Оптика атомная и ядерная физика реферат

Обновлено: 07.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Интерференция света.

Интерференция света. Когерентность световых волн. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Опыт Юнга. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равного наклона и равной толщины. Кольца Ньютона. Интерференция многих волн. Интерферометры.

Дифракция света.

Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейность распространения света. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на щели и дифракционной решётке. Дифракция на пространственных решетках. Разрешающая способность оптических приборов. Дифракция рентгеновских лучей.

Поляризация света.

Естественный и поляризованный свет. Поляризация света при прохождении через кристалл турмалина. Поляризация света при отражении и преломлении на границе раздела двух сред. Закон Брюстера. Формулы Френеля. Степень поляризации. Закономерности распространения электромагнитных волн в анизотропных средах. Двойное лучепреломление. Оптическая индикатриса. Поляризующие устройства. Искусственная оптическая анизотропия. Эффекты Брюстера, Керра, Коттон-Мутона. Явление плоскости поляризации. Эффект Фарадея.

Дисперсия света.

Взаимодействие электромагнитных волн с веществом. Рассеивание света. Прозрачные среды. Дисперсия света и дисперсия вещества. Опыты Ньютона по исследованию дисперсии со скрещенными призмами. Нормальная и аномальная дисперсия света. Опыты Леру и Кунтдта. Метод скрещенных приборов и крюков Рождественского. Электронная теория дисперсии света. Формула Лоренц – Лорентца. Дисперсия рентгеновских лучей.

Тепловое излучение.

Тепловое излучение. Излучательнаяи поглощательная способность вещества. Законы Кирхгофа.Модель абсолютно черного тела.Закон Стефана – Больцмана, законы Вина. ФормулыРэлея - Джинса.Ультрафиолетоваякатастрофа.ФормулаПланка. Оптическая пирометрия. Тепловые источники света.

Теория излучения Эйнштейна. Оптические квантовые генераторы.

Квантовая теория излучения. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение фотонов. Коэффициенты Эйнштейна для переходов в двухуровневой системе. Принцип работы лазера. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров.

Атом водорода в квантовой механике.

Строение атома. Спектр атома водорода.Спектральные термы.ФормулаБальмера – Ридберга.Постулаты Бора. Принцип соответствия Бора. Квантово-механическое описание атома водорода. Уравнение Шредингера и его решение.Квантовыечисла.Спектры водородоподобныхатомов.

Реакции деления урана. Ядерный реактор.

Ядерные реакции. Законы сохранения. Реакция ядерного деления тяжёлых ядер. Цепная ядерная реакция. Управляемая цепная реакция. Ядерный реактор. Защита от радиации. Успехии перспективыразвитияатомнойэнергетики.Биологическоедействие радиоактивныхизлучений.Дозаизлучения.

Термоядерные реакции. Перспективы управления.

Проблема источников энергии. Термоядерные реакции. Управляемый термоядерный синтез. Энергия звезд.

Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части:
геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах;
волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света;

Прикрепленные файлы: 1 файл

lektsia_1_po_optike.ppt

Часть3. Оптика. Атомная физика

Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части:
геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах;
волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света;
квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.

Лекция1. Представления о свете.

Савельев И.В. Курс общей физики
Смык А.Ф. Курс лекций. Часть 3. –МГУП

Две противоположные точки зрен ия

на природу света

И. Ньютон: свет – это поток корпускул.

Х. Гюйгенс: свет- это распространение волны в ср еде.

Победила точка зрения Ньютона почти на 150 лет.

Френель и Юнг доказали, что свет – это все-таки распро страняющаяся волна. Но в чем она распространяется? Ответ: свет – поперечная волна и расп ространяется в упругом эфире.

Максвелл и Герц: свет – это электромагнитная во лна, которая может распространяться в пустоте (вакууме).

Эйнштейн: свет- это кванты(порции элм. энергии) или опять же корпускулы .

Что такое волна? Волна – это распространяющееся в пространстве колебание.

Как выглядит волновое уравнени е, описывающее

распространение колебаний вдоль оси х?

Пусть - есть величина, которая колеблется,

Решением волнового уравнения м ожет быть любая

Дважды дифференцируемая функци я от аргумента ,

где - скорость распространения возму щения.

- волна идет в положительном направлении;

- возмущение идет в отрицательном

Для гармонических волн:

, где Т – период колебаний, ,

- [Гц] - кол-во колебаний в секунду.

