---

=======================================

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА

Метод Галилея: основан на измерении времени прохождения светом известного расстояния. Не дал точного результата из-за огромной скорости света.

Астрономический метод (Рёмер): основан на наблюдении затмений спутников Юпитера. Разница интервалов между затмениями объясняется изменением расстояния, которое проходит свет.

Преимущества лабораторных методов: прямое измерение, высокая точность, независимость от астрономических явлений.

Метод Физо (1849): используется зубчатое колесо. При определенной скорости вращения луч попадает в зубец и исчезает. По скорости вращения и расстоянию вычисляют скорость света.

Метод Майкельсона (1879, 1926): используется быстро вращающаяся восьмигранная стальная призма-зеркало. Свет проходит 70.7 км. Зная частоту вращения, получил значение 299796 км/с.

Современное значение скорости света в вакууме: c = 299792 км/с = 3*10^8 м/с.

Зависимость скорости света от среды: скорость света в среде v = c/n, где n — показатель преломления. Чем больше n, тем меньше скорость.

========================================

РАЗЛОЖЕНИЕ БЕЛОГО СВЕТА НА ЦВЕТА

Опыт Ньютона (1666): узкий пучок солнечного света через отверстие в ставне направлен на грань стеклянной призмы. На стене появилась цветная полоса.

Спектр (от лат. spectrum — изображение): цветная полоса, получающаяся на экране при прохождении белого света через призму.

Цвета спектра: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный.

Вывод из первого опыта: белый свет является сложным, состоит из пучков различных цветов.

Доказательство Ньютона (вторая призма): вторая призма, повернутая на 180 градусов, снова собирает цветные пучки в белый свет. Вывод: призма не изменяет цвет, а только разделяет.

Вывод о влиянии вещества призмы: призма не влияет на цвет пучка (синее стекло дает синее пятно, красное — красное).

Вывод о преломляемости разных цветов: световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости. Наибольшая преломляемость у фиолетового, наименьшая — у красного.

========================================

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА

Дисперсия (от лат. dispersio — рассеяние): зависимость показателя преломления среды от цвета световых лучей.

Причина дисперсии: n = c/v. У фиолетовых лучей скорость в веществе наименьшая, поэтому они преломляются сильнее. У красных лучей скорость в веществе наибольшая, поэтому они преломляются слабее.

Радуга: возникает из-за дисперсии в каплях воды. Красные лучи попадают в глаз от капелек на большей высоте, поэтому верхняя дуга красная, нижняя — фиолетовая.

Бриллианты: сверкают из-за дисперсии и полного внутреннего отражения. Предельный угол полного внутреннего отражения = 25 градусов.

Цвет предмета: определяется количеством поглощенного и рассеянного света. Способность отражать и поглощать свет зависит от молекулярной структуры вещества.

Правило цвета предмета: предмет отражает лучи того цвета, которым он кажется, остальные поглощает.

Белое тело: рассеивает лучи всех цветов в равной степени.

Черное тело: поглощает практически все падающие лучи.

Голубой цвет неба: синие лучи рассеиваются в атмосфере интенсивнее других.

Условия восприятия цвета: 1) нужен источник света, 2) цвет предмета зависит от цвета источника, 3) цвет предмета зависит от молекулярной структуры.

Роль колбочек и палочек: колбочки отвечают за цветовое зрение, палочки — за сумеречное. Ночью цвета не различаются, потому что работают только палочки.

========================================

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ И ДИФРАКЦИЯ

Опыт Юнга: свет проходит через две близкие щели, за ними наблюдается чередование светлых и темных полос. Вывод: свет имеет волновую природу.

Интерференция: сложение когерентных волн, при котором в одних местах происходит усиление, в других — гашение.

Условие когерентности: волны должны иметь одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Условие интерференционного максимума: Δd = kλ (k = 0, 1, 2, ...).

Условие интерференционного минимума: Δd = (2k+1)λ/2 (k = 0, 1, 2, ...).

