Лабораторный практикум по физике атома под редакцией А. П. Клищенко минск


Скачать 105.69 Kb.
НазваниеЛабораторный практикум по физике атома под редакцией А. П. Клищенко минск
Дата публикации07.06.2013
Размер105.69 Kb.
ТипДокументы
referatdb.ru > Физика > Документы

В.Е. Граков, А.А. Сокольский, Г.Ф. Стельмах




ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ФИЗИКЕ АТОМА

Под редакцией А.П.Клищенко



МИНСК


БГУ

2005

ОГЛАВЛЕНИЕ





Предисловие ..…………………………………………………………

5

Глава 1. Элементарные представления квантовой теории и физики







атома…………………………………………………………...

10




Истоки квантовой теории ……………………………………...

10




А.1 Кванты энергии и кванты света…………………………

10




А.2 Кванты и атом Резерфорда – Бора ……………………...

12




А.3 Становление последовательной квантовой теории……

13




Работа 1. Тормозное рентгеновское излучение ………………

15




Работа 2. Определение потенциала ионизации атома ртути

28




Работа 3. Изучение спектра атома водорода…………………...

40




Работа 4. Дифракция электронов на кристаллических







структурах ……………………………………………

55

Глава 2. Стационарное уравнение Шредингера ……………………

72




Описание поведения электрона в квантовой механике ……..

72




Б.1 Уравнение Шредингера ………………………………..

72




Б.2 Уравнение Шредингера для стационарных состояний

72




Б.3 Волновая функция и заключенная в ней информация

73




Б.4 Оптическая аналогия …………………………………...

74




Б.5 Одномерные квантовомеханические задачи с прямо-







угольным потенциалом ……………………………….

75




Б.6 Движение электрона в области потенциальной







ступеньки …………………………………….…………

76




Работа 5. Эффект Рамзауэра …………………………………..

80




Работа 6. Стационарные состояния электрона в одномерных







потенциальных ямах ………………………………

100

Глава 3. Квантовые свойства атомов и молекул …………………...

110




Основные понятия и методы описания атомных явлений……

110




В.1 Понятие магнитного момента …………………………

110




В.2 Орбитальный и магнитный момент микрочастицы ….

111




В.3 Квантование механического и магнитного моментов ..

113




В.4 Спин микрочастицы ……………………………………

114




В.5 Механический и магнитный моменты атомного ядра ..

115




В.6 Магнитный момент электронной оболочки атома ……

116




В.7 Магнитный момент атома ……………………………...

118




В.8 Спин-орбитальное взаимодействие в атоме водорода ..

119




В.9 Состояния электронов в сложном атоме ……………...

122




В.10 Принцип Паули и электронная структура сложного







атома ……………………………………………………

124




В.11 Электростатическое расщепление уровней энергии










атома ……………………………………………………

125




В.12 Спин-орбитальное взаимодействие и мультиплетное







расщепление …………………………………………....

128




В.13 Уровни энергии атома при нормальной связи ………

129




В.14 Правила отбора для излучательных переходов ……..

131




Работа 7. Электронный парамагнитный резонанс в слабых







полях ……………………………………………………

134




Работа 8. Ядерный магнитный резонанс ……………………..

150




Работа 9. Квантование энергии и волновые функции







электрона в атоме водорода …………………………

163




Работа 10. Изучение спектра атома натрия …………………..

176




Работа 11. Тонкая структура и интенсивности линий в







атомных спектрах …………………………………..

193




Работа 12. Характеристические рентгеновские спектры ……

205




Работа 13. Спектр поглощения молекулы йода …………….

226




Работа 14. Колебательные состояния двухатомной молекулы

246

Приложения …………………………………………………………..

258




П.1 Тепловое излучение ………………………………………...

258




П.2 Лазерное управление атомно-молекулярными процессами

264




П.3 Сведения из теории погрешностей ………………………

269




П.4 Атомные массы, энергии связи электронов и конфигура-







ции внешних электронных оболочек химических







элементов ………………………………………………….

274




П.5 Фундаментальные физические постоянные ……………..

277

Литература ……………………………………………………………

279


Глава 1 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ И ФИЗИКИ АТОМА


^

ИСТОКИ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ



А.1 Кванты энергии и кванты света
Приведем основные сведения о возникновении и развитии квантовых представлений в «героический» период истории физики – период становления квантовой теории (1900 – 1925 г.).

Началом этого периода считается 14 декабря 1900 г. – дата доклада Макса Планка, посвященного обоснованию формулы для спектральной плотности равновесного излучения (формулы Планка):

.

