Сивухин Д.В. Общий курс физики.Том V

Название : Общий курс физики - Том 5 - Атомная и ядерная физика. 2002.

Пятый том курса физики, широко известного у нас в стране и за рубежом. Книга написана на основе лекций, которые в течение ряда лет читались автором студентам Московского физико-технического института. Основное внимание уделено выяснению физического смысла и содержания основных законов и понятий атомной и ядерной физики, установлению границ применимости этих законов, развитию у студентов навыков физического мышления и умения ставить и решать конкретные задачи.

Предисловие. 7
Глава I.
Кванты света
1. Энергия и импульс светового кванта. 9
2. Фотоэлектрический эффект. 14
3. Эффект Комптона. 26
4. Эффект Доплера при движении источника света в вакууме с фотонной точки зрения. 34
5. Отражение и преломление света в фотонной теории. Фотоны в среде. 37
6. Излучение Вавилова-Черенкова. Эффект Доплера при движении источника света в среде 40
7. Фотоны в гравитационном поле. 44
8. Некоторые опыты по обнаружению корпускулярных свойств света 46
Глава П.
Строение, энергетические уровни и спектры атома
9. Ядерная модель атома и опыты Резерфорда. 50
10. Определение заряда ядра из рассеяния рентгеновских лучей. 58
11. Спектральные закономерности. 61
12. Постулаты Бора. 64
13. Спектр водорода. 67
14. Экспериментальное подтверждение постулатов Бора. 79
15. Резонансное свечение и люминесценция. 86
16. Принципиальные недостатки теории Бора. 89
Глава III.
Волновые свойства частиц вещества
17. Гипотеза де Бройля. 92
18. Экспериментальные подтверждения гипотезы де Бройля. 99
19. Статистическая интерпретация волн де Бройля и волновой функции. 109
20. Соотношение неопределенностей. 117
Глава IV.
Уравнение Шредингера. Квантование
21. Уравнение Шредингера. 128
22. Уравнение Шредингера и квантование. 133
23. Гармонический осциллятор. 138
24. Одномерные прямоугольные потенциальные ямы. 142
25. Квантование в случае сферически симметричного силового поля. 147
26. Система двух взаимодействующих частиц. 149
27. Квантование водородоподобного атома в сферически симметричном случае. 153
28. Потенциальные барьеры. 157
29. К объяснению контактной разности потенциалов. Холодная эмиссия электронов из металлов 167
Глава V.
Дальнейшее построение квантовой механики и спектры
30. Операторный метод. 172
31. Момент импульса частицы. 181
32. Сложение угловых моментов. 190
33. Квантование водородного атома в общем случае. 195
34. Энергетические уровни и спектральные серии щелочных металлов. 199
35. Магнетизм атомов. . 207
36. Опыты Штерна и Герлаха. Спин электрона. . 211
37. Эффект Садовского и спин фотона. . 217
38. Четыре квантовых числа электрона и тонкая структура спектральных термов 226
39. Правила отбора при излучении и поглощении света. . 234
40. Тонкая структура спектральных линий водорода и щелочных металлов 238
41. Простой и сложный эффект Зеемана. . 242
42. Магнитный резонанс. . 250
43. Эффект Штарка. . 259
44. Лэмбовский сдвиг уровней атомных электронов. . 263
45. Физический вакуум и объяснение лэмбовского сдвига. . 266
Глава VI.
Атомные системы со многими электронами
46. Принцип тождественности одинаковых частиц. Принцип Паули. 270
47. Объяснение периодической системы химических элементов
Д. И. Менделеева. . 276
48. Рентгеновские лучи. . 285
49. Атом гелия. 298
50. Химическая связь. Молекула водорода. 307
51. Параводород и ортоводород. 315
52. Молекулярные силы. 317
Глава VII.
Некоторые макроскопические квантовые явления
53. Возможные состояния частицы в ограниченном объеме. 322
54. Теория Дебая теплоемкости твердых тел. 324
55. Типы связей атомов в твердых телах. 331
56. Колебания атомов в одномерной прямолинейной цепочке. 333
57. Фононы и квазичастицы. 340
58. Энергетические зоны в твердых телах. 348
59. Зонная структура и волны Блоха. 354
60. Сверхтекучесть. Опытные факты. 365
61. Понятие о теории сверхтекучести. 373
62. Понятие о теории сверхпроводимости. 381
Глава VIII.
Статические свойства атомного ядра
63. Введение. 390
64. Энергия связи ядра. 400
65. Размеры ядра. 410
66. Спин ядра и сверхтонкая структура спектральных линий. 416
67. Влияние спина ядра на эффект Зеемана. 427
68. Измерения спинов и магнитных моментов ядер методом магнитного резонанса.
Опытные данные о спинах и магнитных моментах ядер. 429
69. Четность. Закон сохранения четности. 431
70. Электрические свойства и форма ядра. 437
Глава IX.
Радиоактивность
71. Введение. 442
72. Законы радиоактивного распада. 450
73. Альфа-распад. 455
74. Бета-распад. 467
75. Гамма-излучение ядер и внутренняя конверсия электронов. 483
76. Эффект Мёссбауэра. . 487
Глава X.
Краткие сведения о ядерных моделях
77. Общие сведения. 495
78. Оболочечная модель ядра. 498
Глава XI.
Прохождение заряженных частиц и гамма-квантов через вещество
79. Введение. 510
80. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество. 511
81. Прохождение легких заряженных частиц через вещество. 519
82. Прохождение гамма-квантов через вещество. 524
83. Другие проявления взаимодействия ядерных частиц с веществом. 530
Глава XII.
Источники и методы регистрации ядерных частиц
84. Ускорители. 534
85. Источники нейтронов и других нейтральных частиц. 555
86. Детекторы частиц. 560
Глава XIII.
Ядерные реакции
87. Терминология и определения. 575
88. Законы сохранения в ядерных реакциях. 579
89. Составное ядро. 587
90. Ядерные реакции, идущие через составное ядро. 590
91. Дополнительные сведения о ядерных реакциях. 594
Глава XIV.
Нейтроны и деление атомных ядер
92. История открытия нейтрона. 602
93. Деление атомных ядер. 606
94. Трансурановые элементы. 617
95. Цепная реакция и ядерные реакторы. 636
96. Природный ядерный реактор в Окло. 649
97. Использование антинейтрино для контроля ядерного реактора. 651
98. Термоядерная проблема. 654
99. Нейтронная оптика. 669
Глава XV.
Некоторые вопросы астрофизики
100. Источники энергии звезд. 683
101. Некоторые сведения из астрономии. 695
102. Краткие сведения об эволюции звезд. 699
103. Космические лучи. 716
Глава XVI.
Элементарные частицы
104. Что такое элементарные частицы. 733
105. Классификация элементарных частиц. 736
106. Античастицы. 739
107. Законы сохранения энергии и импульса и их приложения. 742
108. Законы сохранения электрического, лептонных и барионного зарядов. 749
109. Другие законы сохранения и квантовые числа. 753
110. Кварковая модель адронов. 758
Таблицы. 766
Именной указатель. 769
Предметный указатель.

