Тепловое излучение и люминесценция

Вид материала

Содержание

Закон Кирхгоффа
Закон Стефана-Больцмана
Закон смещения Вина
Закон Рэлея-Джинса
Формула планка
Явление испускания электронов материей под действием света (фотоэффект)
Эффект комптона
Волновые свойства микрочастиц. гипотеза луи де бройля
Дифракция электронов
Дифракция электронов на двух щелях
Принцип неопределённости
Соотношение неопределённости гейзенберга
Применение соотношений неопределённости
Волновая функция, её физический смысл
Принцип суперпозиции
Операторы физических величин
Уравнение шрёдингера
Уравнение Шрёдингера не выводится, а постулируется
Потенциальная яма
Гармонический осциллятор
...
Полное содержание

Подобный материал:

Тепловое излучение и люминесценция

Тепловое излучение: (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное).

Есть два вида излучения телами электромагнитных волн:

Тепловое  э/м излучение испускается нагретыми телами или возникает за счёт внутренней энергии тела.

Люминесценция  излучение за счёт других видов энергии (хемлюминисценция, электралюминисценция, фотолюминесценция, катодолюминесценция).

Тепловое излучение имеет особенность  единственный вид излучения, которое может находиться в равновесии с излучающим телом, т.е. быть равновесным.

E_{поглощения}=E_{излучения}  правило Прево

Источником равновесного излучения может служить замкнутая полость со стенками не проводящими тепла и поддерживаемая при постоянной температуре.

Интегральная испускательная способность (аналитическая светимость):

ИИС  поток энергии, испускаемый единичной площадкой во всех направлениях в пределах R(T)

Тело, полностью поглощающее все падающие на него потоки  Абсолютно Чёрное Тело (АЧТ) (a=1)

Существует максимально возможное количество энергии, испускаемое при данной температуре. Источник  АЧТ.

АЧТ в природе не существует.

Устройством, моделирующим АЧТ, является вогнутая полость с отверстием и непроницаемыми стенками с некоторой постоянной температурой.

Излучение АЧТ  равновесное.

Закон Кирхгоффа

1859  связь между испускательной и поглощательной способностью: отношение испускательной способности к поглощательной одинаково для всех тел.

Если несколько тел обмениваются энергией с оболочкой за счёт излучения и поглощения, то через некоторое время все тела примут температуру оболочки.

Попытки найти аналитический вид f(w,T) или U(w,T) привели к установлению рада законов теплового излучения:

Закон Стефана-Больцмана

На основе экспериментальных данных Стефан ошибочно предположил, что R ~ T⁴ (в 1879).

В 1884 Больцман выяснил, что это справедливо только для АЧТ.

Закон смещения Вина

На основе т/д соображений и э/м теории немецкий физик Вин в 1893 году нашёл общий вид функции распределения энергии по частотам в спектре излучения АЧТ

Как следует из приведённых выражений, при изменении температуры вид f(w, T) и U(w, T) сохраняется в смещённой шкале частот. Отсюда следует название закона.

Закон Рэлея-Джинса

Для получения явного вида F(w/T) необходимо обратиться к конкретной модели излучения.

С точки зрения классической теории АЧТ можно представить как совокупность осцилляторов, совокупная энергия которых ~ квадрату амплитуды колебаний и непрерывно меняется.

Рэлей и Джинс попытались установить аналитический вид f(w,T), исходя из теоремы равномерном распределении энергии по степеням свободы.

Они предположили, что на каждую стоячую волну в среднем приходится энергия =kT (по 1/2 на электрическую и магнитную составляющие).

Вывод формулы Рэлея-Джинса безупречен с классической позиции, но он удовлетворяет экспериментальным данным только на малых частотах -> “Ультрафиолетовая катастрофа”

Формула планка
В 1900 году Планку удалось отыскать вид f(,T), который удовлетворял опыту во всех диапазонах частот.

Была выдвинута гипотеза, что энергия испускается в виде отдельных порций, величина которых ~ e=hw ;

Размерность h совпадает с “размерностью действия” (энергия  время) => постоянная Планка называется квантом действия.