Это обоснование опиралось на предположение – квантовую гипотезу Планка, состоящую в том, что для подсчета числа возможных состояний системы N одинаковых линейных гармонических осцилляторов (ЛГО) «необходимо представлять себе полную энергию этой системы не в виде непрерывной, неограниченно делимой величины, а в виде величины дискретной, состоящей из целого числа конечных равных частей». Такие части Планк назвал «элементами энергии» (позже их стали называть квантами энергии), а величину ε этих квантов принял равной hν, где ν частота колебаний ЛГО, hвведенная им ранее постоянная (постоянная Планка). Важно подчеркнуть, что, во-первых, гипотеза Планка относилась не к электромагнитному излучению непосредственно, а к поведению системы ЛГО, моделирующей излучатели, находящиеся в тепловом равновесии с этим излучением. Во-вторых, в докладе и работах Планка 1900 г. нет ни утверждений о квантовом характере процессов испускания и поглощения электромагнитного излучения, ни даже о том, что излучатели могут иметь только квантованные значения энергии, равные n hν (где n = 1, 2, 3…). Более того, квантовая гипотеза была высказана Планком крайне осторожно. Так, в докладе была сделана оговорка о том, что «если отношение суммарной энергии системы осцилляторов к элементу энергии ε не равно целому числу, мы берём для этого отношения ближайшее целое число»!

Сказанное никак не уменьшает значения работ М. Планка 1900 г., которые явились исходным пунктом радикального пересмотра основ физики, потребовавшего более чем двух десятилетий напряженного поиска в масштабах всего мирового научного сообщества.

Роль постоянной Планка для поведения самогó электромагнитного поля была выявлена А. Эйнштейном, выдвинувшим (1905 г.) предположение о том, что энергия электромагнитного излучения «не распределяется непрерывным образом, а складывается из конечного числа локализованных квантов энергии, которые движутся как неделимые и поглощаются или возникают только целиком». Эти кванты света (названные позже фотонами) согласно Эйнштейну обладают энергией (где ν – частота излучения). На этой основе Эйнштейн объяснил ряд закономерностей, непонятных с классических позиций: правило Стокса для люминесценции, закономерности фотохимических реакций и, как хорошо известно, законы фотоэффекта. Предположение о наличии у фотона импульса (где λ – длина волны), высказанное Эйнштейном в 1909 г., также получило экспериментальное подтверждение (эффект Комптона, 1922 г.). Развитие фотонной гипотезы привело Эйнштейна к концепции корпускулярно-волнового дуализма: наличия у излучения свойств, присущих как частицам, так и волнам.

Следует подчеркнуть, что буквальное понимание излучения и как классической электромагнитной волны и как потока частиц, движущихся со скоростью света по определенным траекториям, внутренне противоречиво (на что обращал самое серьезное внимание сам А. Эйнштейн). Свободное от противоречий представление о квантовых полях – объектах, обладающих одновременно и корпускулярными и волновыми свойствами, – было достигнуто значительно позже в последовательной квантовой теории с использованием вероятностной интерпретации (у истоков последней также стоял Эйнштейн).

Важный вклад в развитие квантовых представлений внесли П. Эренфест (1906 г.) и П. Дебай (1910 г.). В их работах квантовая гипотеза Планка была применена непосредственно к электромагнитному излучению. Было сделано предположение о квантовании энергии собственных электромагнитных колебаний (осцилляторов электромагнитного поля) в замкнутом объёме (полости). На этой основе был дан весьма простой и последовательный вывод формулы Планка. (Этот вывод приведен в Приложении 1). Подход Эренфеста – Дебая стал началом пути, на котором впоследствии (1928 г.) была создана квантовая электродинамика.

^

А.2 Кванты и атом Резерфорда – Бора



Квантовые представления приобрели особое значение (и сделали огромный шаг в своем развитии) в связи с серьезнейшими проблемами, возникшими в физике, после экспериментального доказательства (Э. Резерфорд, 1911 г.) того, что атом состоит из ядра и электронной оболочки. Расчет поведения такой системы по законам классической механики и электродинамики давал не просто расхождение с экспериментом, а однозначно приводил к выводу, что такой атом вообще не может существовать. Речь шла не только о потерях энергии на излучение движущимися по орбитам электронами. Классическая механика оказалась не способной объяснить самые очевидные свойства атома: полную тождественность характеристик (например, размеров) всех атомов одного сорта, их устойчивость по отношению к взаимным столкновениям, их спектры и т. д. Среди попыток найти выход из кризиса наиболее плодотворными явились работы Н. Бора.

Так, уже в статье 1913 г. ему удалось вычислить размеры атома водорода, энергию ионизации, объяснить природу спектральных закономерностей, связать постоянную Ридберга с фундаментальными физическими постоянными, сделать важный шаг в решении проблемы устойчивости атома. Эта работа, подчеркивал Бор, «является попыткой показать, что применение идеи (о необходимости ввести постоянную Планка в законы движения электронов) к модели атома Резерфорда создает основу для теории строения атома». Большое впечатление произвели, с одной стороны, полученные результаты – широта диапазона охватываемых явлений, и, в ряде случаев (например, при объяснении изотопического сдвига спектральных линий) их точность, с другой – смелый решительный разрыв с классическими представлениями.