Кольца Ньютона: интерференционная картина в виде концентрических колец при прохождении света через плоско-выпуклую линзу на пластинке. Объяснены Юнгом на основе волновой теории.

Интерферометр: прибор, основанный на интерференции. Пучок разделяется на два, проходит разные пути, затем образует интерференционную картину.

Дифракция: огибание волной препятствий.

Условие наблюдения дифракции: размер препятствия должен быть сопоставим с длиной волны. Длина световой волны очень мала (0.38—0.75 мкм), поэтому дифракция заметна только на малых препятствиях.

Опыты Гримальди: размер светлого пятна на экране от отверстия больше размера отверстия — отклонение от прямолинейного распространения.

Закон прямолинейного распространения света выполняется с высокой точностью, если размер отверстия велик по сравнению с длиной волны, а расстояние до экрана невелико.

========================================

ПОПЕРЕЧНОСТЬ СВЕТОВЫХ ВОЛН

Продольные волны: колебания вдоль направления распространения. Могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах.

Поперечные волны: колебания перпендикулярно направлению распространения. Могут распространяться только в твердых телах.

Плоскость поляризации: плоскость, в которой происходят колебания.

Поляризация может существовать только у поперечных волн. У продольных волн поляризации не может быть.

Поляризационный фильтр (поляроид): устройство, пропускающее свет только при совпадении направления колебаний с оптической осью фильтра.

Опыт с двумя поляроидами: если оси параллельны — свет проходит. Если оси взаимно перпендикулярны — свет не проходит. Вывод: свет — поперечная волна.

Естественный (неполяризованный) свет: колебания происходят одновременно во многих плоскостях. Пример: лампа накаливания.

Поляризованный свет: колебания происходят только в одной плоскости.

Закон Малюса (1808): поляризация света возникает при отражении от прозрачных тел.

Поляризационные очки: защищают от бликов, потому что отраженный свет поляризован и не пропускается.

========================================

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТА

Проблема светоносного эфира (до Максвелла): если свет — волна, нужна среда. Если свет — поперечная волна, среда должна быть твердой. Эту среду назвали эфиром. Парадокс: эфир не должен оказывать сопротивления движению планет.

Теория Максвелла: создал теорию электромагнитного поля. Теоретически доказал существование электромагнитных волн, способных распространяться в вакууме. Определил их скорость. Из теории следовало, что электромагнитные волны поперечны.

Опыты Герца: экспериментально открыл электромагнитные волны. Измеренная скорость совпала со скоростью света. Доказал, что электромагнитным волнам присущи отражение, преломление, интерференция и дифракция.

Главный вывод: свет — это электромагнитная волна.

Свет может распространяться в вакууме.

Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, дисперсия, интерференция, дифракция, поляризация.

========================================

ОПЫТЫ С КАТОДНЫМИ ЛУЧАМИ. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА

Законы электролиза Фарадея (1836): масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна прошедшему заряду. Вывод: каждая частица переносит один и тот же заряд.

Термин «электрон» ввел Дж. Стоней (1891) на основе опытов Фарадея.

Катодные лучи: пучки заряженных частиц, возникающие в разрядной трубке между анодом и катодом.

Опыты Томсона (1897): пропускал катодные лучи через электрическое и магнитное поля, по отклонению определил, что они состоят из отрицательно заряженных частиц. Оценил отношение заряда к массе.

Вывод Томсона: отношение заряда к массе не зависит от состава газа в трубке и от материала катода.

Главный вывод Томсона: в состав атомов всех элементов входят одинаковые отрицательно заряженные частицы.

Электрон: мельчайшая частица, носитель электричества.

Рентгеновское излучение (1895): открыто В. Рентгеном. Разрядная трубка, обернутая черной бумагой, испускает неизвестные лучи (X-лучи), которые засвечивают фотопластинку и вызывают свечение экрана.

Свойства рентгеновского излучения: большая проникающая способность (дает теневое изображение скелета кисти).

Природа рентгеновского излучения: электромагнитные волны, которые излучают электроны при торможении при столкновении с анодом.

