КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм — важное универсальное свойство природы, которое состоит в том, что каждому микрообъекту присущи сразу и корпускулярные, и волновые характеристики.

Согласно этой теории свет можно рассматривать и как волну и как поток частиц или как поток волновых частиц — квантов. Кванты света называют еще фотонами. Причем энергия фотона согласно уравнению планка напрямую зависит от частоты

    \[E=h \nu\]

где h постоянная Планка — коэффициент пропорциональности связывающий энергию кванта, с его частотой. h= 6,626 070 15\cdot 10^{-34} Дж⋅с
Энергию фотона так же можно выразить через длину волны \lambda и скорость света c импульс p

    \[E=\frac{h c}{\lambda}=pc\]

Импульс фотона:

    \[p=\frac{E}{c}=\frac{h \nu}{c}=\frac{h}{\lambda}\]

Фотоэффект

Фотоэффект — это выбивание электронов из вещества падающим светом.

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

    \[h \nu = A+ \frac{m \upsilon^2}{2}\]

Энергия фотона h \nu идет на совершение работы A (работы выхода), по вырыванию электрона из вещества, и придание этому электрону кинетической энергии \frac{m \upsilon^2}{2}.
Красная граница фотоэффекта — это минимальная частота, или соответствующая длинна волны, при которой начинается фотоэффект.
Запирающее напряжение U ― это напряжение, не позволяющее электронам покинуть фотокатод. Если напряжение в цепи больше или равно запирающему напряжению, то электроны не могут достигнуть анода: даже если они покидают ненадолго фотокатод, сила электрического поля возвращает их в металл ― и фототока в цепи нет.

    \[\frac{m \upsilon^2}{2}=eU\]

где e -заряд фотоэлектрона.

Атомная физика

Планетарная модель строения атома Модель строения атома предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году. Согласно этой модели вокруг положительно заряженного ядра, обладающего почти всей массой атома, вращаются отрицательно заряженные электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.

Постулаты Бора.

  1. Постулат стационарных состояний: каждому из стационарных (квантовых) состояний, в котором находится атомная система, соответствует определенный уровень энергии Е. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает.
  2. Правило частот: переход атома из одного квантового состояния, характеризующегося энергией En в новое квантовое состояние, которое характеризуется энергией Em, происходит излучение или поглощение кванта энергии. Энергия кванта при этом определяется как разность энергий двух квантовых состояний:

    \[h \nu _{nm}=\left | E_n-E_m \right |=\frac{hc}{\lambda_{nm}}\]

Проще говоря, электрон будет находится на том, или ином энергетическом уровне, а его переходы между этими уровнями будут сопровождаться поглощением или излучением кванта энергии.

Ядерная физика

Атомное ядро — это центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (которые вместе называются нуклонами).
Протон — положительно заряженная частица, заряд которой по модулю равен заряду электрона e=1.6\cdot 10^{-19} Кл. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Масса покоя протона m=1.6726231\cdot 10^{-27} кг = 1.007276470 а.е.м.
Нейтрон — это элементарная частица, не имеющая заряда, т.е. нейтральная. Масса нейтрона в 1839 раз превышает массу электрона, то есть почти равна (незначительно больше) массе протона. Масса покоя свободного нейтрона
m=1.6749286\cdot 10^{-27} кг = 1.0008664902 а.е.м. и превосходит массу протона на 2.5 массы электрона.

    \[^{A}_ZX\]

Зарядовое число Z — количество протонов в ядре атома. Если умножить зарядовое число на заряд протона, мы получим заряд ядра атома:

    \[q=Ze\]

Массовое число A — количество нуклонов в ядре атома.

    \[A=Z+N\]

где N количество нейтронов в ядре атома.
Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число протонов (Z) и различное число нейтронов (N).

Дефект массы — это разница между суммой масс всех нуклонов, содержащихся в ядре, и массой самого ядра M.

    \[\Delta M= Zm_p+Nm_n-M\]

Радиоактивность — свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд Z, массовое число A) путем испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов.
Альфа распад — испускание ядром атома альфа частицы, представляющей собой ядро атома гелия ^{4}_2He.

    \[^{A}_ZX=^{A-4}_{Z-2}Y+^{4}_2He\]

Бета распад — испускание ядром атома бета частицы, представляющей собой электрон или позитрон (при позитронном бета распаде)

    \[^{A}_ZX=^{A}_{Z+1}Y+^{0}_{-1}e\]

    \[^{A}_ZX=^{A}_{Z-1}Y+^{0}_{+1}e\]

Гамма лучи — излучение гамма кванта энергии. (при гамма излучении зарядовое и массовое числа ядра атома не меняются).
Закон радиоактивного распада:

    \[N=N_0 \cdot 2^{- \frac{t}{T}}\]

Период полураспада T — время за которое распадается половина радиоактивного вещества.