Из постулатов Планка следует, что если э/м излучение испускается порциями hw, то его энергия кратна этой величине.

e=nhw, n=0, 1, 2 ...

Математически это означает дискретность => нужно применять суммирование, а не интегрирование.

Таким образом формула Планка описывает все свойства равновесного теплового излучения.

ЯВЛЕНИЕ ИСПУСКАНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ МАТЕРИЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СВЕТА (ФОТОЭФФЕКТ)

1887  Герц, 1888  Столетов, 1898  Леонард Томсон

ЗАКОНЫ ФОТОЭФФЕКТА

1) При неизменном спектральном составе света сила тока насыщения пропорциональна падающему световому потоку: I_н ~ Ф

2) Начальная кинетическая энергия линейно растёт с увеличением частоты и не зависит от интенсивности:

3) Существует минимальная частота, характерная для каждого металла, начиная с которой фотоэффект не происходит.

w_min  красная граница фотоэффекта

Установленные экспериментально зависимости не могли быть объяснены. Все особенности фотоэффекта объяснил в 1905м году Эйнштейн  “свет поглощается тоже квантами”.

Мы рассматриваем однофотонный фотоэффект при малых световых потоках: квант поглощается одним электроном.

Мощные лазеры дают многофотонный фотоэффект.

ЭФФЕКТ КОМПТОНА

1923  рассеивающее вещество в рентгеновском излучении содержит кроме исходного излучение и с большей Л ,  зависит только от угла между начальным пучком и направлением рассеивания и не зависит от типа вещества.

Эффект Комптона объясняется как эффект упругого рассеивания фотонов на практически свободных внешних (валентных) электронах атомов рассеивания.

В этом процессе выполняются законы сохранения энергии и импульса.

Полученная формула согласуется с экспериментом.

Замечание: фотон не может передать часть энергии электрону в поле ядра, т.к. это квант (неделимая порция энергии) => рассеивание следует рассматривать как цепочку событий.

Поглощение фотона электроном, слабо связанным с атомом.
Изменение состояния электрона (образование виртуального электрона).
Испускание этим электроном другого фотона под углом к начальной траектории.

Фотон не может передать всю свою энергию электрону, иначе нарушится ЭСИ и ЗСЭ

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА МИКРОЧАСТИЦ. ГИПОТЕЗА ЛУИ ДЕ БРОЙЛЯ

1924  гипотеза Луи Де Бройля, согласно которой корпускулярно-волновой дуализм присущ не только излучению, но и веществу.

Соотношение, связывающее корпускулярные характеристики с волновыми, были обобщены и перенесены на частицы.

При дифракции электронных волн на кристаллах с d=1 ангстрем  наблюдаются волновые свойства электронов.

ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ

ОПЫТ ДЭВИСОНА И ДЖЭММЕРА

1927  экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля.

Пучок электронов падает на кристалл под углом скольжения. Отражённые электроны улавливаются ловушкой, соединённой с гальванометром.

Ловушка установлена под углом 90⁰ к потоку в одной плоскости. Измеряя силу тока при разных положениях, можно было судить об интенсивности излучения в различных направлениях.

В опыте показано: при определённом значении ускоряющего напряжения (U) max интенсивность возникает при определённом угле (и наоборот).

Это явление получило объяснение на основе дифракции электронных волн, по аналогии с дифракцией рентгеновского излучения.

ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ НА ДВУХ ЩЕЛЯХ

Своеобразие свойств микрочастиц отчётливо проявляется в следующем эксперименте.

I  открыта 1-я щель

II  открыта 2-я щель

III  открыты обе щели

Характер почернения в 3-м случае не соответствует сумме почернений 1+2, а аналогичен дифракционной картине при сложении двух когерентных волн => на движение каждого электрона оказывают влияние обе щели, что не совместимо с представлением о траектории.

Т.о. всякий микрообъект сочетает в себе частицы и волны, но не ведёт себя ни как частица, ни как волна.

Отличия микрочастицы от...