Полученные в 1913 г. и в последующих работах результаты опирались на сделанные Бором новаторские предположения общего характера (о существовании стационарных состояний, о «правиле частот»), а также на целый ряд специальных, модельных (например, о круговых орбитах электронов) построений. Начиная с 1921 г., Н. Бор придаёт двум из своих предположений статус постулатов Так в работе 1921 г. Н. Бор формулирует:

Первый постулат. Существуют особые состояния атома, в которых последний не излучает энергии, хотя частицы совершают ускоренное движение. Эти стационарные состояния обладают своеобразной устойчивостью такого рода, что атому нельзя сообщить энергию или отнять её от него иначе, как процессом, переводящим атом из одного стационарного состояния в другое.

Второй постулат. Всякое излучение атома, связанное с переходом между двумя стационарными состояниями, состоит из чисто гармонических волн. Частота этих волн не зависит непосредственно от движения частиц атома и определяется условием частот

.

Следует четко отделять те представления «Боровского периода», которые оказались неверными (например, об орбитах электронов), от всесторонне экспериментально подтвердившихся представлений, потребовавших впоследствии лишь некоторых уточнений (постулаты Бора). Нельзя не упомянуть и о многочисленных искажениях, укоренившихся в учебной литературе, – о приписывании Н. Бору трех и более постулатов и о неадекватном «редактировании» их формулировок. В настоящем пособии (в Работе 3) постулаты Бора приведены в точном переводе из статьи Н. Бора для Британской энциклопедии. Важно также подчеркнуть, что ни постулаты Бора, ни модели круговых или эллиптических (Бор и Зоммерфельд) орбит не являются последовательной квантовой теорией. В то же время, именно достижения Бора сыграли исключительно важную роль в её создании.

^

А.3 Становление последовательной квантовой теории



Существенный вклад в становление квантовой теории внесли и работы Л. де Бройля (1923-1924 г.). Развивая идеи Эйнштейна о двойственной природе излучения, де Бройль пришел к предположению о том, что «каждое движущееся тело сопровождается волной и что невозможно разделить движение тела и распространение волны». Следовательно, и «пучок электронов должен испытывать дифракцию». Идеи де Бройля получили развитие в работах Э. Шредингера, и экспериментальное подтверждение (опыты по дифракции электронов, а затем и других частиц).

В 1925-1926 годы развитие квантовых идей ознаменовалось созданием двух теорий: «матричной» механики Гейзенберга-Борна-Иордана и «волновой» механики Шрёдингера. Вскоре была доказана их эквивалентность и общепринятым стало название квантовая механика, а о «матричной» и «волновой» механиках говорят, как о двух её формулировках. Элементы квантовой механики (в формулировке Э. Шрёдингера) входят в программу курса атомной физики. В настоящем пособии им посвящена Глава 2, а в работе 4 рассмотрен вопрос о вероятностном характере микроскопических процессов (в интерпретации М. Борна, данной им в 1926 г.).



Похожие рефераты:

Учебника Кол-во экз-ров 1 Организация и планирование производства...
Организация и планирование производства : лабораторный практикум/ Н. И. Новицкий [и др.]; под ред. Н. И. Новицкого. Минск: Новое...
Учебника Кол-во экз-ров 1 Организация и планирование производства...
Организация и планирование производства : лабораторный практикум/ Н. И. Новицкий [и др.]; под ред. Н. И. Новицкого. Минск: Новое...
Лабораторный практикум по дисциплине «физика» Раздел «механика»
Лабораторный практикум по дисциплине «Физика» / П. В. Аста­хов, В. А. Зыкунов, А. И. Кравченко. — Минск : рцсиЭ, 2009. — 24 с
Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. М.: Наука, 1967. Михайлов...
Колесникова Т. Н. Лабораторный практикум по атомной и ядерной физике. Учебное пособие для физических специальностей университетов...
1 органическая химия – химия органических соединений углерода особенности...
...
Литература лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение Москва:...
Пятов В. В., Бровко С. В. Материаловедение: лабораторный практикум. — Витебск, 2012
Лабораторный практикум содержит основные сведения и лабораторные...
Лабораторный стенд ум 11 предназначен для изучения логических элементов имс серии К155, а также цифровых устройств на их основе или...
Учебной лиературы общие вопросы применения информационных технологий...
Беловский, Г. Г. Мультимедийные технологии: лабораторный практикум // Г. Г. Беловский, В. М. Зеленкевич. – 2-е изд. – Минск: бгпу,...
Государственное учреждение образования
Республики Беларусь на 2013 год /под редакцией профессора Ю. Е. Демидчика, Минск: Белмапо, 2012. – 140 с
Государственное учреждение образования
Республики Беларусь на 2014 год /под редакцией профессора Ю. Е. Демидчика, Минск: Белмапо, 2013. – 150 с

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
referatdb.ru
referatdb.ru
Рефераты ДатаБаза