выходе из слоя среды толщиной x, а а' —
натуральный показатель поглощения среды, который зависит от природы и
состояния поглощающей среды и от длины волны света.54. Рассеяние света.
Рассеянием света наз. явление преобразования света веществом,
сопровождающееся изменением направления распространения света и
проявляющееся как несобственное свечение тела. Это свечение обусловлено
вынужденными колебаниями электронов в атомах рассеивающей среды под
действием падающего света. Рассеяние света происходит в оптически
неоднородной среде, показатель преломления к-рой нерегулярно изменяется от
точки к точки вследствие флуктуаций плотности среды (молекулярное или
рэлеевское рассеяние) либо за счет присутствия в среде инородных малых
частиц (рассеяние света в мутной среде).55. Виды излучения. Характеристики теплового излучения. Абсолютно черное
тело.
Излучения — в зависимости от длины волны — Радиоволны, Оптическое
излучение, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое,
рентгеновсое и гамма излучение. Электромагнитное излучение, испускаемое в-
вом и возникающее за счет его внутренней энергии называется тепловым. Оно
зависит только от температуры и оптических св-в излучающего тела. Тепловое
излучение — единственное, которое может находится в термодинамическом
равновесии с веществом. Абсолютно черное тело — тело, которое полностью
поглощает все падающее на него излучение независимо от направления
падающего излучения, его спектрального состава и поляризации, ничего не
отражая и не пропуская. Моделью может служить почти замкнутая полость
(сфера) с небольшим отверстием. Это отверстие — а.ч.т.56. Закон Киргофа. Функция Киргофа.
Закон Киргофа : отношение испускательной способности к его
поглощательной способности не зависит от природы тела и равно
испускательной способности абсолютно черного тела при тех же значениях
температуры и частоты. Зависимость испускательной способности от частоты и
температуры называется функцией Киргофа : rv = f(f,T).57. Закон Стефана-Больцмана. Законы Вина.
Закон Стефана-Больцмана : энергетическая светимость абсолютно черного
тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры. Закон
смещения Вина — при повышении температуры тела максимум испускательной
способности абсол. черного тела смещается в сторону меньших длин волн — Y =
b/T, где Y — длина волны, а b=0.029 м*К — постоянная Вина.58. Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа.
Формула Рэлея-Джинса согласовалась с экспериментальными данными только в
области малых частот. Кроме того из нее следовал абсурдный вывод о том, что
при любой температуре энергитическая светимость абс. черн. тела и объемная
плотность энергии равновесного излучения бесконечно велики. Этот результат
к которому пришла классическая физика в задаче о спектральном распределении
равновесного излучения, получил образное название «Ультрафиолетовая
катастрофа».59. Вывод формулы Планка по Эйнштейну.
В качестве теоретической модели абсолютно черного тела можно взять
бесконечную систему гармонических осцилляторов со всевозможными общими
частотами. Каждый из таких осцилляторов соответствует монохроматической
компоненте черного излучения. Правильное выражение для средней энергии
осциллятора удалось найти Планку путем введения квантовой гипотезы,
совершенно чуждой классической физике — энергия осциллятора может принимать
лишь определенные дискретные зачения, равные целому числу элементарных
порций энергии — квантов энергии. Квант энергии ревен : Ео = hf, f —
частота света, h — постоянная планка.60. Законы фотоэффекта. Формула Эйнштейна для фотоэффекта.
Фотоэффектом называют явление возникновения электронного облака над
поверхностью в-ва под действием света. Фотоэффект безинерционен. Законы
фотоэффекта были открыты Столетовым. 1-й закон : кол-во электронов,
вырываемых светом из металла в единицу времени, прямо пропорционально
интенсивности световой волны. 2-й закон : максимальная кинетическая энергия
фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от
интенсивности света. Если частота света меньше определенной для данного в-
ва частоты, то фотоэффект не наблюдается(красная граница фотоэффекта).
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта : Е = hf — Aвых, где Е — максимальная
кинетич. энергия эл-нов после вылета, Авых — работа выхода электрона, f —
частота падающего света.61. Опыт Боте.
Тонкая металлическая фольга помещалась между двумя газоразрядными
счетчиками. Фольга освещалас слабым пучком рентгеновских лучей, под
действием к-рых она сама становилась источником рентгеновских лучей(явление
рентгеновской флуорисценции). Вследствие малой интенсивности первичного
пучка кол-во квантов, испускаемых фольгой было невелико. При попадании на
счетчик вторичных рентгеновских лучей с фольги, он срабатывал и приводил в
действие особый механизм, делавший отметку на движущейся ленте. Если бы
излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, как это
следует из волновых представлений, оба счетчика должны были бы срабатывать
одновременно и отметки на ленте приходились бы одна против другойю В
действительности наблюдалось совершенно беспорядочное расположение отметок,
это можно объяснить только тем, что в отдельных процессах испускания
возникают световые частицы, летящие то в одном, то в другом направлениях —
фотоны.62. Рентгеновское излучение.