Биологическое действие рентгеновского излучения: вызывает ожоги кожи, злокачественные опухоли, мутации клеток ДНК.

Защита от рентгеновского излучения: свинцовые экраны, уменьшение времени и дозы.

========================================

ИЗЛУЧЕНИЕ И СПЕКТРЫ

Сплошной спектр: спектр без пустых промежутков, цвета переходят непрерывно. Дают твердые тела, жидкости и плотные газы.

Инфракрасное излучение: область длин волн за красной частью спектра. Испускают все нагретые тела.

Ультрафиолетовое излучение: область перед фиолетовой частью спектра. Обладает сильным физиологическим действием.

Распределение энергии в спектре Солнца: 9% — ультрафиолет, 44% — видимый свет, 47% — инфракрасное излучение.

Линейчатый спектр испускания: спектр из отдельных цветных линий на черном фоне. Дают разреженные газы и пары низкого давления.

Линейчатый спектр поглощения: сплошной спектр, перерезанный темными линиями. Возникает при прохождении света от горячего источника через холодное вещество.

Спектральный анализ: метод определения химического состава вещества по его спектру.

Чувствительность спектрального анализа: позволяет обнаружить примесь массой до тысячной доли микрограмма.

С помощью спектрального анализа открыто 25 новых элементов. Гелий сначала открыли на Солнце (от греч. helios — Солнце), на Земле — через 27 лет.

Зависимость спектра звезд от температуры: чем выше температура звезды, тем на меньшие длины волн приходится максимум излучения.

========================================

КВАНТОВАЯ ГИПОТЕЗА ПЛАНКА

Абсолютно черное тело: физическое тело, которое при любой температуре поглощает все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

Примеры тел, близких к абсолютно черному: сажа, черный бархат, черная бумага. Они являются наиболее интенсивными источниками теплового излучения.

Особенность спектра абсолютно черного тела: существует длина волны, на которую приходится максимум испускаемой энергии.

Проблема: все попытки описать спектр на основе теории Максвелла не удались.

Квантовая гипотеза Планка (1900): излучение испускается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами.

Энергия кванта: E = hν, где ν — частота, h — постоянная Планка.

Постоянная Планка: h = 6.62 * 10^{-34} Дж*с.

Значение гипотезы: революционная идея о прерывистом характере излучения явилась основой квантовой физики.

В начале 20 века большинство физиков считали гипотезу Планка искусственным математическим приемом. Позже она подтвердилась другими явлениями.

Отличие от классической физики: классическая физика считала все волновые процессы непрерывными.

========================================

МОДЕЛИ СТРОЕНИЯ АТОМА. ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА

Модель Томсона (1903, «пудинг с изюмом»): атом — положительно заряженный шар с равномерно распределенным зарядом, внутри вкраплены электроны. Опровергнута.

Опыт Резерфорда (1911): бомбардировка тонкой золотой фольги α-частицами (ядрами гелия, заряд +).

Результаты опыта Резерфорда: 1) подавляющее число α-частиц прошли насквозь без отклонения. 2) некоторые отклонились на малые углы. 3) примерно 1 на 8000 отскочила назад.

Вывод из результатов: α-частица может отскочить назад только при столкновении с массивным и очень малым по размеру образованием внутри атома.

Ядерная (планетарная) модель атома Резерфорда: положительный заряд сосредоточен в центре атома в очень малой области — ядре (размер ≈ 10^{-15} м). В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Электроны движутся вокруг ядра подобно планетам.

Размер ядра: диаметр порядка 10^{-15} м. Ядро меньше атома (10^{-10} м) в 10000 раз.

Недостатки планетарной модели: 1) по классической физике электрон, движущийся с ускорением, должен излучать и упасть на ядро за ≈ 10^{-6} с, но атом устойчив. 2) модель не объясняет линейчатые спектры.

Вывод из противоречий: к явлениям микромира законы классической физики неприменимы.

