Общее·количество·просмотров·страницы

понедельник, 20 июня 2016 г.

1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ


Законы постоянного тока
  1. Условия возникновения тока. ЭДС источника тока. Напряжение.
  2. Обобщенный закон Ома в интегральной и дифференциальной формах.
  3. Правила Кирхгофа.
  4. Закон Джоуля-Ленца. КПД источника тока.

Классическая теория электропроводности. Элементы квантовой теории проводимости и квантовой статистики
  1. Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Видемана-Франца.
  2. Недостатки классической электронной теории проводимости.
  3. Энергетические зоны в кристаллах.
  4. Собственная и примесная проводимости полупроводников. Квазичастицы – электроны проводимости и дырки.
  5. (p-n) – переход. ВАХ (p-n) перехода.
  6. Контактные явления. Эффект Зеебека. Эффект Пельтье. Эффект Томсона.

Магнитное поле
  1. Релятивистская природа магнитного поля.
  2. Магнитная индукция. Магнитное поле тока.
  3. Закон Био-Савара-Лапласа для расчета магнитных полей линейного и кругового токов.
  4. Виток с током в однородном и неоднородном магнитных полях. Магнитный момент витка с током.

Действие магнитного поля на токи и свободные заряды
  1. Взаимодействие параллельных токов. Закон Ампера.
  2. Магнитное поле движущегося заряда. Сила Лоренца.
  3. Движение заряженных частиц в магнитном поле.
  4. Эффект Холла. Применения эффекта Холла.

Работа в магнитном поле. Магнитные цепи
  1. Магнитный поток. Теорема Остроградского-Гаусса для В
  2. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
  3. Циркуляция В . Закон полного тока для магнитного поля в вакууме и его применение к расчету магнитного поля тороида и соленоида.
  4. Магнитные цепи.


Электромагнитная индукция
  1. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея).
  2. Закон Ленца.
  3. Закон электромагнитной индукции и его вывод из закона сохранения энергии, также на основе электронной теории.
  4. Само- и взаимоиндукция. Индуктивность.
  5. Токи при замыкании и размыкании цепи.
  6. Энергия магнитного поля.
Магнитное поле в веществе
  1. Микро- и макротоки. Магнитные моменты атомов.
  2. Элементарная теория диа- и парамагнетизма.
  3. Механизмы намагничивания. Интенсивность намагничивания.
  4. Закон полного тока для магнитного поля в веществе.
  5. Напряженность магнитного поля.
  6. Магнитная проницаемость среды.
  7. Природа ферромагнетизма. Домены.
  8. Кривая намагничивания.
  9. Зависимость магнитной восприимчивости от температуры. Точка Кюри.

Основы теории Максвелла для электромагнитного поля
  1. Ток смещения.
  2. Уравнение Максвелла в интегральной и дифференциальной формах и их физический смысл.

Электрический колебательный контур, переменный ток.
  1. Электрический колебательный контур.
  2. Свободные, затухающие и вынужденные электромагнитные колебания.
  3. Переменный ток. Резонанс в цепи переменного тока.

ОПТИКА, ФИЗИКА АТОМА, ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Геометрическая оптика


  1. Границы применимости геометрической оптики.
  2. Основные положения и законыгеометрической оптики.
  3. Распространение света внеоднородных средах.
  4. Оптические элементы и системы.
  5. Оптические абберации.

Электромагнитные волны


  1. Уравнения Максвелла.
  2. Электромагнитные волны и их свойства. Уравнение электромагнитной волны. Длина волны, волновой вектор.
  3. Свет как электромагнитная волна. Шкала электромагнитных волн.
  4. Фазовая и групповая скорости и связь между ними.




Интерференция света
  1. Интерференция света. Условия наблюдения интерференционной картины.
  2. Пространственная и временная когерентности.
  3. Ширина интерференционных полос.
  4. Наблюдаемый порядок интерференционного спектра и его связь с пространственной и временной когерентностью.
  5. Видность (контраст) интерференционной картины.
  6. Методы получения когерентных источников света: а) деление амплитуды волны;
  1. Интерферометры и их применение в науке и технике.

Дифракция света
  1. Принцип Гюйгенса-Френеля.
  2. Метод зон Френеля.
  3. Дифракция Френеля и Фраунгофера.
  4. Разрешающая способность оптических приборов.
  5. Дифракция на пространственной решетке. Рентгеноструктурный анализ.
  6. Понятие о голографии.
Взаимодействие света с веществом
  1. Разложение света в спектр. Нормальная и аномальная дисперсии.
  2. Классическая электронная теория дисперсии.
  3. Дисперсия газов, жидкостей и твердых тел.
  4. Рассеяние света.
  5. Поглощение света.