Фотоэлектрический эффект .
1. Одним из явлений, подтверждающих гипотезу фотонов, является фотоэлектрический эффект, к рассмотрению которого мы и перейдем.

В 1887 г. Генрих Герц (1857-1894) обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом отрицательного электрода искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между его электродами. Занятый в то время исследованиями электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, Герц не обратил на это явление серьезного внимания. Первые исследования явления принадлежат Хальваксу (1859-1922), Риги (1850-1921) и в особенности А. Г. Столетову (1839-1896).

Сущность явления, обнаруженного Герцем, состоит в том, что при освещении ультрафиолетовыми лучами отрицательно заряженного металлического тела оно теряет отрицательный заряд. При освещении такими же лучами положительно заряженного тела потери заряда не наблюдается.

Первое издание пятого тома вышло в двух частях (в 1986 г. - первая часть, в 1989 г. - вторая).

Для студентов физических и математических факультетов университетов, физико-технических и инженерно-физических институтов, а также вузов, где физика является основной дисциплиной.

3-e издание, стереотипное.

М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2006.

ISBN 5-9221-0645-7, 5-9221-0230-3, 5-89155-088-1, 5-9221-0229-X, 5-89155-077-6

Количество страниц: 784.

Содержание книги «Общий курс физики.Том V. Атомная и ядерная физика»:

3 Оглавление
7 Предисловие
9 Глава I. Кванты света
- 9 § 1. Энергия и импульс светового кванта
- 14 § 2. Фотоэлектрический эффект
- 26 § 3. Эффект Комптона
- 34 § 4. Эффект Доплера при движении источника света в вакууме с фотонной точки зрения
- 37 § 5. Отражение и преломление света в фотонной теории. Фотоны в среде
- 40 § 6. Излучение Вавилова-Черенкова. Эффект Доплера при движении источника света в среде
- 44 § 7. Фотоны в гравитационном поле
- 46 § 8. Некоторые опыты по обнаружению корпускулярных свойств света
50 Глава II. Строение, энергетические уровни и спектры атома
- 50 § 9. Ядерная модель атома и опыты Резерфорда
- 58 § 10. Определение заряда ядра из рассеяния рентгеновских лучей
- 61 § 11. Спектральные закономерности
- 64 § 12. Постулаты Бора
- 67 § 13. Спектр водорода
- 79 § 14. Экспериментальное подтверждение постулатов Бора
- 86 § 15. Резонансное свечение и люминесценция
- 89 § 16. Принципиальные недостатки теории Бора
92 Глава III. Волновые свойства частиц вещества
- 92 § 17. Гипотеза де Бройля
- 99 § 18. Экспериментальные подтверждения гипотезы де Бройля
- 109 § 19. Статистическая интерпретация волн де Бройля и волновой функции
- 117 § 20. Соотношение неопределенностей
128 Глава IV. Уравнение Шредингера. Квантование
- 128 § 21. Уравнение Шредингера
- 133 § 22. Уравнение Шредингера и квантование
- 138 § 23. Гармонический осциллятор
- 142 § 24. Одномерные прямоугольные потенциальные ямы
- 147 § 25. Квантование в случае сферически симметричного силового поля
- 149 § 26. Система двух взаимодействующих частиц
- 153 § 27. Квантование водородоподобного атома в сферически симметричном случае
- 157 § 28. Потенциальные барьеры
- 167 § 29. К объяснению контактной разности потенциалов. Холодная эмиссия электронов из металлов
172 Глава V. Дальнейшее построение квантовой механики и спектры
- 172 § 30. Операторный метод
- 181 § 31. Момент импульса частицы
- 190 § 32. Сложение угловых моментов
- 195 § 33. Квантование водородного атома в общем случае
- 199 § 34. Энергетические уровни и спектральные серии щелочных металлов
- 207 § 35. Магнетизм атомов
- 211 § 36. Опыты Штерна и Герлаха. Спин электрона
- 217 § 37. Эффект Садовского и спин фотона
- 226 § 38. Четыре квантовых числа электрона и тонкая структура спектральных термов
- 234 § 39. Правила отбора при излучении и поглощении света
- 238 § 40. Тонкая структура спектральных линий водорода и щелочных металлов
- 242 § 41. Простой и сложный эффект Зеемана
- 250 § 42. Магнитный резонанс
- 259 § 43. Эффект Штарка
- 263 § 44. Лэмбовский сдвиг уровней атомных электронов
- 266 § 45. Физический вакуум и объяснение лэмбовского сдвига
270 Глава VI. Атомные системы со многими электронами
- 270 § 46. Принцип тождественности одинаковых частиц. Принцип Паули
- 276 § 47. Объяснение периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева
- 285 § 48. Рентгеновские лучи
- 298 § 49. Атом гелия
- 307 § 50. Химическая связь. Молекула водорода
- 315 § 51. Параводород и ортоводород
- 317 § 52. Молекулярные силы
322 Глава VII. Некоторые макроскопические квантовые явления
- 322 § 53. Возможные состояния частицы в ограниченном объеме