, где λ – длина волны

- это просто более удобная форма записи

Решения волнового уравнения дл я плоской ( А – не зависит от

Координаты) гармонической (cos или sin) монохроматической

Из уравнений Максвелла в вакуу ме можно получить:

Это означает, что вектора напряженности элек трического поля

и магнитного поля подчиняются волновому уравнени ю.

Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле.
Электромагнитные волны поперечны – векторы E и B перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны V

Если элм. волна распространяется в среде (например

в стекле) с диэлектрической проницаемост ью 𝛆

и магнитной проницаемостью 𝛍 , то скорость будет следующая:

Электромагнитные волны существ уют в очень широком диапазоне

Все, что мы видим и ощущаем вокруг нас (свет, тепло)– является

Шкала электромагнитных волн

Видимый свет — электромагнитное излучение с длинами волн ≈ 380—760 нм (от фиолетового до красного).

Белый свет – это сумма всех цв етов спектра

раздел оптики, изучающий законы распространен ия света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах.
Краеугольным приближением геометрической оптики является понятие светового луча. В этом определении подразумевается, что характерные геометрические размеры оптической системы много больше длины волны излучения ( м ).

В основе геометрической оптики лежат несколько простых эмпир ических законов:

Закон прямолинейного распростр анения света
Закон независимого распространения лучей
Закон отражения света
Закон преломления света (Закон Снелла)
Закон обратимости светового луча. Согласно нему луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.

Падающий и отраженный лучи леж ат в одной плоскости с нормаль ю к отражающей поверхности в т очке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Физический смысл показателя пр еломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2:

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде

Преломление света на границе д вух сред с различным показател ем преломления

Если , имеет место полное внутреннее отражение (преломлённый луч отсутствует, падающий луч полностью отражается от границы раздела сред)

Полное внутреннее отражение св ета на границе вода–воздух; S – точечный источник света

Полное внутреннее отражение св ета

Эффект полного внутреннего отр ажения используется в световод ах

Ход лучей при отражении от пло ского зеркала. Точка S' является мнимым изображением точки S

Сферическим зеркалом называют зеркально отражающую поверхность, имеющую форму сферического сегмента.

Центр сферы, из которой вырезан сегмент, называют оптическим центром зеркала.
Вершину сферического сегмента называют полюсом.
Прямая, проходящая через оптический центр и полюс зеркала, называется главной оптической осью сферического зеркала. Главная оптическая ось выделена из всех других прямых, проходящих через оптический центр, только тем, что она является осью симметрии зеркала.

Сферические зеркала бывают вог нутыми и выпуклыми.
Если на вогнутое сферическое зеркало падает пучок лучей, параллельный главной оптической оси, то после отражения от зеркала лучи пересекутся в точке, которая называется главным фокусом F зеркала. Расстояние от фокуса до полюса зеркала называют фокусным расстоянием и обозначают той же буквой F.
У вогнутого сферического зеркала главный фокус действительный. Он расположен посередине между центром и полюсом зеркала .

Отражение параллельного пучка лучей от вогнутого сферическог о зеркала. Точки O – оптический центр, P – полюс, F – главный фокус зеркала; OP – главная оптическая ось, R – радиус кривизны зеркала

2. Корпускулярно-волновой дуализм в микромире. Гипотеза де - Бройля.

Некоторые свойства волн де - Бройля. Вероятностный смысл волн де –

5. Интерференция света …………………………………………. ….…. …. ….12

8. Квантовая природа излучения……………….………………….…………. ….16

9. Основные понятия квантовой механики …. …………………….…….……..18

10. Основные понятия квантовой механики ………………….………………….19

11. Квантовая физика. Строение атома ……………. 20

Задачи на гармонические колебания охватывают такие вопросы, как определение амплитуды скорости, ускорения, энергии, периода механических колебаний, силы тока, напряжения, энергии и частоты электромагнитных колебаний.

Волновые процессы представлены задачами, в которых определяются частота, длина, скорость распространения, энергия и объемная плотность энергии механических и электромагнитных волн.