Поляризация света
  1. Виды поляризации. Способы получения поляризованного света.
  2. Закон Малюса.
  3. Закон Брюстера.
  4. Получение поляризованного света при двойном лучепреломлении.
  5. Интерференция поляризованного света.
  6. Анализ поляризованного света.
  7. Оптически активные среды.
  8. Искусственная оптическая анизотропия.

Тепловое излучение
  1. Тепловое излучение. Количественные характеристики теплового излучения. Абсолютно черное тело.
  2. Правило Прево. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина.
  3. Формула Рэлея-Джинса.
  4. Недостатки классической теории излучения. Формула Планка.
  5. Пирометрия. Понятие о радиационной, цветовой и яркостной температурах.

Квантовая оптика
  1. Квантовая гипотеза и формула Планка.
  2. Масса и импульс фотона.
  3. Квантовая теория излучения и поглощения.
  4. Фотоэффект.
  5. Давление света.
  6. Эффект Комптона и его теория.

Корпускулярно-волновой дуализм
  1. Диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения. Гипотеза де Бройля.
  2. Дифракция электронов и нейтронов.
  3. Туннельный эффект. Волновые свойства микрочастиц и соотношения неопределенностей.
  4. Наборы одновременно измеряемых величин.

Элементы атомной физики и квантовой механики
  1. Волновая функция и ее физический смысл.
  2. Уравнение Шредингера. Стационарные состояния.
  3. Частица в одномерной потенциальной яме. Туннельный эффект.
  4. Атом водорода. Квантовые числа.
  5. Распределения электронов в атоме по состояниям. Принцип Паули. Периодическая система атомов Д.И. Менделеева.
  6. Спектры атомов и молекул.



Лазеры и их применение
  1. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения.
  2. Процессы в активной среде: инверсия населенностей, отрицательное поглощение и температура.
  3. Оптическая накачка и схемы генерации.
  4. Применение лазеров в науке и технике.

Элементы квантовой статистики и физики твердого тела
  1. Принцип тождественности микрочастиц. Два класса квантовомеханических частиц: фермионы и бозоны.
  2. Понятие о квантовой статистике Бозе-Эйнштейна. Фотонный и фононный газы.
  3. Сверхтекучесть.
  4. Понятие о квантовой статистике Ферми-Дирака.
  5. Сверхпроводимость.
  6. Теплоемкость твердых тел.
  7. Эффект Джозефсона.

Физика атомного ядра и элементарных частиц.

Решебник Чертова

понедельник, 13 июня 2016 г.

Элементы квантовой статистики и физики твердого тела

Статистики Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака

Исходным положением классической статистической физики является различимость тождественных частиц (частицу можно отличить от всех таких же частиц по её координатам и импульсу). Классические частицы обладают индивидуальностью. Квантовая статистика основывается на принципе неразличимости тождественных частиц. В квантовой механике тождественные частицы полностью теряют сою индивидуальность и становятся неразличимыми.
Квантовая статистика – раздел статистической физики, исследующий системы частиц, подчиняющиеся законам квантовой механик. “Объёктом” излучения квантовой статистики является идеальный газ, к которому во многих случаях можно свести реальную систему частиц. 

Согласно корпускулярно-волновому дуализму свойств вещества, упругим волнам в кристалле сопоставляют фононы,обладающие энергией Е= .Фонон есть квант энергии звуко­вой волны(так как упругие волны — волны звуковые).Фононы являются квазичасти­цами —элементарными возбуждениями, ведущими себя подобно микрочастицам. Аналогично тому как квантование электромагнитного излучения привело к представлению о фотонах, квантование упругих волн привело к представлению о фононах.
Квазичастицы, в частности фононы, сильно отличаются от обычных частиц (напри­мер, электронов, протонов, фотонов), так как они связаны с коллективным движением многих частиц системы. Квазичастицы не могут возникать в вакууме, они существуют только в кристалле. Импульс фонона обладает своеобразным свойством: при сто­лкновении фононов в кристалле их импульс может дискретными порциями передаваться кристаллической решетке — он при этом не сохраняется. Поэтому в случае фононов говорят оквазиимпульсе.
Энергия кристаллической решетки рассматривается как энергия фононного газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна (см. § 235), так как фононы являются бозонами (их спин равен нулю). Фононы могут испускаться и поглощаться, но их число не сохраняется постоянным; поэтому в формуле (235.1) для фононов необходимо m положить равным нулю.