Или ренгеновские лучи — назыв. электромагнитное излучение, которое
возникает при взаимодействии заряженных частиц и фотонов с атомами в-ва и
характеризуется длинами волн в вакууме, лежащими в широком диапазоне с
условными границами : от 10-100 нм до 0,01-1 пм. Рентгеновсое излучение
обладает большой проникающей способностью.63. Эффект Комптона.
Эффектом комптона наз. изменение длины волны рентгеновского излучения
при его рассеянии веществом, содержащим легкие атомы. Эффект Комптона не
удается объяснить на основе классической волновой теории света. Согласно
квантовой теории, эффект Комптона является результатом упругого
столкновения рентгеновского фотона со свободным или почти свободным
электроном(с малой связью с ядром). При этом фотон передает электрону часть
своей энергии и часть своего импульса в соответствиями с законами
сохранения энергии и импульса. Если эл-н сильно связан с атомом, то при
рассеянии на нем фотона последний передает энергию и импульс не электрону,
а атому в целом.64. Виды спектров. Формула Бальмера.
Совокупность частот, к-рые содержатся в излучении какого-либо в-ва,
называется спектром испускания (Эмиссионым спектром) этого в-ва, а
поглощаемых — спектром поглощения (адсорбционным спектром). 2. Светящиеся
газы в атомном состоянии создают линейчатые спектры испускания, состоящие
из отдельных узких спектральных линий. 3. Излучающие молекулы создают
полосатые спектры испускания, в к-рых множество тесно расположенных
спектральных линий образуют группы — полосы, разделенные темными
промежутками. 4. Ракаленные твердые тела и жидкости создают непрерывный
спектр испускания. Обращение спектральных линий испускания и поглощения :
атомы данного хим. элемента поглощают те спектральные линии(частоты), к-рые
они сами испускают. Формула Бальмера — It's so easy.65. Постулаты Бора. Опыт Франка и Герца.
Постулаты Бора : электроны могут находится на стационарных орбитах, на
которых они не излучают. 2. В стациоенарном состоянии атома электрон
квантованные значения момента импульса L = mvR; 3. При переходе с одной
орбиты на другую электрон излучает/поглощает енергию.66. Атом водорода по теории Бора.
Атом представляет собой положительно заряженное ядро. Электрон,
движущийся вокруг него по круговой орбите, подчиняется второму закону
Ньютона ma = Fk, где Fk — сила кулоновского притяжения к ядру, m — масса эл-
на, a-центростреметильное ускорение. Для определения разрешенных орбит Бор
ввел постулат — правило квантования : mVr = nh/2?, n=(1,2,..)67. Гипотеза де Бройля. Опыт Девисона. Опыт Фабриканта.
В 1924 г. Бройль выдвинул гипотезу, что дуализм не является особенностью
одних только оптических явлений, но имеет универсальное значение.
Допускается, что частицы наряду с курпускулярными св-ми имеют также и
волновые, де Бройль перенес на случай частиц в-ва те же правила перехода от
одной картины к другой, какие справедливы в случае света. По идее де
Бройля, движение электрона или какой-либо другой частицы связано с волновым
процессом, длина волны к-рого равна h/mv, m — масса частицы, v — ее
скорость, h — постоянная Планка. Гипотеза подтвердилась опытами Девисона и
Фабриканта. Девисон исследовал отражение электронов от монокристалла
никеля. Узкий пучок моноэнергетических эл-нов направлялся на поверхность
монористалла, сошлифованною перпендикулярно к большой диагонали кристалл.
решетки. Отраженные электроны улавливались цилиндрическим электродом,
присоед. к гальванометру. Интенсивность отраженного пучка оценивалась по
силе тока, при этом варьировались скорость электронов и угол падения. Опыт
Фабриканта — дифракция эл-на (пропускали по одиночке через прибор,
промежуток времени между двумя последовательными прохождениями эл-нов через
кристалл примерно в 30 000 раз превосходил время, затраченное на
прохождение эл-ном на прохождение всего прибора).68. Двойственность свойств микрочастиц.
По гипотезе де Бройля микрочастицы обладают двойственной природой. Они
проявляют как волновые (дифракция, отражение, преломление, интерференция)
св-ва, так и курпускулярные (фотоэффект, эффект Комптона, излучение тел)69. Принцип неопределенности Гейзенберга.
Утверждение о том, что произведение неопределенностей значений двух
сопряженных переменных не может быть по порядку величины меньше постоянной
Планка, называется принципом неопределенности Гейзенберга. Соотношения
неопределенностей накладывабт в квантовой механикеопределенные ограничения
на возможности описания движения частицы по некоторой траэктории. Нельзя со
100 % точностью определить местоположение частицы. Частица не локализуется
в пространстве.70. Уравнение Шредингера. Физический смысл пси-функции.
