Змістовий модуль №4. Тема: «Фізична оптика».

1. Еволюція уявлень про природу світла. Корпускулярна та хвильова теорії світла. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла.

2. Поняття світла, світлового вектора. Електромагнітна теорія світла. Інтенсивність світла.

3. Основні фотометричні величини: тілесний кут, потік випромінювання, енергетична інтенсивність. Модель точкового джерела світла.

4. Сила світла. Поняття ізотропного джерела світла. Яскравість. Закон Ламберта. Світність. Освітленість.

5. Оптичний спектр. Поняття суцільного та лінійчатого спектру. Монохроматичне світло. Крива контуру спектральної лінії. Ширина спектральної лінії.

6. Закони геометричної оптики. Поняття абсолютного та відносного показників заломлення світла, світлового променя, світлового пучка. Явище повного внутрішнього відбиття.

7. Поняття геометричного шляху. Поняття оптичної довжини шляху. Зв’язок поміж геометричним та оптичним шляхом світлової хвилі. Оптична різниця ходу двох хвиль. Принцип Гюйгенса. Принцип Ферма.

8. Оптичні системи та їх характеристики: гомоцентричний пучок, стигматичне та астигматичне зображення, дійсне та уявне зображення, головна оптична вісь системи, параксіальні промені, умова параксіальності. Правила знаків (показати на рисунку).

9. Хід променів у дзеркалах, плоско паралельній пластинці, призмі (показати на рисунках, супроводжуючи відповідними формулами).

10. Рівняння нульового інваріанту Аббе. Поняття фокусу. Формула сферичного дзеркала. Зображення у вгнутому та опуклому дзеркалі. На рисунку показати та пояснити застосування правил побудови зображень у дзеркалах.

11. Рівняння нульового інваріанту Аббе. Поняття фокусу. Формула тонкої лінзи. Оптична сила тонкої лінзи. Збиральні та розсіювальні лінзи. На рисунку показати та пояснити застосування правил побудови зображень у лінзах.

12. Принцип суперпозиції світлових хвиль. Умови когерентності світлових хвиль. Явище інтерференції. Умови інтерференційних максимумів та мінімумів інтенсивності.

13. Способи здійснення інтерференції поділом хвильового фронту. Дослід Юнга (схема, умови). Умови інтерференційних максимумів та мінімумів інтенсивності в досліді Юнга. Поняття ширини інтерференційної смуги.

14. Способи здійснення інтерференції поділом амплітуди. Інтерференція світла при відбиванні від прозорих пластинок та плівок. Інтерферометри.

15. Способи здійснення інтерференції поділом амплітуди. Пластинка змінної товщини (клін). Кільця Ньютона.

16. Явище дифракції. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля (схема). Формули для визначення радіусу зон Френеля у випадку сферичної та плоскої хвилі. Умови переходу від хвильової до геометричної оптики.

17. Дифракційні явища Френеля і Фраунгофера. Дифракція Фраунгофера на щілині. Умови утворення дифракційних мінімумів та максимумів.

18. Дифракційна решітка та її характеристики (рівняння дифракційної решітки, кутова дисперсія, лінійна дисперсія, роздільна здатність). Поняття порядку спектру.

19. Дифракція рентгенівських променів на кристалах. Закон Вульфа-Брегга.

20. Явище поляризації. Види поляризації. Отримання та аналіз поляризованого світла. Явище подвійного променезаломлення. Закони Малюса та Брюстера.

21. Природна та штучна (ефекти Фарадея та Керра) оптична активність. Поглинання світла в середовищі. Закон Бугера-Ламберта. Поняття резонансних частот.

22. Дисперсія світла. Нормальна та аномальна дисперсія. Фазова та групова швидкості світла. Ефект Доплера в оптиці. Поняття «червоного зміщення» в астрофізиці.

23. Природа теплового випромінювання. Властивості рівноважного випромінювання. Поняття чорного випромінювання. Характеристики теплового випромінювання: енергетична світність, випромінювальна здатність (спектральна густина енергетичної світності), коефіцієнти поглинання, пропускання, відбиття.

24. Поняття абсолютно чорного тіла. Правило Прево. Поняття сірого тіла. Закони теплового випромінювання: Кірхгофа, Стефана-Больцмана, Віна.

25. Формула Релєя-Джинса. Поняття «ультрафіолетової катастрофи». Квантова гіпотеза Планка. Формула Планка.

26. Явище фотоефекту та його види. Закони фотоефекту (закони Столєтова). Квантова теорія фотоефекту Ейнштейна. Рівняння Ейнштейна.

27. Поняття рентгенівського випромінювання. Ефект Боте. Ефект Комптона (схема, формули).

28. Тиск світла. Досліди Лебедєва. Квантове пояснення тиску світла. Концепція фотонів та їх характеристики. Гіпотеза де Бройля.

 

Тема: «Квантова фізика».

1. Об’єкт та предмет вивчення квантової механіки. Головні ідеї квантової механіки. Властивості хвиль де Бройля: довжина хвилі, імпульс, фазова та групова швидкості.

2. Імовірнісний зміст хвиль де Бройля. Поняття та властивості хвильової функції. Умова нормування хвильової функції.

3. Проблема вимірювань в квантовій механіці. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга і Бора та їх властивості. Принцип причинності та механічного детермінізму, умови їх застосування в класичній та квантовій механіці. Межі застосування класичної механіки.

4. Хвильове рівняння – рівняння Шредінгера та його властивості. Додаткові умови до рівняння Шредінгера.

5. Стаціонарне рівняння Шредінгера. Власні функції та власні значення.

6. Рух вільної частинки.

7. Електрон у прямокутній нескінченій потенційній ямі. Відповідне рівняння Шредінгера. Крайові умови. Рішення рівняння Шредінгера.

8. Обґрунтування дискретності власних значень енергії електрона у потенціальному «ящику». Поняття квантованих фізичних величин, енергетичних рівнів. Квантове число. Умова квазінеперервності енергетичного спектру. Принцип відповідності Бора.

9. Квантова частинка у сферично симетричному полі. Квантові інтеграли руху. Спіни мікрочастинок.

10. Проходження частинки скрізь потенціальний бар’єр. Тунельний ефект.

11. Лінійний гармонічний осцилятор. Рівняння Шредінгера для лінійного гармонічного осцилятора. Поняття нульової енергії та нульових коливань осцилятора. Вираз для можливих енергії осцилятора. Енергетичні рівні лінійного гармонічного осцилятора.

12. Досліди Резерфорда по розсіянню альфа частинок: схема, зміст. Ідеї та висновки Резерфорда з дослідів. Фізичний зміст порядкового номеру елемента в таблиці Менделєєва. Розміри ядра та атома.

13. Ядерна модель атома Резерфорда та її підтвердження. Поняття орбіти електрона. Спектр електрона в атомі, як осцилятора. Недоліки моделі Резерфорда.

14. Спектри поглинання та випромінювання. Лінійчатий спектр водню. Формула Бальмера. Поняття серії Бальмера. Формула Ридберга. Поняття спектральних термів. Комбінаційний принцип розсіяння Рітца. Спектральні серії атома водню.

15. Теорія Бора для воднеподібних систем. Поняття елементів ізоелектронних водню. Постулати Бора та відповідні їм правила (квантування орбіт, частот).

16. Поняття основного та збудженого станів. Енергія зв’язку електрона в атомі. Енергія іонізації. Поняття та формула для першого борівського радіуса. Висновки та недоліки теорії Бора.

17. Експериментальне підтвердження постулатів Бора: досліди Франка і Герца. Поняття резонансних частот.

18. Воднеподібна система в квантовій механіці. Момент імпульсу електрона. Поняття орбітального квантового числа. Основний стан атома водню.

19. Поняття просторового квантування. Магнітне квантове число. Досліди Штерна і Герлаха. Поняття магнетону Бора.

20. Поняття спіну електрона. Спінове квантове число. Спінове гіромагнітне відношення. Магнітне спінове число.

21. Принцип заборони Паулі: формулювання, співвідношення.

22. Періодична система елементів Д.І.Менделеєва. Періоди. Групи. Поняття валентності. Основні положення періодичного закону.

23. Поняття електронного шару. Порядок заповнення електронних станів в шарах та оболонках.

24. Нормальний та аномальний ефекти Зеємана. Поняття про явище магнітного резонансу.

25. Поняття люмінесценції. Види люмінесценції. Надпровідність.

26. Енергетична схема та принцип дії оптичних квантових генераторів. Поняття інверсного стану. Властивості лазерного випромінювання.

27. Поняття про квантові статистики. Принцип заборони Паулі для ферміонів. Функція розподілу Фермі-Дірака.

28. Поняття про квантові статистики. Системи тотожних квантових частинок: бозони та ферміони.Функція розподілу Бозе-Ейнштейна. Ефект бозе-конденсації.

29. Зона теорія твердих тіл. Поняття про заборонені та дозволені стани. Зонна діаграма. Метали, діелектрики, напівпровідники.

30. Напівпровідники та їх властивості. Енергетична зонна діаграма напівпровідників. Поняття власної та домішкової провідності.

31. Властивості та будова ядер. Заряд, радіус, спін ядра. Масове число. Поняття ізотопів та ізобар. Енергія зв’язку ядер. Дефект мас. Ядерні сили та їх характеристики.

32. Поняття про радіоактивність. Види та властивості. Альфа-распад, бета-распад. Гама-випромінювання. Закони радіоактивного випромінювання.

33. Ядерні реакції та їх властивості. Поняття ланцюгової реакції поділу. Принцип роботи реакторів. Поняття термоядерної реакції.

34. Поняття про елементарні частинки. Взаємне перетворення елементарних частинок. Фундаментальні взаємодії.