ВОЛНЫ: не бывает половины микрочастицы

МАКРОЧАСТИЦЫ: не обладает одновременно определённым значением координат и импульса

ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ

РАЗЛИЧИЯ ОПИСАНИЯ МАКРО- И МИКРООБЪЕКТОВ

В классической механике состояние макрообъекта определяется заданием динамических переменных: координаты, импульс, момент импульса, энергия.

На основании начальных условий и уравнения движения можно определить координаты и скорость макрочастицы в любой момент времени.

В микромире понятие траектории утрачивает смысл.

Координаты и импульсы микрочастиц не могут быть одновременно определены => предсказать поведение квантов системы точно нельзя  это и составляет суть принципа неопределённости.

Описание микрообъектов  предмет квантовой механики.

Квантовая механика  статистическая теория.

С помощью её законов можно предсказать лишь вероятности.

Квантовая механика, как общая теория, включает классическую механику как частный случай и не может быть сформулирована без понятий классической механики.

Это связано с тем, что за поведением микрообъекта мы следим приборами с макроскопическими показаниями, которые должны трактовать в понятиях классической физики.

Т.к. эти понятия применимы к микрообъекту лишь в ограниченной степени, существуют пределы применения классических понятий, устанавливаемые отношением неопределённости.

СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ ГЕЙЗЕНБЕРГА

Количественное ограничение на точность измерений координат и скоростей микрообъектов было установлено Гейзенбергом => нобелевская премия в 1932 году.

Утверждение, что произведение неопределённостей значений двух переменных НЕ может быть по порядку величины меньше h/2  соотношение неопределённости.

Аналогичное соотношение справедливо и для других пар, называемых сопряжёнными.

Анализ соотношений неопределённости:

Чем меньше неопределённость одной переменной, тем больше неопределённость другой.

Соотношение неопределённости можно вывести из дифракции электронов на одной щели.

ПРИМЕНЕНИЕ СООТНОШЕНИЙ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ

Можно получить результат, не решая уравнения:

Оценка энергии нулевых колебаний гармонического осциллятора
Соотношение неопределённости объясняет, почему электрон водорода не падает на ядро + позволяет определить размеры атома водорода и энергию его основного состояния.

ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ, ЕЁ ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ

Способ описания квантовой системы должен учитывать её волновые свойства => Шрёдингер, 1926  “состояние квантовой системы в данный момент времени м/б описано комплексной функцией координат”.

Ф=Ф(x, y, z)  волновая функция. Сама она не имеет физического смысла, но такой смысл имеет квадрат её модуля, который интерпретируется статистически как плотность вероятности обнаружить частицу в точке с x, y, z.

В соответствии со своим физическим смыслом Ф-функция д/б: непрерывной, конечной, однозначной, иметь непрерывные конечные производные первого порядка по координатам, удовлетворять условиям нормировки. Это  “стандартные условия”, позволяющие получать сведения, не решая уравнений.

ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ

Квантовая механика  теория вероятностная => надо знать, что даёт суммирование волновых функций разных состояний => фундаментальный постулат квантовой механики  “принцип суперпозиции”, согласно которому: если в состоянии, описываемом Ф₁ некоторое измерение даёт результат q1, а в Ф₂ некоторое измерение даёт результат q2, то всякая линейная комбинация вида: c₁Ф₁+c₂Ф₂, где c₁, c₂  константы (м/б комплексными) описывает состояние, в котором то же измерение даёт либо результат q1, либо результат q2.

ОПЕРАТОРЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Чтобы использовать для описания квантовой системы понятия классической механики (r, P, L, E), динамическим переменным квантовой механики ставятся в соответствие операторы  такие действия над волновой функцией, которые позволяют найти средние значения этих переменных в данном состоянии.

Операция измерения  Физический объект

\/ \/

Операторы квантовой механики  Ф

Математически измерениям соответствуют операторы.

Динамические переменные в классической механике имеют определённые значения, т.е. состояние системы задаётся совокупностью чисел.

Динамическим переменным квантовой механики нельзя приписать определённые значения. Но математический аппарат квантовой механики позволяет:

Определить возможные значения измеряемой физической величины, которая называется её собственной величиной.
Рассчитать вероятности получения определённых значений.
По известным вероятностям рассчитать среднее значение величин в данном состоянии.

УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА

Основная задача квантовой механики  нахождение Ф-функции и изучение связанных с ней свойств микрочастиц. Наличие у микрочастиц волновых свойств требует особого подхода к изучению их движения. 1926  Шрёдингер описал движение микрочастиц с помощью волнового уравнения.

Уравнение Шрёдингера не выводится, а постулируется.

Шрёдингер обобщил догадку де Бройля на случай движения частицы в силовом поле.

Чтобы задать состояние микрочастицы, нужно задать его во всём пространстве.

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЯМА

Частица в одномерной потенциальной яме с абсолютно высокими и абсолютно непроницаемыми стенками.

Если собственное значение энергий, которое называется энергетическим уровнем, отвечает нескольким Ф-функциям, то такой уровень ВЫРОЖДЕННЫЙ. Число Ф  кратность вырождения.

Из полученных соотношений следует, что энергия частицы в связанном состоянии принимает ряд дискретных значений (квантуется).
Полученные результаты согласуются с соотношением неопределённости. Неопределённости координат

ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР

Пусть частица совершает равномерные движения в пространстве под действием квазиупругой силы: F=-kx;

имеет конечное непрерывное решение при следующих значениях E: n=0, 1, 2, 3 .... E_n=(n+1/2);

Отличие данного выражения от выражений для энергии классического осциллятора:

а) Энергия квантуется, причём энергетические уровни эквидистантны (расстояние между уровнями равно ).

б) Нулевые колебания также обладают энергией.

Математический аппарат квантовой механики позволяет рассчитать вероятность перехода осциллятора из одного состояния в другое. Возможны лишь переходы с дn=+-1;

Условия, накладываемые на изменения квантовых чисел при переходе из одного состояния в другое, называются “правилами отбора”. Полученные результаты согласовываются с теорией Планка.

Обобщая рассмотренные случаи движения микрочастиц (потенциальная яма и гармонический осциллятор), отметим, что квантование энергии  общее свойство квантовых объектов. В то же время структура энергетического спектра зависит от формы потенциальной ямы. E ~ n² бесконечная яма; E ~ n;

Собственные функции гармонического осциллятора не обращаются в ноль в точках, удовлетворяющих U(x_n)=E_n => квантовая частица может находиться в тех точках пространства, где её U(x_n)>E_n ;

Это явление не имеет аналогии в классической теории и называется ТУННЕЛЬНЫМ ЭФФЕКТОМ.

КВАНТОВАНИЕ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА

Важная задача  изучение движения частицы в поле центральных сил.

В классической механике такое движение описывается с помощью моментов импульсов, в квантовой механике  с помощью оператора момента импульса.

Особенность оператора  факт, что операторы момента импульса не коммутируют.

Это значит, что соответствующие проекции не могут быть одновременно измерены: если одна проекция определена, то две остальные  нет.

Однако, каждый из этих операторов коммутирует с квадратом момента импульса.

Это означает, что момент импульса и одна из его проекций могут одновременно иметь одинаковые значения.

КВАНТОВАНИЕ ПРОЕКЦИЙ МОМЕНТОВ ИМПУЛЬСА

Направление момента импульса остаётся неопределённым не совпадает с выбранным направлением.  является естественной единицей момента импульса и его проекции. m  магнитное квантовое число.

Ввиду изотропности пространства нет преимущественного направления, пока оно не выделено физически (например  включением параллельно ему магнитного поля).

Всего  (2l +1) значений.

СПИН ЭЛЕКТРОНА
Квантование моментов импульса обнаружено в 1921 году. Идея опыта  определение силы, действующей на атомы в неоднородном магнитном поле.

Если бы P_m мог иметь произвольную ориентацию, то на пластинке наблюдался бы непрерывный растянутый свет с большей плотностью в центре.

У атомов, находящихся в S-состоянии (m=0) (атомы с одним валентным электроном)  вместо одной полоски было две.

Этот факт указывает, что в S-состоянии атом обладает магнитным моментом, проекция которой на направление магнитного поля обладает двумя значениями +-1/2

Голдсмит и Уленбек (1925): “Электрон обладает собственным моментом импульса  спином”.