Положение частицы в пространстве в данный момент времени определяется в
квантовой механике заданием волновой функции (пси-функции). Волновая ф-я
является основной характеристикой состояния микрообъектов (атомов, молекул
и т.д.). Квадрат пси-функции есть плотность вероятности и задает
вероятность пребывания частици в данной точке пространства. Уравнением
Шредингера назыв. основное диффер. уравнение относительно волновой ф-ции.
Оно определяет пси-функцию для микрочастиц, движущихся в силовом поле с
потенциальной энергией U, со скоростью v<<c.71. Решение уравнения Шредингера для свободной частицы.
72. Стандартные условия для стационарного уравнения Шредингера для энергии
и моментов.
В случае, когда пси-функция не зависит от времени, она удовлетворяет
стационарному уравнению Шредингера. Пси-функции удовлетворяющие этому
уравнению Шредингера наз. собственными ф-ями. Они существуют лишь при
определенных значениях енергии(собственные значения энергии). Совокупность
собственных значений энергий образует энергетический спектр частицы.73. Частица в потенциальной яме : квантование энергии.
Потенциальной ямой называется область пространства, в которой
потенциальная энергия U частицы меньше некоторого значения Umax. Движение
коллективизированных эл-нов в атоме рассматривается в классической
электронной теории как движение в потенциальной яме, причем вне металла
потенциальная энергия эл-на равна нулю, а внутри металла она отрицательна и
численно равна работе выхода эл-на. Физические в-ны, которые могут
принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными.
Собственные значения энергии W частицы в одномерной потенциальной яме
бесконечной глубины : W = n2h2/2mL2, где n=(1,2,..). Квантованные значения
Wn называются уровнями энергии, а числа n — квантовыми числами.74. Частица в потенциальной яме : вероятность нахождения.
Описывается стационарным уравнением Шредингера для частицы в
потенциальной яме — Вероятность найти частицу вне потенциальной ямы равна
нулю.75. Туннельный эффект.
Туннельным эффектом называется прохождение частиц сквозь потенциальные
барьеры(поле сил, действующих на частицу). Туннельный эффект является
квантомеханическим эффектом, связанным с тем, что частицы обладают
волновыми св-вами. Прозрачностью D потенциального барьера назыв. величина :
D = Iпрох/Iпад, Iпрох — интенсивность волны де Бройля, прошедшей сквозь
барьер, Iпад — падающей на барьер.76. Нулевые колебания.
ABSENT77. Образование энергетических зон в кристалле. Принцип запрета Паули.
В изолированных атомах электроны находятся в дискретных энергетических
состояниях. В твердом теле энергетические состояния определяются ка
взаимодействие их с ядром своего атома, так и электрическим полем
кристаллической решетки, т.е. взаимодействием с другими атомами. В
результате этого взаимодействия энергетические атомы электронов
расщепляются. Вместо дискретного энергетического уровня, характерного для
изолированного атома, возникает N близко расположенныхдруг от друга
энергетических уровней, которые образуют энергетическую полосу(зону). В
кристаллах образуется зонный энергетический спектр электронов. Образование
зонного энергетического спектра вытекает из соотношения неопределенностей.78. Металлы, полупроводники, диэлектрики : энергетические зоны.
Различия в электрических свойстах твердых тел объясняются в зонной
теории различным заполнением электронами разрешенных энергетических зон.
Эти два фактора определяют отнесение данного твердого тела к проводникам
электрического тока или к диэлектрикам. Необходимым условием возможности
для того, чтобы твердое тело могло быть проводником, является наличие
свободных энергетических уровней, на к-рые электрическое поле могло бы
перевести электроны. Следует учитывать, что это поле может вызвать лишь
внутризонные переходы электронов. Если зона не полностью занята валентными
электронами, то твердое тело всегда является проводником электрического
тока. Полупроводниками называются твердые тела, у которых валентная зона
отдалена от пустой зоны проводимости ( при Т=0 К) сравнительно узким
интервалом энергии dW, меньшим, чем у диэлектрических кристаллов. У кремния
dW = 1,1 эВ79. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
Чистые полупроводники обладают собственной проводимостью. В создании
тока в равной мере участвуют свободные заряды двух типов : отрицательные —
электроны и дырки — полож. В чистом полупроводнике концентрация свободных
электронов и дырок одинакова. Примесная проводимость бывает двух типов : n-
типа или электронная проводимость(возникает при перебросе электронов из
валентной зоны в зону проводимости). Примесные атомы должны обладать
большей валентностью, чем основные атомы полупроводника. Отсюда
концентрация свободных электронов в проводниках n-типа гораздо больше, чем
дырок. Примесные проводники р-типа обладают дырочной проводимостью.
Примесные атомы меньшей валентности и, значит, дырок значительно больше,
чем свободных электронов. Однако самые удивительные вещи происходят на
границе соприкосновения двух этих проводимостей при протекании через нее
эл. тока.