- 324 § 54. Теория Дебая теплоемкости твердых тел
- 331 § 55. Типы связей атомов в твердых телах
- 333 § 56. Колебания атомов в одномерной прямолинейной цепочке
- 340 § 57. Фононы и квазичастицы
- 348 § 58. Энергетические зоны в твердых телах
- 354 § 59. Зонная структура и волны Блоха
- 365 § 60. Сверхтекучесть. Опытные факты
- 373 § 61. Понятие о теории сверхтекучести
- 381 § 62. Понятие о теории сверхпроводимости
390 Глава VIII. Статические свойства атомного ядра
- 390 § 63. Введение
- 400 § 64. Энергия связи ядра
- 410 § 65. Размеры ядра
- 416 § 66. Спин ядра и сверхтонкая структура спектральных линий
- 427 § 67. Влияние спина ядра на эффект Зеемана
- 429 § 68. Измерения спинов и магнитных моментов ядер методом магнитного резонанса. Опытные данные о спинах и магнитных моментах ядер
- 431 § 69. Четность. Закон сохранения четности
- 437 § 70. Электрические свойства и форма ядра
442 Глава IX. Радиоактивность
- 442 § 71. Введение
- 450 § 72. Законы радиоактивного распада
- 455 § 73. Альфа-распад
- 467 § 74. Бета-распад
- 483 § 75. Гамма-излучение ядер и внутренняя конверсия электронов
- 487 § 76. Эффект Мёссбауэра
495 Глава X. Краткие сведения о ядерных моделях
- 495 § 77. Общие сведения
- 498 § 78. Оболочечная модель ядра
510 Глава XI. Прохождение заряженных частиц и гамма-квантов через вещество
- 510 § 79. Введение
- 511 § 80. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество
- 519 § 81. Прохождение легких заряженных частиц через вещество
- 524 § 82. Прохождение гамма-квантов через вещество
- 530 § 83. Другие проявления взаимодействия ядерных частиц с веществом
534 Глава XII. Источники и методы регистрации ядерных частиц
- 534 § 84. Ускорители
- 555 § 85. Источники нейтронов и других нейтральных частиц
- 560 § 86. Детекторы частиц
575 Глава XIII. Ядерные реакции
- 575 § 87. Терминология и определения
- 579 § 88. Законы сохранения в ядерных реакциях
- 587 § 89. Составное ядро
- 590 § 90. Ядерные реакции, идущие через составное ядро
- 594 § 91. Дополнительные сведения о ядерных реакциях
602 Глава XIV. Нейтроны и деление атомных ядер
- 602 § 92. История открытия нейтрона
- 606 § 93. Деление атомных ядер
- 617 § 94. Трансурановые элементы
- 636 § 95. Цепная реакция и ядерные реакторы
- 649 § 96. Природный ядерный реактор в Осло
- 651 § 97. Использование антинейтрино для контроля ядерного реактора
- 654 § 98. Термоядерная проблема
- 669 § 99. Нейтронная оптика
683 Глава XV. Некоторые вопросы астрофизики
- 683 § 100. Источники энергии звезд
- 695 § 101. Некоторые сведения из астрономии
- 699 § 102. Краткие сведения об эволюции звезд
- 716 § 103. Космические лучи
733 Глава XVI. Элементарные частицы
- 733 § 104. Что такое элементарные частицы
- 736 § 105. Классификация элементарных частиц
- 739 § 106. Античастицы
- 742 § 107. Законы сохранения энергии и импульса и их приложения
- 749 § 108. Законы сохранения электрического, лептонных и барионного зарядов
- 753 § 109. Другие законы сохранения и квантовые числа
- 758 § 110. Кварковая модель адронов
766 Таблицы
769 Именной указатель
773 Предметный указатель

