MATYSHEV ATOMIC PHYSICS VOLUME 1 Recommended by Scientific and Methodological Council on Physics, affiliated to the Russian Federation Ministry of Science and Education for technical departmentss Saint-Petersburg Polytechnic University Press 2014 А. А. МАТЫШЕВ АТОМНАЯ ФИЗИКА Том 1 Рекомендовано Научно-методическим советом по физике Министерства образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки «Техническая физика» Санкт-Петербург 2014 3 УДК 53(075.8) ББК 22.3я73 М34 Редакционный совет серии «Физика в технических университетах»: Варшалович Д.А., академик РАН, СПбГПУ— председатель; Алферов Ж.И., академик РАН, лауреат Нобелевской премии; Васильев Ю.С., академик РАН, Президент СПбГПУ; Гладун А.Д., профессор МФТИ; Иванов В.К., профессор СПбГПУ; Калашников Н.П., профессор МИФИ; Кожевников Н.М., профессор СПбГПУ — зам. председателя; Крохин О.Н., академик РАН, профессор МИФИ, ФИАН; Морозов А.Н., профессор МГТУ им. <...> РАН, ректор СПбГПУ Р е ц е н з е н т ы: Кандидат физико-математических наук, заместитель директора по науке и заведующий лабораторией молекулярных и атомных пучков Петербургского института ядерной физики РАН В. Ф. <...> Ежов Кандидат физико-математических наук, профессор кафедры физики полупроводников и наноэлектроники СПбГПУ С. Н. <...> Главное внимание уделено экспериментальным основам физики атомов и молекул, а также методам определения мировых констант в области атомной физики. <...> Недогматически написанный двухтомный учебник содержит четыре главы — «Дискретность вещества», «Дискретность электрического заряда», «Дискретность электромагнитного излучения» (том 1) и «Дискретность динамических переменных классической физики» (том 2), а также четыре приложения, помещенных во втором томе. <...> Материал, изложенный в учебнике, максимально облегчает необходимость принятия нерелятивистской квантовой механики в качестве теоретического описания явлений атомного и субатомного масштаба. <...> 1) ISBN 978-5-7422-4208-6 © Матышев А. А., 2014 <...>
Атомная_физика.Том_1.pdf
УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
М34
Редакционный совет серии «Физика в технических университетах»:
Варшалович Д.А., академик РАН, СПбГПУ— председатель;
Алферов Ж.И., академик РАН, лауреат Нобелевской премии;
Васильев Ю.С., академик РАН, Президент СПбГПУ;
Гладун А.Д., профессор МФТИ; Иванов В.К., профессор СПбГПУ;
Калашников Н.П., профессор МИФИ; Кожевников Н.М., профессор
СПбГПУ — зам. председателя; Крохин О.Н., академик РАН, профессор
МИФИ, ФИАН; Морозов А.Н., профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана;
Рудской А.И., член-кор. РАН, ректор СПбГПУ
Р е ц е н з е н т ы:
Кандидат физико-математических наук, заместитель директора по науке
и заведующий лабораторией молекулярных и атомных пучков
Петербургского института ядерной физики РАН В. Ф. Ежов
Кандидат физико-математических наук, профессор кафедры физики
полупроводников и наноэлектроники СПбГПУ С. Н. Лыков
Матышев А. А. Атомная физика. В 2 т. Т. 1 : учеб. пособие / А. А. Матышев.
– СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2014. – 531 с. — (Физика в технических
университетах).
Изложены основы атомной и квантовой физики. Главное внимание уделено
экспериментальным основам физики атомов и молекул, а также методам
определения мировых констант в области атомной физики.
Недогматически написанный двухтомный учебник содержит четыре главы
— «Дискретность вещества», «Дискретность электрического заряда», «Дискретность
электромагнитного излучения» (том 1) и «Дискретность динамических
переменных классической физики» (том 2), а также четыре приложения,
помещенных во втором томе.
Материал, изложенный в учебнике, максимально облегчает необходимость
принятия нерелятивистской квантовой механики в качестве теоретического
описания явлений атомного и субатомного масштаба.
Для контроля знаний в конце каждой из глав приведены задачи, рекомендуемые
для решения.
Табл. 17. Ил. 132.