Изучение элементов атомной и ядерной физики начинается с элементов квантовой механики и рассмотрения таких вопросов, как корпускулярно-волновой дуализм материи, гипотезы де Бройля, что движение любой частицы согласно этой гипотезе всегда сопровождается волновым процессом. Исходя из соотношений неопределенностей Гейзенберга, определяются границы применимости классической механики и, что из этих соотношений вытекает необходимость описания состояния микрочастиц с помощью волновой функции.

При изучении элементов физики атомного ядра и элементарных частиц, рассматривается состав атомного ядра и его характеристики: масса, линейные размеры, момент импульса, магнитный момент ядра, дефект массы ядра, энергия и удельная энергия связи ядра. Рассматривая состав ядра и взаимодействие нуклонов в ядре, выявляются свойства ядерных сил и их обменная природа.

В задачах данной темы рассматриваются следующие вопросы: определение длины волны де Бройля движущихся частиц, соотношения неопределенностей Гейзенберга, применение уравнения Шредингера для частицы, находящейся в одномерной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками, рентгеновское излучение и закон Мозли, закон радиоактивного распада, определение дефекта массы, энергии связи и удельной энергии связи ядра, энергии ядерных реакций.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ. ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР.

Различают следующие виды колебаний:

- По физической природе:

Механические (звук, вибрация)

Электромагнитные (свет, радиоволны, тепловые)

Смешанного типа — комбинации вышеперечисленных

- По характеру взаимодействия с окружающей средой

Вынужденные — колебания, протекающие в системе под влиянием внешнего периодического воздействия. Примеры: листья на деревьях, поднятие и опускание руки.

Свободные (или собственные) — это колебания в системе под действием внутренних сил, после того как система выведена из состояния равновесия (в реальных условиях свободные колебания всегда затухающие). Ярким примером свободных колебания является колебания груза, прикреплённого к пружине, или груза, подвешенного на нити.

Автоколебания — колебания, при которых система имеет запас потенциальной энергии, расходующейся на совершение колебаний (пример такой системы — механические часы).

Параметрические — колебания, при которых за счет внешнего воздействия происходит изменение какого-либо параметра колебательной системы.

Величины, характеризующие колебательное движение.

Амплитуда — максимальное отклонение колеблющейся величины от некоторого усреднённого её значения для системы, А ( м )

Период — промежуток времени, через который повторяются какие-либо показатели состояния системы (система совершает одно полное колебание), Т ( сек )

Частота — число колебаний в единицу времени, ( Гц , сек −1 ) .

Связь частоты и периода выражается формулой :

Смещение — отклонение тела от положения равновесия, х (м).

Фаза колебаний — определяет смещение в любой момент времени, то есть определяет состояние колебательной системы, (рад).

Гармонические колебания — колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса (косинуса). Гармонические колебания величины х описываются уравнением типа

Гармонический осциллятор — это система, которая при смещении из положения равновесия испытывает действие возвращающей силы , пропорциональной смещению х (согласно закону Гука):

где k — положительная константа, описывающая жёсткость системы.

Механическими примерами гармонического осциллятора являются математический маятник (с малыми углами смещения), груз на пружине, торсионный маятник и акустические системы. Среди других аналогов гармонического осциллятора стоит выделить электрический гармонический осциллятор ,представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности и конденсатор.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ В МИКРОМИРЕ.

ГИПОТЕЗА ДЕ - БРОЙЛЯ. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ВОЛН ДЕ - БРОЙЛЯ. ВЕРОЯТНОСТНЫЙ СМЫСЛ ВОЛН ДЕ - БРОЙЛЯ.

Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Французский ученый Луи де Бройль выдвинул в 1923 году гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия импульс p , а с другой стороны — волновые характеристики — частота и длина волны. Формула де Бройля устанавливает зависимость длины волны λ, связанной с движущейся частицей вещества, от импульса p частицы:

где m — масса частицы, v — ее скорость, h — постоянная Планка, c — скорость света. Волны, о которых идет речь, называются волнами де Бройля .

Оптика и элементы атомной физики

. Эйнштейна привели к революции в физике и к созданию квантовой физики, в том числе к . волновыми - частотой колебаний, длиной волны. § 3. Законы геометрической оптики. Теперь перейдём к . два типа ядерных взаимодействий (слабое и сильное). § 36. Ядерные реакции .

Отличие фотографии от голограммы

. последние достижения оптики, квантовой радиофизики, микроэлектроники, оптоэлектроники, химии и физики различных . т./Под редакцией Г. С. Ландсберга. Т. III. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 10-е изд., перераб.- М.: Наука., 1986 .