========================================

ПОСТУЛАТЫ БОРА

Постулаты Бора (1913): датский ученый Н. Бор сохранил планетарную модель, но добавил квантовые правила.

Первый постулат Бора (стационарные состояния): атом может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E_n (n — номер состояния). В этих состояниях атом не излучает и не поглощает энергию.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения (фотон), энергия которого равна разности энергий атома в этих состояниях: hν = E_n — E_m.

Излучение фотона: происходит при переходе электрона с орбиты с более высокой энергией на орбиту с более низкой энергией (E_n > E_m).

Поглощение фотона: происходит при переходе электрона с орбиты с меньшей энергией на орбиту с большей энергией (E_n < E_m).

Энергия атома водорода в основном состоянии (n=1): E_1 = -13.6 эВ. Отрицательное значение означает, что электрон связан в атоме.

Электрон-вольт (эВ): 1 эВ = 1.6 * 10^{-19} Дж — энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 В.

Объяснение линейчатых спектров Бором: спектральные линии возникают при переходах электронов из одних стационарных состояний в другие. Каждый переход дает фотон определенной частоты.

Серии спектра водорода: Лаймана (переходы на n=1), Бальмера (переходы на n=2), Пашена (переходы на n=3), Брэккета (n=4), Пфунда (n=5).

Важное замечание: один электрон излучает только один фотон при одном переходе. Линейчатый спектр — результат переходов во множестве атомов.

Опытное обоснование стационарных состояний: опыты Франка и Герца (1913) подтвердили существование стационарных состояний.

========================================

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Открытие радиоактивности (1896): А. Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают лучи, засвечивающие фотопластинку и ионизирующие воздух.

Термин «радиоактивность» предложила Мария Кюри (1898).

Радиоактивность: способность ядер некоторых химических элементов самопроизвольно испускать излучение и в некоторых случаях превращаться в ядра других элементов.

Открытые радиоактивные элементы: торий (1898), радий и полоний (выделены супругами Кюри из урановой смоляной руды).

Тепловыделение: 1 г радия выделяет 570 Дж теплоты в час. За 6 суток выделяется энергия, достаточная для кипячения 200 г воды.

Классический опыт по изучению состава радиоактивного излучения: препарат радия в свинцовом ящике с прорезью, пучок направляется на фотопластинку.

Опыт в магнитном поле: вся установка помещается в сильное магнитное поле. Сила, действующая на заряженную частицу, определяется по правилу левой руки.

Результат опыта в магнитном поле: на фотопластинке три пятна — центральное и два по разные стороны. Вывод: в излучении есть частицы с положительным, отрицательным зарядом и незаряженные.

Альфа-частицы (α): положительно заряженные частицы. Это лишенный обоих электронов атом гелия (4 сверху, 2 снизу He).

Бета-частицы (β): отрицательно заряженные частицы. Это электроны (e^-).

Гамма-излучение (γ): центральный поток без заряда. Это электромагнитное излучение с очень короткими длинами волн.

Свойства α-частиц: заряд +, масса 4 а.е.м., скорость ≈ 20000 км/с, проникающая способность малая (бумага), отклонение в магнитном поле слабое.

Свойства β-частиц: заряд -, масса ≈ 1/1840 а.е.м., скорость ≈ 200000—280000 км/с, проникающая способность средняя (алюминий 3 мм), отклонение в магнитном поле сильное.

Свойства γ-излучения: заряд 0, масса 0, скорость = c, проникающая способность огромная (свинец 10 см), в магнитном поле не отклоняется.

Биологическое действие радиации: ожоги Беккереля и Пьера Кюри. Архив супругов Кюри до сих пор радиоактивен и хранится в свинцовых контейнерах.

Значение открытия: α-, β- и γ-излучения стали главными инструментами для изучения структуры атома и атомного ядра. Открытие положило начало ядерной физике.

========================================

СОСТАВ АТОМНОГО ЯДРА

Заряд атомного ядра: q = Ze, где Z — порядковый номер, e — элементарный заряд.