Элементарный магнетик  сам электрон. Так была установлена спиновая природа ферромагнетизма. Спин не имеет аналога в макромире. Спин  одновременно релятивистское и квантовое свойство.

СЛОЖЕНИЕ ОРБИТАЛЬНЫХ И СПИНОВЫХ МОМЕНТОВ

Каждому механическому моменту импульса заряженной частицы соответствуют магнитные моменты, которые взаимодействуют между собой как круговые токи.

Это приводит к взаимодействию соответствующих механических импульсов  спин-орбитальному взаимодействию.

Есть два способа взаимодействия:

LS-связь: реализуется, если спин-орбитальное взаимодействие мало (в сильных магнитных полях).

При этом складываются порознь все векторы орбитальных моментов системы и спиновых моментов.

Полный момент импульса системы определяется как векторная сумма результирующих орбитальных и спиновых моментов, а его величина

j-j-связь: реализуется в слабых магнитных полях , если спин-орбитальное взаимодействие велико. Складываются векторы орбитальных и спиновых моментов в результирующий момент импульса.

А затем результирующий момент импульса частиц складывается в результирующий момент импульса системы:

СИМВОЛИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ

Учёт спина приводит к введению новых квантовых чисел J и m_j.

Энергетическое состояние частицы определяется: n, l, j ;

Символически оно обозначается nlj, где l=0(s), 1(p), 2(d), 3(f), 4(g), 5(h)

2P_1/2  главное число n=2, P-состояние=1, j=1/2;

Энергетические состояние системы зависит от взаимной ориентации моментов импульсов отдельных частиц: L, S, J;

Символическое обозначение энергетического состояния системы (“терма”): ²^S⁺¹L_J ; 2S+1 =   мультиплексность терма.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР И СОБСТВЕННЫЕ ФУНКЦИИ ВОДОРОДОПОДОБНОГО АТОМА

HФ=EФ;

Как показывают расчёты, это уравнение имеет решение, удовлетворяющее стандартным условиям при:

Любых E>0
E_n=(-k²z²e⁴m/2h²)(1/n²), n=1, 2, 3, 4, ...  энергетический спектр

Решениями этого уравнения будут Ф-функции:

n=1, 2, 3  главное квантовое число

l=0, 1, 2, ... , n-1  азимутальное квантовое число

m=0, 1, 2 ... l  магнитное квантовое число

Кратность вырождения энергетического уровня (кроме невырожденного E₁) равна: (2l+1)=n² {0, n-1};

Полученное число нужно умножить на 2 => 2n² ;

При n=1 атом находится в стационарном состоянии: E=E₁, Ф₁₀₀

n²  E=E₂  Ф₂₁₀, Ф₂₀₀ ...

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПО ЭЛЕКТРОННЫМ УРОВНЯМ ПРИНЦИП ПАУЛИ

Казалось бы, что в основном состоянии все электроны должны иметь минимальную энергию, т.е. находиться в состоянии 1s. Но согласно принципу Паули, в каждом квантовом состоянии, определяемом совокупностью квантовых чисел, может находиться не более одного электрона, т.е. состояния электрона в атоме должны отличаться хотя бы одним из чисел n, l, m, s;

В состоянии с заданным n может находится не более 2n² электронов, различающихся квантовыми числами l, m, s;

Состояния электронов с заданными n и l вырождены по квантовым числам m и m_s. Кратность вырождения энергетического уровня _nl для электрона подоболочки равна 2(2l+1)  максимальное число электронов в подоболочке.

Обознач. обол	n	l=0, s	l=1, p	l=2, d	l=3, f	l=4, g	max к-во элек
K	1	2					2
L	2	2	6				8
M	3	2	6	10			18
N	4	2	6	10	14		32
O	5	2	6	10	14	18	50

Электроны с разными m и m_s, но равными E  эквивалентны.

nl^k , k  число эквивалентных электронов

Для определения минимальной энергии атома в приближении центрального поля необходимо и достаточно знать его электронную конфигурацию, которая задаётся значениями n и l всех электронов атома.

