27. Хвильова оптика. …
Когерентність - це властивість хвилі зберігати свої частотні, поляризаційні й фазові характеристики.
Відповідно когерентні хвилі мають сталу в часі різницю між фазами коливань у них, що можливо лише тоді, коли хвилі мають однакову довжину (частоту).
При накладанні когерентних хвиль відбувається інтерференція. Інтерференція – накладання світлових когерентних хвиль, внаслідок чого спостерігається стійка в часі картина підсилення або послаблення результуючих світлових коливань у різних точках простору. Зони підсилення називають зонами максимумів, зони послаблення - мінімумів.
Умова максимуму – різниця ходу хвиль містить парне число півхвиль: 
Умова мінімуму – різниця ходу хвиль містить непарне число півхвиль: 
Явище інтерференції широко використовується для створення різних вимірювальних і контролюючих пристроїв.
Якщо процес поширення світла є хвильовим процесом, то, окрім інтерференції, має бути і дифракція світла. Адже дифракція - це огинання хвилями країв перешкод - властива будь-якому хвильовому руху.
Умова дифракції: що розміри перешкод приблизно дорівнюють довжині хвилі, а вона дуже мала.
Особливо чітку дифракційну картину утворюють дифракційні гратки.
Дифракційна гратка - це спектральний прилад, який використовують для розкладання світла в спектр і зміни довжини хвилі і являє собою сукупність дуже вузьких щілин, розділених непрозорими проміжками на однакових відстанях.
Якщо a - ширина прозорої частини, а b - непрозорої, то d=a+b=1/N – стала (період) дифракційної гратки, де N – кількість штрихів на одиницю довжини гратки.
Формула дифракційної гратки: 
.
Значення показника заломлення середовища визначається в основному властивостями середовища, однак залежить і від довжини хвилі (частоти) світла
Дисперсія світла - залежність показника заломлення середовища (швидкості поширення світлових хвиль в середовищі) від частоти (довжини хвилі) світла.
Наслідком дисперсії є розкладання білого світла при проходженні його через призму на складові з різними довжинами хвиль (монохроматичні промені)
Явище дисперсії лежить в основі будови призмових спектральних приладів: спектроскопів, спектрографів
Поляризація світла - це одна з властивостей будь-якого випромінювання в оптичному діапазоні. При поляризації коливання частинок світлового променя, спрямованих на поперечну поверхню, здійснюються в одній і тій же площині. Інші складові відсікаються.
Поляризованим називається світло, у якому напрямку коливання вектора Е впорядковані яким-небудь образом.
Поляризатори - прилади, що служать для отримання поляризованого світла.
Аналізатори - це прилади, за допомогою яких можна проаналізувати, чи є світло поляризованим.
28. Квантова оптика. …
Німецький фізик Макс Планк у 1900 р. висловив гіпотезу: запас енергії коливальної системи, яка знаходиться у рівновазі з електромагнітним випромінюванням, не може набувати довільних значень. Мінімальну кількість енергії, яку система може поглинати або випромінювати, називають квантом енергії , вона пропорційна частоті коливань: E=hν
де ν - частота коливань електромагнітного випромінювання; h=6,62·10-34 Дж·с - стала Планка. Її ще називають квантом дії.
Пропускаючи і поглинаючи енергію світло поводиться як потік частинок з енергією E=hν. Властивості світла, які виявляються під час поглинання і випромінювання, називають корпускулярними, а саму світлову частинку - фотоном чи квантом електромагнітного випромінювання.
Маса фотона
Однак фотон має лише релятивістську масу і не має маси спокою. Фотон має масу доти, доки він рухається зі швидкістю світла. Якщо фотон зіштовхується з перешкодою, енергія фотона переходить до перешкоди і його маса зникає. За відомою масою і швидкістю можна визначити імпульс фотона:
Імпульс фотона направлений вздовж променя світла. Фотон має імпульс і якщо на його шляху виникає перешкода, він передає його їй, отже чинить тиск:
У розвитку уявлень про природу світла важливий крок зроблено під час вивчення одного явища, відкритого Г. Герцем і грунтовно вивченого російським фізиком О.Г. Столєтовим. Це явище отримало назву фотоефект.
Розрізняють: зовнішній фотоефект - явище вибивання електронів з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання; внутрішній фотоефект - явище збільшення електропровідності напівпровідника або діелектрика за рахунок електронів, вирваних з молекул або атомів під дією світла.