Зарядовое число (Z): число, равное порядковому номеру элемента. Связано с зарядом ядра и числом электронов в атоме. Пример: у гелия Z=2, у углерода Z=6.

Протон (1913, Резерфорд): ядро атома водорода, входит в состав ядер всех элементов. Заряд +e = 1.6 * 10^{-19} Кл. Масса > массы электрона в 1800 раз.

Проблема ядра из одних протонов: масса ядра любого элемента больше массы Z протонов. Вывод: в ядре есть другие частицы.

Нейтрон (предположен Резерфордом в 1920, открыт экспериментально): электрически нейтральная частица, масса ≈ массе протона.

Протонно-нейтронная модель ядра (1932, Гапон, Иваненко, Гейзенберг): все ядра состоят из протонов и нейтронов.

Нуклоны (от лат. nucleus — ядро): общее название протонов и нейтронов.

Нуклиды: ядра атомов.

Массовое число (A): общее число нуклонов в ядре = Z + N, где N — число нейтронов.

Число нейтронов: N = A — Z.

Атомная единица массы (а.е.м.): 1/12 массы атома углерода. 1 а.е.м. = 1.66 * 10^{-27} кг.

Обозначение ядра: A сверху, Z снизу, X — символ элемента. Пример: у углерода-12 пишут 12 сверху, 6 снизу, C справа.

Радиус ядра: R = r_0 * A^{1/3}, где r_0 = 1.3 * 10^{-15} м.

Сравнение размеров: атом ≈ 10^{-10} м, ядро ≈ 10^{-14} — 10^{-15} м. Ядро меньше атома в 10000 раз (на 4 порядка). Если ядро увеличить до горошины, атом станет размером с футбольное поле.

Изотопы (от греч. isos — одинаковый, topos — место): ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов. Занимают одно место в таблице Менделеева.

Свойства изотопов: химические свойства одинаковы (одинаковое число электронов), физические свойства различны (масса, радиоактивность).

Изотопы водорода: 1H (протий, 0 нейтронов), 2H (дейтерий, 1 нейтрон), 3H (тритий, 2 нейтрона, радиоактивен). Получены изотопы с числом нейтронов 3, 4, 6.

Тяжелая вода (D2O): вода с дейтерием вместо водорода. Свойства заметно отличаются от обычной воды.

========================================

ФОРМУЛЫ И КОНСТАНТЫ (ВСЕ В ОДНОМ МЕСТЕ)

c = 3*10^8 м/с // скорость света в вакууме приближенно
c = 299792 км/с // скорость света в вакууме точно
v = c/n // скорость света в среде
n = c/v // показатель преломления
q = Z*e // заряд атомного ядра
e = 1.6*10^{-19} Кл // элементарный заряд
1 а.е.м. = 1.66*10^{-27} кг // атомная единица массы
E = h*ν // энергия кванта
h = 6.62*10^{-34} Дж*с // постоянная Планка
1 эВ = 1.6*10^{-19} Дж // электрон-вольт
E_1 (водород) = -13.6 эВ // энергия основного состояния
h*ν = E_n — E_m // второй постулат Бора
ν = (E_n — E_m)/h // частота излучения при переходе
A = Z + N // массовое число
N = A — Z // число нейтронов
R = r_0 * A^{1/3} // радиус ядра
r_0 = 1.3*10^{-15} м // постоянная в формуле радиуса ядра
Δd = k*λ // условие интерференционного максимума (k=0,1,2,...)
Δd = (2k+1)*λ/2 // условие интерференционного минимума (k=0,1,2,...)
предельный угол полного внутреннего отражения для бриллианта = 25°
скорость света в воде в 1.33 раза меньше, чем в воздухе
скорость α-частиц ≈ 20000 км/с
скорость β-частиц ≈ 200000—280000 км/с
скорость γ-излучения = c = 3*10^8 м/с
1 г радия выделяет 570 Дж/час
размер атома ≈ 10^{-10} м
размер ядра ≈ 10^{-14} м — 10^{-15} м