ISBN 978-5-7422-4209-3 (т. 1)
ISBN 978-5-7422-4208-6
© Матышев А. А., 2014
© СанктПетербургский государственный
политехнический университет, 2014
Стр.4
527
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................................................................... 5
Введение ................................................................................................. 7
Глава 1. Дискретность вещества ...........................................................15
1.1 Развитие атомистических представлений до начала
ХХ века .................................................................................15
1.1.1 Распределение Максвелла по скорости .................... 24
1.1.2 Распределение по длине свободного пробега........... 43
1.1.3 Распределение Больцмана ........................................ 54
1.2 Процессы переноса ..............................................................58
1.2.1 Диффузия ................................................................... 59
1.2.2 Теплопроводность ..................................................... 69
1.2.3 Вязкость ..................................................................... 77
1.3 Окончательная победа атомизма .........................................88
1.3.1 Броуновское движение .............................................. 88
1.3.2 Эксперименты Перрена ............................................ 99
Задачи к главе 1 .........................................................................110
Глава 2. Дискретность электрического заряда ....................................113
2.1 Электролиз ..........................................................................114
2.2 Основные представления теории электролитов................121
2.3 Электролитическая проводимость.....................................132
2.4 Проводимость газов ............................................................142
2.4.1 Несамостоятельный разряд .....................................147
2.4.2 Экспериментальное определение характеристик
газовых ионов ............................................................154
2.5 Катодные лучи. Открытие электрона и делимости
атома ....................................................................................165
Стр.527
528
2.6 Измерение заряда электрона Милликеном .......................175
2.7 Динамика частиц в статических полях ..............................186
2.7.1 Сводка основных результатов релятивистской
динамики .................................................................. 191
2.7.2 Движение заряженных частиц в статическом
однородном магнитном поле................................... 201
2.7.3 Циклотрон ............................................................... 205
2.7.4 Статическое поперечное однородное
магнитное поле как масс-спектрометр
(анализатор отношения е/m) ................................... 209
2.7.5 Движение заряженных частиц в статическом
электрическом поле ................................................. 213
2.8 Первые экспериментальные данные о строении атома ....217
2.8.1 Рассеяние электронов в веществе ........................... 217
2.8.2 Открытие изотопов. Определение истинных
масс атомов .............................................................. 224
2.9 Создание Резерфордом ядерной модели атома .................234
2.9.1 Открытие радиоактивности и идентификация
α-частиц ................................................................... 235
2.9.2 Открытие обратного рассеяния α-частиц
и создание ядерной модели атома ........................... 240
2.9.3 Описание рассеяния α-частиц в рамках
ядерной модели атома .............................................. 246
2.9.4 Экспериментальная проверка формулы Резерфорда.
Определение заряда и размеров ядра .......... 254
2.9.5 Протон и нейтрон. Краткая сводка современных
представлений о структуре материи ........................ 257
2.9.6 Недостаточность законов классической физики
для описания строения атома .................................. 264
Задачи к главе 2 .........................................................................280
Глава 3. Дискретность электромагнитного излучения .........................283
3.1 Открытие рентгеновских лучей .........................................284
3.1.1 Первые результаты, касающиеся природы
рентгеновских лучей ................................................ 290
3.1.2 Завершение дискуссии о природе рентгеновских
лучей победой электромагнитной
точки зрения ............................................................. 308
3.1.3 Рентгеноструктурный анализ .................................. 318
3.1.4 Рентгеноспектральный анализ................................ 348
Стр.528
529
3.1.5 Взаимодействие рентгеновского излучения
с веществом. Биологическое действие
рентгеновских лучей. Защита от лучей ................... 360
3.2 Тепловое излучение и открытие постоянной Планка ..... 369
3.2.1 Характеристики теплового излучения .................... 370
3.2.2 Равновесное тепловое излучение и абсолютно
черное тело............................................................... 378
3.2.3 Закон Кирхгофа ....................................................... 389
3.2.4 Давление равновесного теплового излучения
и закон Стефана-Больцмана ................................... 392
3.2.5 Законы Вина ............................................................ 398
3.2.6 Экспериментальное изучение равновесного
теплового излучения ............................................... 408
3.2.7 Открытие постоянной Планка. Закон излучения
Планка ..................................................................... 413
3.3 Фотонная теория Эйнштейна и ее экспериментальные
подвтерждения ..................................................... 425
3.3.1 Фотоэффект ............................................................. 430
3.3.2 Эффект Комптона как прямое доказательство
существования фотонов .......................................... 447
3.3.3 Обратный эффект Комптона как прямое
доказательство существования фотонов ................ 486
3.3.4 Регистрация единичных электронов и фотонов .... 491
3.4 Интерпретация волновых свойств излучения
в рамках фотонной теории .................................................497
3.4.1 Интерференция и дифракция в фотонной
теории ...................................................................... 501
3.4.2 Интерференционные опыты с единичными
квантами .................................................................. 511
3.4.3 Эффект Доплера в фотонной теории ...................... 517
3.5 Краткая сводка с комментариями основных
положений фотонной теории .............................................519
Задачи к главе 3 .........................................................................524
Стр.529