Основы атомной и ядерной физики и элементы физики твердого тела

Учебное пособие для студентов 2 курса

Под редакцией проф. А.И.Черноуцана

Москва 2011

Рассмотрены все вопросы, входящие в программу физики (базовый уровень) ФГОС ВПО третьего поколения по разделам «квантовая физика» и «ядерная физика». Приведены примеры решения 42 задач.

Для самостоятельной работы студентов всех специальностей и подготовки к экзамену.

 

Содержание

	Предисловие
I. Основы квантовой физики
1.	Законы теплового излучения
2.	Внешний фотоэффект
3.	Дуализм свойств электромагнитного излучения.
4.	Эффект Комптона
5.	Теория Бора для атома водорода и водородоподобного иона
II. Элементы квантовой механики
6.	Волны де Бройля
7.	Соотношения неопределенностей Гейзенберга
8.	Волновая функция. Уравнение Шредингера
9.	Решение уравнения Шредингера для движения частицы в одномерной бесконечной потенциальной яме.
10.	Уравнение Шредингера для гармонического осциллятора
III. Основы атомной физики
11.	Уравнение Шредингера для атома водорода
12.	Квантование момента импульса. Квантовые числа
13.	Спин и магнитный момент электрона
14.	Принцип Паули
15.	Вынужденное излучение. Лазеры
IУ. Элементы физики твердого тела
16.	Статистика Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака
17.	Свободные электроны в металле
18.	Сверхпроводимость и сверхтекучесть
19.	Образование энергетических зон в кристалле
20.	Собственные и примесные полупроводники
21.	p-n- переход
У. Элементы ядерной физики
22.	Свойства атомных ядер
23.	Ядерные силы
24.	Закон радиоактивного распада
25.	Альфа-распад
26.	Бета - распад
27.	Гамма - излучение и его взаимодействие с веществом
28.	Реакция деления тяжелых ядер.
29.	Проблемы управляемого термоядерного синтеза легких ядер
30.	Элементарные частицы
31.	Литература

Предисловие

Предлагаемое учебное пособие базируется на курсе лекций, читавшихся авторами более двадцати лет на факультетах разработки и эсплуатации месторождений нефти и газа, инженерной механики, геологии, геофизики и геохимии, химико-технологическом и автоматики и вычислительной техники. Материал лекций был тщательно переработан для того, чтобы соответствовать базовому уровню программы по физике для бакалавров, вводимой с 1 сентября 2011 года федеральным государственным стандартом высшего специального образования третьего поколения. В пособие были включены разделы, посвященные современному состоянию теории элементарных частиц и проблемы создания управляемого термоядерного реактора. Все разделы пособия были дополнены необходимыми иллюстрациями и примерами решения основных типовых задач.

Пособие рассчитано на студентов РГУ нефти и газа. В пособии кратко изложены все вопросы разделов программы: «квантовая физика» и «ядерная физика» и приведены примеры решения основных задач. Самостоятельная работа студентов с пособием позволяет подготовиться контрольной, зачету и экзамену по соответствующему разделу программы по физике практически без привлечения других учебников и учебных пособий.

Авторы выражают благодарность проф. Л.К. Белоухову и доц. И.Н. Жетвиной за внимательное прочтение рукописи и ряд ценных замечаний.

I. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ

Законы теплового излучения

Тепловое излучение – излучение телом электромагнитных волн за счет его внутренней энергии. Тепловое излучение происходит при переходе атома с одного энергетического уровня на другой в результате теплового движения. Тепловое излучение наблюдается при любой температуре и характеризуется сплошным спектром (непрерывный ряд длин волн) с максимумом интенсивности при определенной длине волны, зависящей от температуры.

При термодинамическом равновесии само тепловое излучение является равновесным. Если нагретые (излучающие) тела поместить в полость, ограниченную идеально отражающей оболочкой, то через некоторое время в результате непрерывного обмена энергией между телами и излучением, заполняющим полость, температура всех тел станет одинаковой и наступит равновесие, т.е. каждое тело в единицу времени будет поглощать в среднем столько же энергии, сколько и излучать. В соответствии с законами термодинамики в полости устанавливается хаотическое состояние излучения, которому соответствует наибольшая вероятность. Оно и называется равновесным. Плотность равновесного излучения, его распределение по спектру частот и направлениям распространения не зависят от формы и материалов стенок полости и определяются только температурой стенок полости. Поскольку излучение находится в тепловом равновесии со стенками, то можно говорить не только об их температуре, но и о температуре самого излучения. Температура равновесного излучения есть свойство самого излучения, а не стенки, с которой оно находится в тепловом равновесии. О температуре равновесного излучения можно говорить и в отсутствии полости.