Закони зовнішнього фотоефекту:
1) кількість електронів, вирваних світлом з поверхні металу за 1 с, є прямо пропорційні поглинутій енергії світлової хвилі;
2) максимальна кінетична енергія фотоелектронів зростає лінійно з частотою світла і не залежить від його інтенсивності;
3) для кожної речовини існує червона межа фотоефекту (поріг фотоефекту) - така найменша частота (чи найбільша довжина світлової хвилі), за якої ще можливий фотоефект;
4) фотоефект є безінерційним і виліт фотоелектронів починається з моменту освітлення речовини.
Повне пояснення фотоефекту 1905 року дав А. Ейнштейн, розвиваючи далі ідеї Планка про переривчастість випромінювання світла:
Енергія порції світла hν витрачається на виконання роботи виходу Aвих, тобто роботи, яку треба виконати для виривання електрона з поверхні металу, і на передавання електрону кінетичної енергії:
Цей вираз називають рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.
Червона межа фотоефекту - мінімальна частота (найбільша довжина хвилі), при якій відбувається фотоефект:
Завдяки відкриттю фотоефекту розроблено прилади – фотоелементи, використання яких сприяло створенню звукового кіно; різноманітних автоматизованих апаратів, які слідкують за освітленістю вулиць, працюють "контролерами" в метро, рахують готову продукцію, контролюють якість обробки деталей тощо.
29. Атома фізика. …
Відкриття складної будови атома - найважливіший етап становлення сучасної фізики, який позначився на ньому її наступному розвитку.
Резерфорд запропонував модель, згідно з якою будова атома дуже схожа на будову сонячної системи. Щоб перевірити правильність своєї теорії, він провів низку дослідів, узагальнивши результати яких, він зробив висновки:
- в цілому атом порожній. Майже вся його маса сконцентрована в ядрі діаметром d
10-15 м.- ядро несе в собі заряд q+, величина якого за модулем дорівнює заряду електрона, помноженому на порядковий номер цього елемента в таблиці Менделєєва.
- оскільки атом електрично нейтральний, то позитивний заряд ядра компенсує заряд електронів, які мають рухатись навколо ядра, подібно до планет навколо Сонця. Кількість електронів дорівнює порядковому номеру елемента в таблиці Менделєєва. Таку модель атома Резерфорд назвав планетарною моделлю атома.
Планетарна модель атома багато пояснила в будові атома, але одразу після її створення виникли труднощі щодо пояснення випромінювання атома.
Вихід із ситуації 1913 року запропонував датський фізик Нільс Бор. Він створив теорію атома на основі таких постулатів:
1. Атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових станах, кожному з яких відповідає певна енергія En. У стаціонарному стані атом енергію не випромінює.
2. Перехід атома з одного стаціонарного стану в інший супроводжується випромінюванням чи поглинанням фотонів, енергію яких hν визначають за формулою
hνkn=Ek–En,
де k і n - цілі числа (номери стаціонарних станів), якщо Ek>En, то фотон з частотою νkn випромінюється, якщо Ek<En - поглинається.
3. Радіуси rn стаціонарних станів задовольняють умову:
де n=1, 2, 3, …, m - маса електрона, ħ - зведена стала Планка.
Найбільший успіх теорія Бора мала в застосуванні до атома водню. Він розрахував радіуси стаціонарних орбіт електрона в атомі водню і відповідні їм значення енергії.
Радіус можливих стаціонарних орбіт електрона в атомі водню визначається:
де n – номер орбіти, радіус якої r, ε0 - електрична стала, h – стала Планка, m – маса електрона, e – заряд електрона.
Енергія електрона на n–ій орбіті:
Знак «-» означає, що за WП=0 прийнято те значення, яке відповідає r=∞. Звівши вираз, маємо:
З виразу видно, що значення енергії атома водню квантовані і, чим більше n, тим більша енергія W.
На основі постулатів Бора можна визначити частоту електромагнітних хвиль, які атом поглинає або випромінює при переході із одного енергетичного стану в інший (формула Бальмера):
де R=3,27·1015 c-1 - стала Ридберга.
Ядерна фізика.
Ядерна фізика - розділ фізики, який вивчає структуру і властивості атомних ядер, та механізми ядерних реакцій (зокрема, радіоактивний розпад).
Складові частинки атомного ядра - нуклони. Відповідно до протонно-нейтронної моделі атомного ядра:
- ядра усіх хімічних елементів складаються з протонів і нейтронів (нейтрони і протони, як складові частинки ядер, мають спільну назву — нуклони);
- сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним (або масовим) числом і позначають символом А;
- кількість протонів називають протонним (або зарядним) числом і позначають символом Z;
- протонне число відповідає порядковому номеру елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва;
- кількість нейтронів дорівнює різниці між масовим і протонним числом N = А - Z);
- заряд ядра обумовлений тільки протонами;
- кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів, що обертаються навколо нього.