Для лёгких атомов реализуется LS-связь => эти подуровни характеризуются результирующими орбитами и спиновыми моментами.

Наименьшей энергией обладает терм с максимально возможным S, а при данном S  с максимальным l.

Учёт магнитных эффектов приводит к расщеплению терма на ряд подуровней с L_J. Такое расщепление  тонкое (мультиплетное).

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МЕНДЕЛЕЕВА

Принцип Паули объясняет периодическую повторяемость свойств атома.

Период	Элемент	K-об	L-об	L-об	M-об	Пот. ион.	Эл. кон	Осн. терм
		1s	2s	2p	3s
1	₁H	1				13,6	1s	²S_1/2
1	₂He	2				24,6	1s²	¹S₀
2	₃Li	2	1			5,4	1s²2s	²S_1/2
2	₄Be	2	2			9,3		¹S₀
2	₅B	2	2	1				²P_1/2
2	₆C	2	2	2				³P₀
2	₇N	2	2	3				⁴S_3/2
2	₈O	2	2	4				³P₂
2	₉F	2	2	5				²P_1/2
2	₁₀Ne	2	2	6		21,6		¹S₀
2	₁₁Na	2	2	6	1	5,2		²S_1/2

У следующих за Na элементов заполняются оболочки 3s и 3p.

|Ф|²(4s)>|Ф|²(3d)>|Ф|²(4p)

1s² 2s²2p⁵ 3s²3p⁶ 4s²3d¹⁰4p⁶ 5s²4d¹⁰5p⁶ 6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶ 7s²5f¹⁴...

Сходство химических свойств элементов, относящихся к одной группе периодической системы Менделеева, объясняется повторяемостью электронных конфигураций во внешних оболочек.

Внешние электронные конфигурации определяют не только химические, но и магнитные свойства атомов.

В заполненном s-состоянии в соответствии с принципом Паули спины имеют противоположные ориентации и поэтому магнитные моменты спинов скомпенсированы.

В заполненных p, d, f состояниях полностью скомпенсированы и орбитальные моменты, поэтому результирующие магнитные моменты равны нулю  такие вещества  диамагнетики.

Атомы с нескомпенсированными орбитальными моментами обуславливают парамагнетизм, а с нескомпенсированными спиновыми моментами  ферромагнетизм (в некотором интервале температур).

Со структурой электронных оболочек связаны и другие свойства элементов: плотность, температура плавления, теплопроводность...

РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ. ЗАКОН МОЗЛИ

Оптические спектры излучения возникают при переходе внешних валентных электронов из возбуждённого состояния в основное.

Рентгеновские спектры  при переходе электронов внутренних оболочек => они сходны для различных элементов.

Мозли установил в 1913 г. закон, связывающий частоты линий рентгеновского спектра с атомным номером Z испускающего их элемента.
С помощью закона Мозли(корень квадратный из частоты является линейной функцией атомного номера Z) можно точно определить Z, что помогает разместить элемент в системе Менделеева.

ЛАЗЕРЫ

Эффект вынужденного излучения  физическая основа создания лазера.

В состоянии термодинамического равновесия N_mn система будет ослаблять проходящее через неё излучение.

При N_m>N_n индуцированное излучение преобладает над поглощением => термодинамически неравновесное состояние с инверсной населённостью.

Процесс создания инверсной населённости  накачка.

Способы накачки:

Оптическая  с помощью ламп вспышки (рубиновые лазеры).
С помощью возбуждения в газовой среде электрического разряда.

Происходит усиление излучения, проходящего через инверсную область, которое снимает инверсию, переводя энергию излучения атомов в когерентное излучение.

Усиление волны  “отрицательное поглощение”.

Для создания генератора когерентных электромагнитных волн не достаточно одного усилителя. Для формирования высоких временной и пространственной когерентности необходимо поместить активную среду в оптический резонатор, представляющий собой два параллельных зеркала.

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Сверхпроводимость  эффект скачкообразного падения сопротивления до нуля при T=T_k (критическая температура).

