С.А. Казанцев, Е.В. Бурдова
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА И
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Учебное пособие
Допущено Научно-методическим Советом
по физике Министерства образования и науки
Российской Федерации в качестве учебного
пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по техническим
направлениям подготовки и специальностям в
области техники и технологии
Казань
КГТУ 2010
УДК 53(075.8)
ББК 22.3я7
П 50
Кондратьева, О.И.
Волновая оптика и квантовая физика: учебное пособие / <...> Разделы «Интерференция световых волн» и «Дифракция
световых волн» написаны доцентом Кондратьевой О.И., раздел
«Поляризация световых волн» - старшим преподавателем Бурдовой Е.В., разделы «Тепловое излучение», «Фотоэффект» и
«Взаимодействие света с веществом» - доцентом Старостиной И.А., разделы «Квантовая механика», «Атомная физика» и
«Элементарные частицы» - доцентом Казанцевым С.А. <...> Однако ряд явлений, открытых к тому
времени – фотоэффект, тепловое излучение и др. волновая теория света объяснить не смогла. <...> Луч, падающий на границу
раздела двух сред, преломленный луч и нормаль, проведенная к
точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла
падения к синусу угла преломления есть величина постоянная
для двух данных сред (закон Снеллиуса):
sin i
= n 21 ,
sin r
где n21 – относительный показатель преломления второй среды
относительно первой. <...> Явление полного внутреннего отражения
Вещество, имеющее больший абсолютный показатель
преломления, считается оптически более плотным. <...> Экспериментально доказано, что физиологическое, фотохимическое и другие действия света вызываются колебаниями
электрического вектора Е, поэтому он получил название светового вектора. <...> Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью. <...> Волновых поверхностей можно провести бесконечное множество, а волновой фронт для данного момента вре10
мени только один. <...> Гюйгенс предположил,
что каждая точка, до которой дошло волновое возмущение <...>
Волновая_оптика_и_квантовая_физика._Учебное_пособие.pdf
УДК 53(075.8)
ББК 22.3я7
П 50
Кондратьева, О.И.
Волновая оптика и квантовая физика: учебное пособие /
О.И. Кондратьева [и др.]. – Казань: Изд-во Казан. гос.технол.унта.,
2010. -162 с.
ISBN 978-5-7882-0996-8
Рассмотрены основы классической и современной физики
по разделам «Волновая оптика» и «Атомная физика»; дано
последовательное объяснение оптических явлений и закономерностей
поведения микросистем с позиций волновой и квантовой
физики.
Предназначено для студентов заочной и очно-заочной
форм обучения пищевых, полимерных, нефтяных специальностей,
изучающих дисциплину «Физика», а также может быть использовано
для студентов очной формы обучения. Подготовлено
на кафедре физики.
Ил. 64. Библиогр.: 10 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского государственного технологического университета
Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, зам. дир. по науке
института математики и механики КГУ
проф. М.Г. Храмченков
д-р техн. наук. каф. технической физики КГТУ
им А.Н.Туполева проф. А.Х. Каримов
ISBN 978-5-7882-0996-8 © Кондратьева, О.И., Старостина, И.А.,
Казанцев, С.А., Бурдова, Е.В., 2010
© Казанский государственный
технологический университет, 2010
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………3
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………...….4
1. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА………………………………………….6
1.1. Элементы геометрической оптики………………………..6
1.2. Явление полного внутреннего отражения………………..7
1.3. Электромагнитная теория света…………………………..8
1.4. Принцип Гюйгенса………………………………………..10
2. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН…………………….12
2.1. Расчет интерференционной картины……………………12
2.2. Метод Юнга. Получение
интерференционной картины…………………………….15
2.3. Интерференция света в тонких пленках…………………17
2.4. Применение интерференции……………………………..23
3. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА…………………………………………24
3.1. Принцип Гюйгенса-Френеля…………………………..…24
3.2. Метод зон Френеля………………………………………..26
3.3. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске……29
3.4. Дифракция Фраунгофера на прямоугольной щели……..31
3.5. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке…34
3.6. Дифракция рентгеновских лучей………………………...37
3.7. Дисперсия и разрешающая сила спектрального
прибора…………………………………………………….39
4. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА……………………………………...41
4.1. Естественный и поляризованный свет…………………41
4.2.Поляризация света при отражении и преломлении
на границе раздела двух изотропных
диэлектрических сред…………………………………….44
4.3. Поляризация света при двойном лучепреломлении……48
4.4. Поляризация света. Закон Малюса………………………52
4.5. Интерференция поляризованных лучей…………………55
4.6. Искусственная оптическая анизотропия………………...56
4.7. Оптическая активность веществ…………………………59
158
Стр.158
5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ……………62
5.1. Поглощение света…………………………………………62
5.2 Дисперсия света…………………………………………....64
5.3. Отражение и пропускание света.