Між нуклонами в ядрі існує особлива, внутрішньоядерна взаємодія, тобто діють особливі - ядерні сили.
Ядерні сили мають такі специфічні властивості:
- діють на відстанях, сумірних із розмірами нуклонів (порядку 1·1015 м), і різко зменшуються при збільшенні відстані (на відстанях 1,4·1015 м вони вже практично не діють);
- це найпотужніші сили, що є в природі, тому взаємодію частинок у ядрі часто називають сильною взаємодією;
- ядерним силам властиве насичення (окремий нуклон взаємодіє не з усіма іншими нуклонами, а лише з найближчими сусідами);
- ядерним силам властива зарядова незалежність (заряджені й незаряджені частинки притягуються з однаковою силою, тобто сила взаємодії між двома протонами дорівнює силі взаємодії між двома нейтронами й дорівнює силі взаємодії між протоном і нейтроном);
- ядерні сили не є центральними (тобто вони не направлені уздовж прямої, що сполучає центри взаємодіючих частинок);
- ядерні сили є так званими обмінними силами (взаємодія між нуклонами виникає внаслідок обміну між ними деякою третьою частинкою).
Енергію зв'язку визначає величина тієї роботи, яку потрібно виконати для розщеплення ядра на його складові - нуклони.
Виміри мас ядер показують, що маса спокою ядра Мя менше, ніж сума мас спокою складових його нуклонів:
Різниця 
називається дефектом мас. Дефект мас є мірою енергії зв’язку атомного ядра. Отже: 
Способи вивільнення ядерної енергії:
Утворення ядра з менш масивних ядер називається реакцією синтезу.
Розщеплення ядра на менш масивні ядра називається реакцією ділення.
Ланцюгова реакція - хімічна або ядерна реакція, в якій поява проміжної активної частинки (радикала, атома або збудженої молекули - у хімічних, нейтрона - у ядерних процесах) викликає велику кількість (ланцюг) перетворень початкових молекул або ядер внаслідок регенерації активної частинки в кожному елементарному акті реакції (у кожній ланці).
Найбільш принципові моменти теорії ланцюгової ядерної реакції поділу і встановлено, що:
1) у природному урані ланцюгова ядерна реакція поділу на швидких нейтронах в урані-238 проходити не може;
2) на реалізацію ланцюгової ядерної реакції на повільних нейтронах за рахунок поділу урану-235 впливає резонансне поглинання нейтронів в урані-238;
3) резонансне поглинання нейтронів при уповільненні послаблюється і пропорціональне кореню квадратному із концентрації урану-235;
4) у суміші природного урану і водню ланцюгова реакція неможлива; для здійснення ланцюгової ядерної реакції у цьому випадку необхідне збагачення ураном-235 або використання уповільнювача з меншим поглинанням нейтронів (наприклад важкої води D2O);
5) поблизу стану критичності кінетика наростання концентрації нейтронів пом’якшується через наявність запізнілих нейтронів.
Радіоактивність - явище перетворення нестійкого ізотопа хімічного елементу в інший ізотоп шляхом випромінювання гамма-квантів, елементарних частинок або ядерних фрагментів.
Ернест Резерфорд експериментально встановив, що солі урану випромінюють 3 типи променів, які по-різному відхиляються в магнітному полі:
- промені першого типу відхиляються так само, як потік позитивно заряджених частинок. Їх назвали альфа-променями;
- промені другого типу відхиляються в магнітному полі так само, як потік негативно заряджених частинок (в протилежну сторону), їх назвали бета-променями;
- промені третього типу, які не відхиляються магнітним полем, назвали гамма-променями.
Кількість розпадів, які реєструються в радіоактивному зразку за одиницю часу, називають його активністю A. За одиницю виміру активності приймається бекерель (Бк).
Для кожного типу розпаду є характерний час Т, за який розпадається половина всіх радіоактивних ядер. Цей час називається періодом напіврозпаду.
Закон радіоактивного розпаду: число атомів, що не розпалися, у будь-який момент часу знаходять за формулою
.Дозиметрія (від грец. dosis - частка, порція і metrео - вимірюю) - самостійний розділ прикладної ядерної фізики, який розглядає фізичні величини, що характеризують поле іонізуючого випромінювання та взаємодію випромінювання з речовиною, а також принципи і методи визначення цих величин
.
1 2 3 4 5 6 7