Физика в годы Первой мировой войны

. электрических колебаний, б)излучатель ультразвуковых волн, . оптика, акустика и многие другие разделы физики . физику новыми открытиями и теориями. Послевоенная физика была преимущественно физикой атома. Однако развитие квантовой механики, ядерной физики .

Современные аспекты ядерной физики

. ядерной физики Москва, 2010 Содержание Введение 1. Ультрафиолетовый разрыв в XXI веке 2. Квантовый . Волна усиливает наносекундный погранслой независимо от расстояния до горизонта событий. Колебание . общей физики, том 3. Оптика, атомная физика, физика атомного .

Физика. Электромагнитные явления (электродинамика)

. вынужденные колебания в контуре. 4.4.3 Электромагнитные волны. МОДУЛЬ 5. ОПТИКА. 5.1 ПРИРОДА СВЕТА. 5.1.1 Волновая и квантовая природа . . 6.3 6.3.1 Ядерные реакции 6.3.2 Методы дозиметрии 2. Литература 1. Т.И. Трофимова. Курс физики. М.: ВШ,1990 .

Если расщепляется тяжелое ядро на два более легких ядра, то их масса будет меньше массы родительского ядра на 0,1%. У тяжелых ядер существует тенденция к делению на два более легких ядра с выделением энергии. Энергия атомной бомбы и ядерного реактора представляет собой энергию, высвобождающуюся при делении ядер. Энергия водородной бомбы — это энергия, выделяющаяся при ядерном синтезе. При взрыве… Читать ещё >

физика: оптика. элементы атомной и ядерной физики. элементарные частицы

Деление ядер. Физика: оптика. Элементы атомной и ядерной физики. Элементарные частицы ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Изучение взаимодействия нейтронов с веществом привело к открытию ядерных реакций нового типа. В 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман исследовали химические продукты, получающиеся при бомбардировке нейтронами ядер урана. Среди продуктов реакции был обнаружен барий — химический элемент с массой много меньше, чем масса урана. Задача была решена немецкими физиками Л. Мейтнером и О. Фришем, показавшими, что при поглощении нейтронов ураном происходит деление ядра на два осколка:

При делении ядра урана тепловой нейтрон с энергией ~ 0,1 эВ освобождает энергию ~ 200 МэВ. Существенным моментом является то, что этот процесс сопровождается появлением нейтронов, способных вызывать деление других ядер урана, — цепная реакция деления. Таким образом, один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер, причем число ядер, участвующих в реакции деления, будет экспонснциально возрастать. Открылись перспективы использования цепной реакции деления в двух направлениях:

• управляемая ядерная реакция деления — создание атомных реакторов;
• неуправляемая ядерная реакция деления — создание ядерного оружия.

Следствием зависимости удельной энергии связи от А (рис. 3.4.2) является существование двух процессов — синтеза и деления ядер. Рассмотрим взаимодействие электрона и протона. При образовании атома водорода высвобождается энергия 13,6 эВ, и масса атома водорода оказывается на 13,6 эВ меньше суммы масс свободного электрона и протона. Аналогично масса двух легких ядер превышает массу после их соединения на AM. Если их соединить, то они сольются с выделением энергии АМс 2 . Этот процесс называется синтезом ядер. Разность масс может превышать 0,5%.

Если расщепляется тяжелое ядро на два более легких ядра, то их масса будет меньше массы родительского ядра на 0,1%. У тяжелых ядер существует тенденция к делению на два более легких ядра с выделением энергии. Энергия атомной бомбы и ядерного реактора представляет собой энергию, высвобождающуюся при делении ядер. Энергия водородной бомбы — это энергия, выделяющаяся при ядерном синтезе.

В среднем при делении урана высвобождается энергия 200 МэВ. Масса покоя ядра урана — 2,2* 10 5 МэВ. В энергию превращается около 0,1% этой массы, что равно отношению 200 МэВ к величине 2,2* 10^ МэВ.

Оценка энергии, освобождающейся при делении, может быть получена из формулы Вайцзеккера

При делении ядра на два осколка изменяются поверхностная энергия Е_п = а₂Л 2 ' и кулоновская энергия Е_к = a₃Z 2 / А 1 ' 3 , причем поверхностная энергия увеличивается, а кулоновская — уменьшается. Деление возможно в том случае, когда высвобождающаяся при делении энергия Е > 0:

Здесь А=А!2 Z =Z/2. Отсюда получим, что деление энергетически выгодно, когда Z 2 !A > 17. Величина Z 2 !A называется параметром делимости. Энергия ?, освобождающаяся при делении, растет с увеличением Z~IA.