Предисловие
ГЛАВА I КВАНТЫ СВЕТА
§ 1. Энергия и импульс светового кванта
§ 2. Фотоэлектрический эффект
§ 3. Эффект Комптона
§ 4. Эффект Допплера при движении источника света в вакууме с фотонной точки зрения
§ 5. Отражение и преломление света в фотонной теории. Фотоны в среде
§ 6. Излучение Вавилова-Черенкова. Эффект Допплера при движении источника света в среде
§ 7. Фотоны в гравитационном поле
§ 8. Некоторые опыты по обнаружению корпускулярных свойств света
ГЛАВА II СТРОЕНИЕ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ И СПЕКТРЫ АТОМА
§ 9. Ядерная модель атома и опыты Резерфорда
§ 10. Определение заряда ядра из рассеяния рентгеновских лучей
§ 11. Спектральные закономерности
§ 12. Постулаты Бора
§ 13. Спектр водорода
§ 14. Экспериментальное подтверждение постулатов Бора
§ 15. Резонансное свечение и люминесценция
§ 16. Принципиальные недостатки теории Бора
ГЛАВА III ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ ВЕЩЕСТВА
§ 17. Гипотеза де Бройля
§ 18. Экспериментальные подтверждения гипотезы де Бройля
§ 19. Статистическая интерпретация волн де Бройля и волновой функции
§ 20. Соотношение неопределенностей
ГЛАВА IV УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА. КВАНТОВАНИЕ
§ 21. Уравнение Шредингера
§ 22. Уравнение Шредингера и квантование
§ 23. Гармонический осциллятор
§ 24. Одномерные, прямоугольные потенциальные ямы
§ 25. Квантование в случае сферически симметричного силового поля
§ 26. Система двух взаимодействующих частиц
§ 27. Квантование водородоподобного атома в сферически симметричном случае
§ 28. Потенциальные барьеры
§ 29. К объяснению контактной разности потенциалов. Холодная эмиссия электронов из металлов
ГЛАВА V ДАЛЬНЕЙШЕЕ НАСТРОЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И СПЕКТРЫ
§ 30. Операторный метод
§ 31. Момент импульса частицы
§ 32. Сложение угловых моментов
§ 33. Квантование водородного атома в общем случае
§ 34. Энергетические уровни и спектральные серии щелочных металлов
§ 35. Магнетизм атомов
§ 36. Опыты Штерна и Герлаха. Спин электрона
§ 37. Эффект Садовского и спин фотона
§ 38. Четыре квантовых числа электрона и тонкая структура спектральных термов
§ 39. Правила отбора при излучении и поглощении света
§ 40. Тонкая структура спектральных линий водорода и щелочных металлов
§ 41. Простой и сложный эффект Зеемана
§ 42. Магнитный резонанс
§ 43. Эффект Штарка
§ 44. Лэмбовский сдвиг уровней атомных электронов
§ 45. Физический вакуум и объяснение лэмбовского сдвига
ГЛАВА VI АТОМНЫЕ СИСТЕМЫ СО МНОГИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ
§ 46. Принцип тождественности одинаковых частиц. Принцип Паули
§ 47. Объяснение периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева
§ 48. Рентгеновские лучи
§ 49. Атом гелия
§ 50. Химическая связь. Молекула водорода
§ 51. Параводород и ортоводород
§ 52. Молекулярные силы
ГЛАВА VII НЕКОТОРЫЕ МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
§ 53. Возможные состояния частицы в ограниченном объеме
§ 54. Теория Дебая теплоемкости твердых тел
§ 55. Типы связей атомов в твердых телах
§ 56. Колебания атомов в одномерной прямолинейной цепочке
§ 57. Фононы и квазичастицы
§ 58 Энергетические зоны в твердых телах
§ 59. Зонная структура и волны Блоха
§ 60. Сверхтекучесть. Опытные факты
§ 61. Понятие о теории сверхтекучести
§ 62. Понятие о теории сверхпроводимости
Именной указатель
Предметный указатель

Теперь мы должны описать законы, или правила, регулирующие возможные сочетания векторов. Прежде всего это сложение векторов. Пусть а это вектор в некоторой системе координат с компонентами другой вектор с компонентами. Теперь составим три новых числа. Образуют ли они вектор? Атомная и ядерная физика. Сивухин Д.В. Мы могли бы сказать: «Разумеется, ведь здесь имеются три числа, а три числа образуют вектор». Нет, не любые три числа образуют вектор! Чтобы получить вектор, нужно связать три числа с некоторой системой координат таким образом, чтобы при повороте системы координат эти три числа «поворачивались» одно относительно другого, «смешивались» согласно правилам, которые мы уже описали. Поэтому вопрос заключается в следующем: если мы поворачиваем систему координат, и при этом переходит в переходит в, во что перейдетПерейдет ли оно в или нет? Атомная и ядерная физика. Сивухин Д.В. Ответ, конечно, да, потому что исходное преобразование, описанное уравнениями, представляет собой то, что мы называем линейным преобразованием. Если мы применим это преобразование чтобы получить мы обнаружим, что преобразованное действительно то же самое. «Складывая» векторы а и b по только что описанному правилу, мы получаем новый вектор. Можно записать это как Вектор с обладает интересным свойством. которое можно получить из его компонентов. Верно также, что Мы можем складывать векторы в любом порядке.Атомная и ядерная физика. Сивухин Д.В. Каков геометрический смысл суммы? Предположим, что изображены в виде прямых линий на листе бумаги. Как при этом будет выглядеть с? Ответ показан на Мы видим, что сложить компоненты а с компонентами проще всего, если расположить прямоугольники, представляющие эти компоненты, так, как показано на рисунке. Поскольку b точно «вписывается» в свой прямоугольник, также как в свой, это будет то же самое, что совместить «хвост» с «головой» , тогда стрелка из «хвоста» а к «голове» будет вектором с. Можно поступить иначе: совместить «хвост» а с «головой. Согласно геометрическим свойствам параллелограмма мы получим тот же результат для с. Заметим, что векторы можно складывать подобным образом без помощи координатных осей. Предположим, что мы умножили некоторый вектор а на некоторое число а, что это означает? Договоримся понимать под этим новый вектор с компонентами. Доказательство того, что это действительно вектор, мы оставляем студентам в качестве задачи.Атомная и ядерная физика. Сивухин Д.В. Теперь рассмотрим вычитание векторов. Мы можем определить вычитание таким же образом, как и сложение, только компоненты не складываются, а вычитаются. Или же мы можем определить вычитание, введя понятие отрицательного вектора, а потом уже сложить компоненты. Оба способа дадут один и тот же результат, показанный на. Из рисунка видно, что заметим также, что, зная, разность легко легко найти из эквивалентного соотношения. Так разность даже легче найти, чем сумму: чтобы получить, мы просто проводим вектор! Теперь обсудим скорость. Почему скорость является вектором? Если положение задается тремя координатами то скорость задается производными. Это вектор или нет? Дифференцируя выражения в, мы можем определить закон преобразования. Мы видим, что компоненты действительно преобразуются по тому же закону. Следовательно, производная вектора является вектором. Значит, скорость есть вектор. Мы можем записать скорость в таком интересном виде: Что такое скорость, и почему она является вектором, можно понять на более ярком примере. Далеко ли передвинется некая частица за короткий промежуток времени? Ответ: на, поскольку, если частица находится «здесь» в один момент времени и «там» - в другой, то разность положений равна вектору и направлена вдоль направления движения, как показано на. Разделив эту разность на промежуток времени получим вектор «средней скорости».Атомная и ядерная физика. Сивухин Д.В. Другими словами, под вектором скорости мы понимаем предел разности радиус-векторов в моменты, деленной на, стремящемся к нулю. Таким образом, скорость - это вектор, потому что она равна разности двух векторов. Это верно также и потому, что компонентами скорости являются. Подумав над этим, мы придем к выводу, что если мы дифференцируем по времени любой вектор, то получаем новый вектор. Атомная и ядерная физика. Сивухин Д.В. Итак, мы имеем несколько способов получения новых векторов: умножением на константу, дифференцированием по времени, сложением или вычитанием двух векторов.