Сверхпроводимость открыта Киммерлинг-Оннесом в 1911 году, который наблюдал, что при T_k=4,2K электрическое сопротивление ртути скачкообразно падало до нуля.

Сейчас известно ~ 1200 сверхпроводников.

Максимальную T_k=22,3K имеет сплав Na₃Ge (1973 год).

БКШ-ТЕОРИЯ

Квантовая теория сверхпроводников создана в 1957 году Бардиным, Купером, Шриффером.

Резкий переход в сверхпроводящее состояние указывает на то, что все электроны проводимости одновременно во всём объёме металла переходят в новое состояние => должна быть корреляция состояний отдельных электронов. Физической причиной такой корреляции может быть взаимодействие электронов, но кулоновские силы приводят к отталкиванию. В данном же случае имеет место притяжение. Качественно механизм сверхпроводимости описывается через электронно-фононное взаимодействие. Это означает следующее: электроны, перемещаясь в решётке, деформируют её своим полем, т.е. смещают ионы из положения равновесия. Обратный переход ионов в исходное состояние сопровождается излучением энергии  рождением фонона. Этот фонон поглощается другими электронами. В результате обмена фононами возникает связанное состояние электронов  куперовская пара. Минимальной энергией такая пара обладает, если импульсы взаимодействующих электронов равны по модули и противоположны по направлению, а спины  антипараллельны.

Пара имеет спин = 0, т.е. она представляет собой бозе-частицу, которая не подчиняется принципу Паули. Они накапливаются в состоянии с минимальным значением энергии  бозе-конденсация.

Куперовские пары, придя в согласованное движение, могут находиться в нём бесконечно долго  сверхпроводимость.

Спектры щелочных металлов

Спектры испускания атомов щелочных металлов, подобно спектру водорода, состоят из нескольких серий линий. Наиболее интенсивные из них получили названия:

главная, резкая, диффузная и основная (или серия Бергмана). Эти названия имеют следующее происхождение. Главная серия названа так потому, что наблюдается и при поглощении. Следовательно, она соответствует переходам атома в основное состояние. Резкая и диффузная серии состоят соответственно из резких и размытых (диффузных) линий. Серия Бергмана была на звана основной (фундаментальной) за свое сходство с сериями водорода.

S, Р, D, F являются первыми буквами английских названий серий: sharp - резкий, principal - главный, diffuse - размытый, fundamental — основной. Каждая из серий возникает за счет переходов с уровней, принадлежащих соответствующему ряду. После того как было выяснено, что различные ряды уровней отличаются значением квантового числа L, обозначения S, P, D, F (или s, p, d, f) были применены для обозначения состояний с соответствующими значениями L (или l).

Спектральные серии натрия могут быть представлены в следующем виде:

резкая серия: w = 3P - nS (n = 4,5,...),

главная серия: w = 3S - nP (n = 3,4,...),

диффузная серия: w = 3P - nD (n = 3,4,...),

основная серия: w = 3D - nF (п = 4,5, .

Еще в конце прошлого столетия Ридберг установил, что термы щелочных металлов с большой степенью точности можно представить с помощью эмпирической формулы T(n) = R / (n + a)2

Флуоресце́нция — кратковременная (t~ 10-8—10-9 с) люминесценция (свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения). Разделение люминесценции на флуоресценцию и фосфоресценцию устарело, приобрело условный смысл качественной характеристики длительности люминесценции. По механизму преобразования энергии возбуждения флуоресценция, как правило, является спонтанной люминесценцией, поэтому t определяется временем жизни на возбуждённом уровне.

Фосфоресценция — люминесценция(свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения), которая продолжается значительное время после прекращения возбуждения (в отличие от флуоресценции).

Окна прозрачности

Окна прозрачности - интервалы длин волн , в которых электромагнитное излучение не поглощается или поглощается незначительно при прохождении сквозь земную атмосферу. Окна прозрачности существуют в радио- и оптическом диапазонах.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).

ЭПР был открыт в 1944 русским физиком Е.К.Завойским. Электроны в веществах ведут себя как микроскопические магниты. В разных веществах они переориентируются по-разному, если поместить вещество в постоянное внешнее магнитное поле и воздействовать на него радиочастотным полем. Возврат электронов к исходной ориентации сопровождается радиочастотным сигналом, который несет информацию о свойствах электронов и их окружении. Такой метод, представляющий собой один из видов спектроскопии, применяется при исследовании кристаллической структуры элементов, химии живых клеток, химических связей в веществах и т.д.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

ЯМР был открыт в 1946 американскими физиками Э.Перселлом и Ф.Блохом. Работая независимо друг от друга, они нашли способ резонансной «настройки» в магнитных полях собственных вращений ядер некоторых атомов, например водорода и одного из изотопов углерода. Когда образец, содержащий такие ядра, помещают в сильное магнитное поле, их ядерные моменты «выстраиваются» подобно железным опилкам вблизи постоянного магнита. Эту общую ориентацию можно нарушить радиочастотным сигналом. По выключении сигнала ядерные моменты возвращаются в исходное состояние, причем быстрота такого восстановления зависит от их энергетического состояния, типа окружающих ядер и ряда других факторов. Переход сопровождается испусканием радиочастотного сигнала. Сигнал подается на компьютер, который обрабатывает его. Таким путем (метод компьютерной ЯМР-томографии) можно получить изображения. (При изменении внешнего магнитного поля малыми ступенями достигается эффект трехмерного изображения.) Метод ЯМР обеспечивает высокую контрастность разных мягких тканей на изображении, что крайне важно для выявления больных клеток на фоне здоровых.

УЧЕНЫЕ

Кирхгоф:

1859 - Тело, интенсивнее поглощающее излучение, будет это излучение интенсивнее испускать => отношение испускательной и поглощательной способности тел одинаково для всех тел в природе (в т.ч. для АЧТ)

Винн:

1911 - НП за тепловое излучение
1893 - Закон смещения - общий вид функции распределения энергии по частотам в спектре излучения АЧТ

Релей:

1900 – доклад (разбить СТО и кв. физ)
1905 – Релей-Джинс: аналитический вид f(w,T), исходя из теоремы равномерном распределении энергии по степеням свободы. Вывод безупречен с классической позиции, но он удовлетворяет экспериментальным данным только на малых частотах -> “Ультрафиолетовая катастрофа”
1904 – НП за открытие газа аргона

Планк:

1900 – гипотеза о квантовой природе э/м излучение (порционно, поквантово, а не непрерывно). e=hw
1918 – НП за вклад в развитие квантовой физики (родоначальник он ёё)

Фарадей:

Родоначальник гальванопластики

Герц:

1887 – обнаружил фотоэффект
1925 – НП за установление закономерностей в столкновениях электронов с атомами.

Столетов:

1888(9) – исследовал фотоэффект, выдвинул три тезиса:
- При УФ – максимальный
- I растет при росте потока
- Заряд отрицательный

Эйнштейн:

1905 – доказал фотоэффект. Для этого сделал допущение, что энергия излучения поглощается квантами (как и поглощается по Планку), но и передается таким же образом. Фотон – «световой квант».
1921 – НП за док-во фотоэффекта

Комптон:

1923 – обнаружил явление изменения длин волн э/м излучения в рез-те рассеяния его электронами.
1927 – НП за этот эффект

Резерфорд:

Исследовал альфа-частицы (рассеяние там)

Получил планетарную модель атома
1908 – НП по химии

Бор:

1913 – создал квантовую теорию атома: «Момент импульса квантуется!»
1922 – НП за это

Де Бройль:

1924 – постулировал концепцию волновой природы вещества
1929 – НП за открытие волновой природы электронов (корпускулярно-волновой дуализм)

Дэвиссон и Джермер:

1927 – Опытным путем доказали теорию Де Бройля

Гейзенберг:

1927 – сформулировал соотношение неопределённостей, выражающее связь между импульсом и координатой микрочастицы, обусловленную её корпускулярно-волновой природой. (окончательный перелом в классической механике и рождение квантовой)
1932 – НП за количественное объяснение спектра H

Шредингер:

Разработал волновую теорию материи
1933 – НП за это видимо

Blog

Тепловое излучение и люминесценция

Содержание