Окраска тел в природе…………………………………….67
5.4. Рассеяние света…………………………………………....69
6. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТЕЛ………………………………71
6.1. Теплообмен. Правило Прево……………………………..71
6.2. Характеристики теплового излучения…………………...72
6.3. Закон Кирхгофа……………………………………………74
6.4. Законы Стефана-Больцмана и Вина……………………...75
6.5. Квантовый характер излучения…………………………..77
6.6. Пирометрия и пирометры………………………………...80
7. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ…………………………81
8. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ.
СТРОЕНИЕ АТОМА И ЯДРА………………………………..89
8.1. Основные положения квантовой механики.
Модель атома Резерфорда и Бора………………………..89
8.2. Корпускулярно-волновой дуализм свойств
микрочастиц. Гипотеза Луи-де-Бройля………………….95
8.3. Соотношение неопределенностей Гейзенберга…………96
8.4. Вероятностный характер движения частиц.
Задание состояния микрочастицы.
Волновая функция.……………………………………..…98
8.5. Уравнение Шредингера. Стационарное уравнение Шредингера,
стационарные состояния……………………….99
8.6. Частица в потенциальной яме. Квантование энергии
частицы. Туннельный эффект…………………………..101
9. ФИЗИКА АТОМА……………………………………………107
9.1. Электрон в атоме водорода. Энергетические уровни.
Квантовые числа …………………………………….…..107
9.2. Опыт Штерна и Герлаха…………………………………111
9.3. Пространственное распределение электрона в атоме
водорода………………………………………………..113
159
Стр.159
9.4. Спин электрона………………………………………….114
9.5. Многоэлектронный атом. Правила распределения
электронов по орбиталям. Принцип Паули……………116
9.6. Спектры излучения и поглощения атомов.………….....120
9.7. Спонтанное и вынужденное излучение фотонов.
Принцип работы квантового генератора……………....123
10. АТОМНОЕ ЯДРО…………………………………………...126
10.1. Состав ядра. Характеристики ядра……………………126
10.2. Капельная и оболочная модели ядра……………….....127
10.3. Ядерные силы. Механизм взаимодействия
нуклонов………………………………………………….128
10.4. Масса и энергия связи ядра……………………………129
10.5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.
Альфа-, бета-, гамма–излучения………………………..131
10.6. Цепная ядерная реакция деления.
Деление ядер урана……………………………………...134
10.7. Использование энергии ядерных цепных реакций.
Атомная бомба. Ядерный реактор……………………...136
10.8. Проблемы развития энергетики. Свойства
ионизирующих излучений……………………………....138
10.9. Термоядерные реакции. Управляемый
термоядерный синтез…………………………………….139
10.10. Свойства и характеристики ионизирующих
излучений……………………………………………...…141
11. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ………………………...…..142
11.1. Свойства элементарных частиц. Гравитационное,
электромагнитное, слабое и сильное
взаимодействия……………………………………….…142
11.2. Классификация элементарных частиц………………..147
11.3. Современное состояние теории элементарных частиц.
Гипотеза Великого объединения……………………….150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………….156
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………….157
160
Стр.160