В процессе деления ядро изменяет форму — последовательно проходит через следующие стадии (рис. 4.1.5): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка.

Массы осколков, образующихся при делении тепловыми нейтронами, не равны. Ядро стремится разделиться таким образом, чтобы основная часть нуклонов осколка образовала устойчивый магический остов. На рис. 4.1.6 приведено распределение по массам при делении 235 U. Наиболее вероятная комбинация массовых чисел — 95 и 139.

Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре 235 U равно 1,55, в то время как у стабильных элементов, имеющих массу, близкую к массе осколков деления, это отношение составляет 1,25… 1,45. Следовательно, осколки деления сильно перегружены нейтронами и неустойчивы к p-распаду — радиоактивны.

В результате деления ядра высвобождается энергия — 200 МэВ. Около 80% ее приходится на энергию осколков. За один акт деления образуется более двух нейтронов деления со средней энергией ~ 2 МэВ [14, "https://referat.bookap.info"].

В 1 г любого вещества содержится тс 2 = 9 • 10 13 Дж. Деление 1 г урана сопровождается выделением ~ 9−10 10 Дж. Это почти в 3 млн раз превосходит энергию сжигания 1 г угля (2,9* 10 4 Дж). Конечно, 1 г урана обходится значительно дороже 1 г угля, но стоимость 1 Дж энергии, полученной сжиганием угля, оказывается в 400 раз выше, чем в случае уранового топлива.

Благодаря ценной реакции процесс деления ядер можно сделать самоподдерживающимся. При каждом делении вылетают два или три нейтрона (рис. 4.1.7). Если одному из этих нейтронов удастся вызвать деление другого ядра урана, то процесс будет самоподдерживающимся.

Совокупность делящегося вещества, удовлетворяющая этому требованию, называется критической сборкой. Первая такая сборка, названная ядерным реактором (рис. 4.1.8), была построена в 1942 г. под руководством Энрико Ферми на территории Чикагского университета.

В СССР первый ядерный реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова в Москве. Первая атомная электростанция мощностью 5 МВт была пущена в 1954 г. в г. Обнинске (рис. 4.1.9).

Массу 235 U и 239 Ри можно также сделать надкритической. В этом случае возникающие при делении нейтроны будут вызывать несколько вторичных делений. Поскольку нейтроны движутся со скоростями, превышающими 10 s см/с, надкритическая сборка может полностью прореагировать (или разлететься) быстрее, чем за тысячную долю секунды. Такое устройство называется атомной бомбой. Ядерный заряд из плутония или урана переводят в надкритическое состояние обычно с помощью взрыва. Подкритическую массу окружают химической взрывчаткой. При ее взрыве плутониевая или урановая масса подвергается мгновенному сжатию. Поскольку плотность сферы при этом значительно возрастает, скорость поглощения нейтронов оказывается выше скорости потери нейтронов за счет их вылета наружу. В этом и заключается условие надкритичности.

При взрыве 1 т тринитротолуола (ТНТ) высвобождается 10 9 кал, или 410 9 Дж. При взрыве атомной бомбы, расходующей 1 кг плутония 235 U, высвобождается около 8* 10 13 Дж энергии. Это почти в 20 000 раз больше, чем при взрыве 1 т ТНТ. Такая бомба называется 20- килотонной бомбой. Современные бомбы мощностью в мегатонны в миллионы раз мощнее обычной ТНТ-взрывчатки.

Производство плутония основано на облучении «U нейтронами, ведущем к образованию изотопа 39 U, который в результате бега;

распада превращается в Np, а затем, после еще одного бета-распада, в 239 Ри. При поглощении нейтрона с малой энергией оба изотопа ( 23> U и 239 Ри) испытывают деление. Продукты деления характеризуются более сильной связью (~ 1 МэВ на нуклон), благодаря чему в результате деления высвобождается примерно 200 МэВ энергии.

Каждый грамм израсходованного плутония или урана порождает почти грамм радиоактивных продуктов деления, обладающих огромной радиоактивностью.

Читайте также: