Электромагнитная природа света.

Конспект лекций по физике

Раздел 5

Волновая оптика.

Квантовая оптика.

Физика атома.

Эволюция Вселенной

Д.Н. Пафомов

 

Санкт-Петербург

2012 г

 

Оглавление

 

Волновая оптика................................................................................................................ 4

Электромагнитная природа света. Зависимость между длиной световой волны и частотой электромагнитных колебаний 4

Световой поток, сила света, освещенность, яркость........................................... 5

Принцип Гюйгенса. Законы отражения и преломления света......................... 6

Когерентность и монохроматичность. Интерференция света.......................... 9

Дифракция света в щели и в дифракционной решетке..................................... 11

Понятие о поляризации света.................................................................................. 13

Понятие о голографии................................................................................................ 15

Дисперсия света. Разложение белого света призмой. Цвета тел. Виды спектров. Спектральный анализ 18

Электромагнитное излучение в различных диапазонах длин волн.

Понятие о парниковом эффекте............................................................................... 20

Оптические приборы.................................................................................................. 21

Зеркала…………………………………………………………………………21

Линзы…………………………………………………………………………..25

Квантовая физика. Квантовая оптика..................................................................... 29

Квантовая гипотеза Планка. Распределение энергии в спектре излучения 29

Лазер………………………………………………………………………… 31

Внешний фотоэффект и его законы. Внутренний фотоэффект. Применение фотоэффекта в технике. Давление света. 36

Физика атома................................................................................................................... 39

Радиоактивность. Опыты Резерфорда. Планетарная модель

атома. Постулаты Бора............................................................................................ 39

Экспериментальные методы регистрации заряженных частиц................... 41

Биологическое действие радиоактивных лучей................................................ 42

Состав ядер. Общие сведения об элементарных частицах.

Ядерные силы. Дефект массы. Энергия связи..................................................... 43

Деление тяжелых атомных ядер............................................................................. 45

Эволюция Вселенной....................................................................................................... 48

Термоядерный синтез. Эволюция звезд................................................................ 48

Понятие о космологии. Строение и развитие Вселенной................................ 51

 

А н н о т а ц и я

 

 

Настоящий конспект лекций разработан на факультете среднего профессионального образования Санкт-Петербургского университета информационных технологий, механики и оптики, рассмотрен предметно-цикловой комиссией естественнонаучных дисциплин и рекомендован для использования в учебном процессе факультета.

Конспект лекций предназначен для студентов учреждений среднего профессионального образования, закончивших не менее 9 классов общеобразовательной школы.

В конспекте рассмотрены следующие темы: волновая оптика, квантовая оптика, физика атома и понятие об эволюции Вселенной. Полнота изложения тем соответствует требованиям программы средней школы.

 

 

Волновая оптика

Электромагнитная природа света.

Световой поток, сила света, освещенность, яркость

 

Лучистый поток, создающий у людей световое ощущение, выражать в ваттах очень неудобно, т.к. человеческий глаз обладает разным световым восприятием различных длин волн (вспомните светофор). Лучше всего воспринимается оранжевый цвет. Поэтому для оценки действия излучения на глаз человека пользуются понятием световой поток.

Световым потоком Ф называют ту часть потока излучения, которая вызывает в глазу ощущение света и оценивается по световому ощущению.

Величину, характеризующую зависимость светового потока от направления излучения, называется силой света J.

где Ω - телесный угол.

В системе СИ единица силы света является шестой основной единицей и называется кандела (латинский - свеча) (кд).

1 кандела – 1/60 часть силы света, создаваемой 1 см² плоской поверхности платины при температуре ее затвердевания (2046 К) по направлению перпендикуляра к этой поверхности.

Единица измерения светового потока:

Ф = 1кд ср=1 лм (люмен). Здесь ср – стерадиан – телесный угол. 1 люмен соответствует лучистому потоку в 0,00161 Вт при λ=555 нм (зеленый).

Т.к. полный телесный угол содержит 4π стерадиан, то полный поток, испускаемый точечным источником света:

При равномерном распределении падающего на поверхность светового потока величину светового потока, проходящего через единицу поверхности, называют освещенностью.

; [ ]=1 лм/1 м²=1 лк (люкс) (от латинского - свет).

Яркостью называют отношение: ; [ ]=1 kд/1 м²=1 нт (нит). нт – наименьшая яркость, на которую реагирует глаз человека, при 10⁵ нт в глазу возникают болезненные ощущения.

 

Принцип Гюйгенса.

Лучи падающий и отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности, восстановленным из точки падения луча.

2. Угол отражения луча равен углу его падения i = a.

Интерференция света

 

Рассмотрим свойства света, которые могут быть объяснены только волновой природой света. Допустим, на поверхности воды распространяются волны, идущие из 2-х различных точек. Мы наблюдаем их суперпозицию (наложение).

Если волны от разных точек идут с разной частотой, то в каждой точке наблюдения нельзя получить устойчивую картину результирующих колебаний. Устойчивая картина возникает при суперпозиции волн с абсолютно одинаковыми частотами колебаний.

Источники волн, колеблющиеся с одинаковой частотой и в течение всего времени сохраняющие постоянную разность фаз, называются когерентными источниками. Волны, создаваемые такими источниками, являются когерентными.

Явление взаимного усиления и ослабления колебаний в разных точках среды в результате наложения когерентных волн называется интерференцией.

При наложении когерентных волн с противоположными фазами в какой-либо точке среды амплитуда результирующего колебания равна разности амплитуд накладывающихся колебаний. В случае наложения волн с одинаковыми фазами амплитуда результирующего колебания точки будет равна сумме амплитуд накладываемых колебаний.

Возьмем 2 когерентных источника света A и B с одинаковыми фазами (рисунок 5).

Для определения амплитуды колебания в точке С находят разность волновых путей до интересующей точки С: ВС-АС=ВD (причем АС=DС) и определяют, сколько длин полуволн укладывается в этой разности (ВD).

Если в разности волновых путей (отрезке BD) уложиться нечетное число полуволн, то волны в точку С приходят в противофазе и в точке С произойдет максимальное ослабление колебаний.

Если в разности волновых путей (отрезке ВD) уложиться четное число полуволн (то есть целое число длин волн), то волны в точку С приходят в фазе и в точке С произойдет максимальное усиление колебаний.

В оптике когерентными могут быть только лучи, создаваемые одним и тем же источником света. Для создания интерференции света нужно лучи от одного источника света наложить друг на друга с помощью какого-либо оптического устройства: призмы (рисунок 6), зеркала или клинообразной пленки.

S

О

D

Если источник S сделать в виде узкой светящейся щели, перпендикулярной плоскости рисунка, то на экране D будут видны чередующиеся темные и светлые полосы (рисунок 7).

Рисунок 7. Картина интерференции на экране

Рисунок 6. Создание интерференции с помощью призмы

О

Наиболее отчетливая картина интерференции на экране D получается, если источник света создает монохроматическое излучение. Монохроматическим называется излучение с одной определенной частотой, создающей один цвет.

Такое излучение можно получить с помощью светофильтров – стекол, пропускающих только один цвет. Все остальные цвета эти стекла поглощают.

В точке О экрана будет видна светлая полоса, т.к. в этом месте когерентные лучи будут накладываться с одинаковыми фазами (как считаете, почему?). При удалении от центральной светлой полосы О экрана разность волновых путей возрастает и когда она достигает λ/2, на экране с обоих сторон от центральной полосы О получаются темные полосы. Когда разность волновых путей достигнет λ, то на экране с обоих сторон от центральной полосы О снова появляются светлые полосы и т.д.Расстояние между светлыми полосами (или темными) прямо пропорционально длине волны света λ: чем меньше λ, тем меньше это расстояние.

В науке и технике интерференция света широко используется для точных измерений, например определения качества обработки поверхности (шлифовки). С помощью интерференции была измерена длина эталонного метра. В результате метром в настоящее время называют длину, в которой длина волны оранжевых лучей, испускаемых атомами криптона, укладывается 1 650 763,73 раза.

 

Понятие о поляризации света

 

Третьим признаком волновой природы света служит явление поляризации. Естественный солнечный свет не поляризован, т.е. электромагнитные колебания в плоскости, перпендикулярной к лучу, происходят по всем направлениям и ни одно из них не имеет преимущества перед другими (рисунок 11,а).

 

 

 

Рисунок 11. Поляризация света

 

Если колебания всех точек в поперечной волне, расположенных на одном луче, происходят в одной плоскости, то эту волну называют плоскополяризованной, а плоскость, перпендикулярную к направлению колебаний, называют плоскостью поляризации волны. На рисунке 11,б изображена частично поляризованная световая волна, а на рисунке 11,в – полностью поляризованная световая волна.

Прибор, с помощью которого определяют, поляризована или нет проходящая через него волна, называют анализатором. Прибор, при прохождении через который неполяризованная волна превращается в поляризованную, называется поляризатором.

Поляризованными могут быть только поперечные волны.

Световые лучи можно поляризовать, например, с помощью кристаллов турмалина (рисунок 12). Турмалин является поляризатором из-за анизотропии – поглощения излучений с колебаниями одного определенного направления и не поглощение колебаний в противоположном направлении. Это свойство называется дихроизмом.

 

 

Опыты показали, что:

- световое излучение является поперечными волнами;

- у естественного луча света колебания в плоскости перпендикулярной к лучу происходят по всем направлениям и ни одно из них не имеет преимущества перед другими;

- кварц и сахар поворачивают плоскость колебаний вектора Е пропорционально пройденному пути;

- если поляризованный луч распространяется вдоль линий индукции магнитного поля, то его плоскость поляризации поворачивается;

- при отражении и преломлении лучей на границе двух прозрачных сред поляризуются как отраженный, так и преломленный лучи. Преломленный луч поляризуется всегда частично. Для отраженного луча всегда существует одно направление, в котором он полностью поляризуется. Для этого необходимо, чтобы и , где:

a - угол падения, а b - угол преломления луча. При этом условии наблюдается и наибольшая поляризация преломленного луча.

 

Понятие о голографии

 

Одним из практических применений волновых свойств света является голография (греч. «голос» - полный, «графи» - пишу). Принципы голографии сформулировал Д. Габор в 1948 году. Суть идеи состояла в фиксировании полной информации о предмете – не только по амплитуде света, но и по его фазе. С появлением лазеров в 1960 году, обладающих когерентностью излучения, голографический метод записи информации стал реальностью.

Голографический метод состоит из двух этапов. На первом этапе получают голограмму – интерференционную картину, возникающую на фотопластинке при сложении двух когерентных пучков света.

Один из них (рисунок 13) отражается от зеркала (опорный пучок), а другой от предмета (сигнальный или предметный пучок). Оба этих потока образуют на фотопластинке интерференционную картину, представляющую собой чередование светлых и темных пятен. После обработки фотопластинки те участки голограммы, где фазы двух пучков совпадали, окажутся наиболее прозрачными. Темные участки голограммы образовались пучками, накладывающимися в противофазе. Голографическое изображение предмета на фотопластинке совершенно не соответствует внешнему виду предмета.

 

Рисунок 13. Создание интерференционной картины на пластинке

 

Для восстановления голограммы ее освещают таким же когерентным излучением (рисунок 14).

 

 

Рисунок 14. Получение

изображения от

голографической пластинки

 

На прозрачных и непрозрачных участках голограммы, как на дифракционной решетке, происходит дифракция когерентного излучения. В результате получаются два изображения – мнимое и действительное. Глядя сквозь голограмму, как сквозь окно, мы видим мнимое изображение, образованное дифракционным спектром первого порядка.

Свойство голограмм и их использование. На голограмме фиксируется не только амплитуда, но и фаза волн. Практически на каждую точку поверхности фотопластинки падает излучение, отраженное от всех точек предмета. Поэтому изображение предмета можно получить по любой достаточно малой части голограммы, но худшего качества, чем от полной голограммы. Если при восстановлении голограммы пользоваться когерентными волнами с l₁ >l_излуч., то изображение будет увеличено в раз. В настоящее время разрабатываются рентгеновские голографические микроскопы. В них голограммы будут создаваться рентгеновскими лучами с длиной волны l» 1нм, а восстанавливаться видимым светом. Общее увеличение таких микроскопов составит 10⁵ – 10⁶ раз, что в тысячу раз лучше оптических микроскопов. С помощью голографии можно увидеть картину звуковых колебаний, можно фиксировать вибрации и деформации в работающих узлах машин

Объемные голограммы. В 1962 году Денисюк разработал метод создания объемных голограмм. Толстослойная фотоэмульсия освещается с двух сторон опорным и отраженным от объекта пучками, идущими навстречу друг другу. В фотоэмульсии возбуждается система стоячих волн, которые создают интерференционное изображение в виде системы плоскостей, образованных в пучностях стоячих волн. Особенность таких голограмм в том, что восстановить изображение можно немонохроматическим светом (например, солнечным). Для получения максимума интерференционной картины необходима разность хода лучей, равная целому числу длин волн. Поэтому, если осветить голограмму солнечным светом, голографическое объемное изображение возникнет только для тех волн, для которых справедливо вышеуказанное условие интерференционного максимума. Голограмма сама из всего спектра выделит длины волн, удовлетворяющие этому условию.

 

Оптические приборы

 

Зеркала

 

Плоское зеркало. Построение изображения в плоском зеркале основано на использовании закона отражения света. Пусть над плоским зеркалом находится точечный источник света S, освещающий зеркало (рисунок 16).

Рассмотрим лучи 1 и 2. Они, отражаясь, попадают на хрусталик глаза, который собирает лучи 1и 2 в точке S'' на сетчатке глаза. Нашему глазу будет казаться, что он видит источник света в точке S'. Изображение, которое получается за счет пересечения не самих лучей, а их продолжений, называется мнимым.

Такое название связано с тем, что в точку S' энергия света не попадает. Это позволяет видеть мнимое изображение, заглянуть в «зазеркалье».

Рисунок 16. Построение изображения в плоском зеркале

Сферическое зеркало. Если взять в качестве отражающей поверхности часть внутренней или внешней поверхности зеркальной сферы, то получится сферическое зеркало. Его основные параметры (рисунки 17,а,б):

 

 

- Оптический центр (центр сферы О).

- Главная оптическая ось ОС.

- Главный фокус .

- Фокусное расстояние .

- Оптическая сила Ф.

 

Рисунок 17. Сферическое зеркало

 

Фокусом F называется точка на главной оптической оси ОС (рисунок 17), через которую проходит после отражения от зеркала луч (или его продолжение), падавший на зеркало параллельно главной оптической оси ОС. Найдем положение фокуса. Луч КМ параллелен ОС. Треугольник OFM – равнобедренный. Тогда

Фокусное расстояние .

Если учесть, что , то .

Из последнего выражения следует, что в сферическом зеркале имеет место сферическая аберрация – зависимость фокусного расстояния от ширины пучка лучей h.

Для параксиального пучка h << R фокусное расстояние не зависит от h: .

Оптическая сила зеркала Ф – величина, обратная фокусному расстоянию .

Для выпуклого зеркала фокус F – мнимый и поэтому фокусное расстояние f принято считать отрицательным числом, т.е. . Поэтому и оптическая сила выпуклого зеркала Ф – число отрицательное.

Построение изображения в сферическом зеркале.

Для построения изображения в сферическом зеркале следует выбрать любые два луча из трех стандартных:

- луч, проходящий через оптический центр зеркала (центр сферы О). После отражения этот луч опять проходит через центр сферы О;

- луч, падающий на зеркало параллельно главной оптической оси. После отражения этот луч (или его продолжение) проходит через фокус зеркала F;

- луч, проходящий через фокус зеркала. После отражения луч идет параллельно главной оптической оси.

В выпуклом зеркале изображение мнимое, прямое и уменьшенное при любом положении предмета (рисунок 18).

Рисунок 18. Построение изображения в сферическом выпуклом

и вогнутом зеркале.

В вогнутом зеркале, если предмет расположен между фокусом и зеркалом, изображение получается мнимое, прямое и увеличенное (рисунок 18).

Рисунок 19. Построение изображения в сферическом вогнутом зеркале

Если предмет расположен дальше оптического центра О вогнутого сферического зеркала, то образуется действительное, перевернутое и уменьшенное изображение между фокусом и центром зеркала (рисунок 19).

;

- расстояние от предмета до зеркала,

- расстояние от изображения до зеркала.

Формула сферического зеркала: .

При расчете по этой формуле следует учесть, что расстояния до предмета и действительного изображения – положительные величины, а расстояние до мнимого изображения – величина отрицательная. Фокусное расстояние f и оптическая сила Ф вогнутого зеркала – величины положительные, а выпуклого – отрицательные.

 

 

Линзы.

 

Линза – это прозрачное стеклянное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями с радиусом кривизны R₁ и R₂. Одна из поверхностей линзы может быть плоской. По форме ограничивающих поверхностей различают 6 основных типов линз (рисунок 20): двояковыпуклая (а), плосковыпуклая (б), вогнуто-выпуклая (в), двояковогнутая (г), плосковогнутая (д) и выпукло-вогнутая (е).

Прямая линия, на которой лежат центры обеих сферических плоскостей, называется главной оптической осью. У тонких линз (толщина которых значительно меньше их радиусов) существует точка С, проходя через которую луч не преломляется. Эта точка называется оптическим центром линзы (рисунок 21).

Любая прямая, проходящая через оптический центр линзы С, называется побочной оптической осью. Плоскость, проходящая через центр тонкой линзы перпендикулярно главной оптической оси,

называется главной плоскостью линзы.

Если на стеклянную линзу, находящуюся в воздухе, направить параксиальный пучок света вдоль главной оптической оси, то у вогнуто-выпуклой линзы (рисунок 21) пучок собирается в точке F,

называемой главным фокусом. Такие линзы относятся к собирающим линзам. Если такой же пучок направить на выпукло-вогнутую линзу (рисунок 20,е), то пучок света рассеивается так, что лучи как будто исходят из точки F, которую называют мнимым главным фокусом рассеивающей линзы (рисунок 22). Пучок света, направленный на собирающую линзу параллельно побочной оптической оси, собирается в побочном фокусе. Все побочные фокусы лежат в фокальной плоскости, проходящей через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси. У рассеивающей линзы можно тоже построить мнимую фокальную плоскость.

 

Недостатки линз

1. Сферическая аберрация при непараксиальном пучке (аналогично зеркалу). Для получения параксиального пучка применяют диафрагму. сужающую пучок. Одновременно с этим уменьшается энергия пучка и освещенность изображения. Другим способом ослабления сферической аберрации является подбор такой пары линз (одна из которых рассеивающая, а другая – собирающая), чтобы их аберрации существенно компенсировались.

2. Хроматическая аберрация.

Рисунок 23. Хроматическая аберрация

Из-за дисперсии в линзе белый свет разлагается на спектр. При этом красные лучи, преломляясь слабее, фокусируются дальше от центра линзы, чем синие (рисунок 23). В результате изображение в линзе оказывается размытым и окрашенным. Исправить хроматическую аберрацию можно

Рисунок 24. Устранение аберраций

с помощью двойной линзы, подобрав сорта стекол с разной дисперсией. Такие линзы называются ахроматами.

3. Аберрации возникают при падении на линзу лучей

 

под большим углом к главной оптической оси.

Устранение этих аберраций возможно путем подбора системы из нескольких (до десятка) линз, каждая из которых компенсирует недостатки других (рисунок 24).

 

Формула линзы

Из подобия треугольников A'B'F' и F'MC, а также треугольников ABF и FCN (рисунок 25) следует: .

Поперечное увеличение . Выражение называется формулой Ньютона. Так как и то из формулы Ньютона следует: . Разделив обе части равенства на , получим формулу линзы: .

Формула линзы аналогична формуле сферического зеркала. Следует учитывать знаки входящих в формулу величин. Принято считать фокусное расстояние собирающей линзы положительным числом, а фокусное расстояние рассеивающей линзы – отрицательным. Расстояние от предмета до линзы и от действительного изображения до линзы считают положительным числом, а расстояние от линзы до мнимого изображения - отрицательным числом.

Для двояковыпуклой линзы с одинаковыми радиусами кривизны фокусное расстояние: , где

n₂ - показатель преломления вещества линзы;

n₁ - показатель преломления окружающей среды

Оптическая сила двояковыпуклой линзы: .

 

 

 

 

Квантовая гипотеза Планка.

В технике. Давление света.

 

Влияние излучения на электрические явления называется фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом).

Если электроскоп зарядить отрицательно, то при облучении ультрафиолетовыми лучами он быстро разряжается. Было установлено, что при облучении вылетают отрицательные заряды.

Внешним фотоэффектом называется вылет электронов из вещества под действием падающего на него излучения.

Русский ученый Столетов исследовал внешний фотоэффект и установил, что внешний фотоэффект возникает даже при очень небольшом напряжении между электродами (рисунок 33).

Ф - световой поток

 

 

Рисунок 33. Опыт Столетова

 

С увеличением напряжения фототок I сначала растет, а потом становится постоянным, называемым фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, выбитые световым потоком Ф из катода А, достигают анода В.

1-й закон внешнего фотоэффекта: Фототок насыщения прямо пропорционален падающему на катод световому потоку.

2-й закон внешнего фотоэффекта: Максимальная кинетическая энергия выбиваемых излучением электронов не зависит от интенсивности излучения, а определяется только его частотой (или длиной волны λ) и материалом катода. Энергия кванта , полученная электроном, частично затрачивается на работу выхода электрона из материала катода А_ВЫХ. Оставшаяся часть энергии кванта превращается в кинетическую энергию электрона Е_К.

С уменьшением частоты излучения кинетическая энергия выбитых электронов уменьшается и при достаточно малой частоте фотоэффект исчезает так как . При этом говорят, что существует красная граница фотоэффекта для данного материала. Красная граница – это частота электромагнитных колебаний, при которой фотоэффект исчезает.

3-й закон внешнего фотоэффекта: красная граница фотоэффекта определяется только материалом катода и не зависит от интенсивности излучения.

Внутренний фотоэффект. Было замечено, что при облучении полупроводников их сопротивление уменьшается. При облучении полупроводников валентные электроны поглощают проникающие в полупроводник фотоны и переходят в свободное состояние. Образуются пары носителей заряда: электрон-дырка.

Генерация пар носителей зарядов в полупроводнике, происходящая вследствие облучения полупроводника, называется внутренним фотоэффектом.

При внешнем фотоэффекте электроны вырываются из вещества наружу, а при внутреннем фотоэффекте остаются внутри вещества.

 

Физика атома

Планетарная модель атома. Постулаты Бора

 

Английский физик Резерфорд заложил основы учения о радиоактивности и строении атома.

Радиоактивностью называется явление непрерывного излучения ураном без каких-либо внешних воздействий.

Резерфорд поместил радиоактивное излучение в магнитное поле, в результате чего излучение разделилось на 3 части (рисунок 35). Резерфорд установил, что две части излучения являются корпускулярными и назвал их α и β-лучами. β-лучи являются потоком быстро летящих электронов, а α-лучи – поток положительно заряженных частиц, представляющих собой дважды ионизированные атомы гелия.

γ-лучи не отклоняются в магнитном поле и представляют собой очень короткие электромагнитные волны.

Радиоактивное излучение возникает при распаде ядер атомов радиоактивных элементов.

Рисунок 35. Опыт Резерфорда

При распаде ядер радиоактивного изотопа какого-либо элемента образуются ядра изотопов других элементов.

Изотопы – это разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в таблице Менделеева, но отличающиеся массами атомов за счет различного числа нейтронов. Так для Не (гелия) число нейтронов может колебаться от 1 до 6.

Для того, чтобы атом одного химического элемента превратился в атом другого элемента должен измениться заряд Z ядра атома. При испускании α-частицы заряд становится (Z-2) (например, из ядер атома радия образуются ядра атомов радона). При испускании β-частицы заряд становится (Z+1).

Правило смещения: При испускании α-частицы химический элемент перемещается в таблице Менделеева на 2 места влево, а при испускании β-частицы – на 1 место вправо.

После испускания α или β-частиц атомное ядро часто оказывается в возбужденном состоянии и, переходя на более низкий энергетический уровень (в нормальное состояние), излучает γ-квант.

Изучая рассеяние α-частиц при прохождении их через вещество, Резерфорд пришел к выводу, что в центре атома существует массивное положительно заряженное ядро. В 1911 году он предложил планетарную модель атома, представляющую собой подобие Солнечной системы: в центре атома находится положительно заряженное ядро, а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Заряд ядра равен числу электронов, находящихся на орбитах.

Модель атома Резерфорда не объясняла существование спектральных линий, т.е. строго определенных длин волн излучения и поглощения атомов. Нельзя было также на ее основе объяснить и устойчивость самого атома.

Датский ученый Нильс Бор развил модель атома Резерфорда, введя идеи квантовой теории в виде 3 постулатов:

1) Электроны могут двигаться вокруг ядра атома только по строго определенным орбитам, соответствующим одному из энергетических уровней атома.

2) Когда электрон движется по одной из разрешенных орбит, атом находится в устойчивом состоянии, т.е. не излучает и не поглощает энергию.

3) Когда электрон перескакивает с одной из дозволенных орбит на другую, более близкую к ядру, атом испускает квант энергии (фотон) в виде излучения, частота которого определяется формулой Планка.

Из постулатов Бора следует, что величина кванта, испускаемого атомом при переходе из одного устойчивого состояния в другое, равна разности энергии атома в этих двух состояниях. Теория Бора с большой точностью объяснила спектр атома водорода и объяснила природу атомных спектров. Впоследствии была создана квантовая механика, включающая в себя теорию Бора как частный случай.

 

Частиц

 

При изучении радиоактивных явлений необходимо иметь приборы, которые должны регистрировать попадание в них каждой заряженной частицы или делать видимой траекторию ее движения.

Простейший прибор для регистрации частиц - сцинтиллятор (от латинского сцинтилляцио – вспышка, сверкание). При попадании на него заряженных частиц на экране возникали вспышки.

Счетчик Гейгера. Первый прибор для подсчета заряженных частиц был изобретен Гейгером в 1908 году (рисунок 36). Цилиндр заполнен разряженным газом (аргоном). При попадании в камеру частицы с большой энергией происходит ионизация атомов газа на пути движения этой частицы, и между цилиндром и нитью возникает электрический разряд. На сопротивлении R1=10⁹ Ом выделяется напряжение, которое через цепочку CR2 подается в виде импульса в усилитель. Счетчик подсчитывает число импульсов за определенный промежуток времени.

Окно

Полый металлический цилиндр

Металлическая нить

C

 

 

R1 R2

 

 

1500 В

 

 

Рисунок 36. К принципу действия счетчика Гейгера

 

Камера Вильсона (рисунок 37) позволяет увидеть и сфотографировать траекторию заряженных частиц. В камеру вводится небольшое количество воды и спирта. При быстром опускании поршня смесь адиабатически расширяется, охлаждается и в камере оказывается воздух с перенасыщенными парами.

 

Прозрачная часть камеры

Крупинка урановой соли

 

 

Поршень

 

Рисунок 37. К принципу действия камеры Вильсона