Состояние системы невзаимодействующих частиц задаётся с помощью так называемых чисел заполнения . Эти числа указывают степень заполнения данного квантового состояния (одного отдельного энергетического уровня), характеризуемого наборомi квантовых чисел, частицами системы, состоящей из множества тождественных частиц. Для систем частиц, образованных бозонами (частиц с нулевым или целочисленным спином) эти числа могут принимать любые целые значения: 0, 1, 2, 3,…, так как на них не распространяется принцип Паули. Сумма всех чисел заполнения должна быть равна числу системы.
Идеальный газ из бозонов (бозе -газ) описывается квантовой статистикой Бозе-Эйнштейна
Здесь - среднее число бозонов в квантовом состоянии с энергией,k – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура,- химический потенциал. Он определяет изменение внутренней энергии системы при добавлении к ней одной частицы и может иметь значения. Положительные значения приводят к отрицательным значениям чисел заполнения .
Для системы частиц, образованных фермионами (частицы с полуцелым спином), числа заполнения могут принимать лишь два значения: 0 – для свободных состояний (энергетических уровней) и 1 – для занятых.
Идеальный газ из фермионов (ферми - газ) описывается квантовой статистикой Ферми-Дикара.
Если , то оба распределения переходят в классическое распределение Максвелла-Больцмана
, где .
Таким образом, при высоких температурах оба «квантовых» газа ведут себя подобно классическому газу.
Здесь может иметь и положительное значение (это не приводит к отрицательным значениям ). Если , то оба распределения переходят в классическое распределение Максвелла-Больцмана
, где .
т.е. при высоких температурах оба “квантовых” газа ведут себя подобно классическому идеальному газу.
Квантовая статистика позволяет подсчитать среднее число частиц в данном квантовом состоянии, т.е. определить среднее число заполнения . Сумма всех чисел заполнения должна быть равна числу частиц системы.
Система частиц называется вырожденной, если её свойства существенным образом отличаются от свойств систем, подчиняющихся классической статистике. Поведение бозе-газа и ферми-газа отличается от классической газа и они оба являются вырожденными газами. Вырождение газов становится существенным при весьма низких температурах и больших плотностях. Температурой вырождения Т0называется температурой, ниже которой отчётливо проявляются квантовые свойства идеального газа.
Вырожденный электронный газ в металлах.
Электроны проводимости в металле можно рассматривать как идеальный газ, подчиняющийся распределению Ферми-Дирака. Среднее число заполнения <N(Е)> электронов в квантовом состоянии с энергией Е при температуре Т = 00К равно
,
где μ0– химический потенциал электронного газа при температуре Т = 00К.
Для фермионов <N(Е)> совпадает с вероятностью заселенности квантового состояния, т.к. квантовое состояние либо может быть не заселено, либо в нем будет находиться одна частица. Это значит, что для фермионов <N(Е)> - есть функция распределения электронов по состояниямf(E).
При Т = 00К: <N(Е)> = 1, если Е < μ0,
<N(Е)> = 0, если Е > μ0.
При Е = μ0функция распределения скачкообразно изменяется 1 до нуля. Это означает, что при Т = 00К все нижние квантовые состояния, вплоть до состояния с Е = μ0, заполнены электронами, а все уровни с энергией Е > μ0свободны.
Следовательно, μ0есть не что иное, как максимальная кинетическая энергия, которую могут иметь электроны проводимости в металле при 00К. Эта максимальная кинетическая энергия называется энергией ФермиEF.
,
где m- масса электрона,h- постоянная Планка,n- концентрация свободных электронов в металле (м-3).
По оценке при n= 1028– 1029м-3
EF≃ 5 эВ.
Температура Т0вырождения газа находится из условия:
kT0=EF.
Для электронов в металле Т0≃ 104К, т.е. электронный газ в металле практически всегда вырожден и подчиняется квантовой статистике.
При температурах, отличных от 0 К, функция распределения плавно изменяется от 1 до 0 в узкой области энергии (порядка ∼kT) в окрестности энергии Ферми EF. Это объясняется тем, что при Т > 0 небольшое число электронов с энергией, близкой к энергии Ферми EF, возбуждается за счет теплового движения и их энергия становится большеEF. Вблизи границы Ферми при Е <EFзаполнение электронами меньше 1, а при Е >EF– больше 0. В тепловом движении участвует лишь небольшое число электронов, например, при комнатной температуре Т≃300 К и температуре вырождения Т0≃ 104К это 10-5от общего числа электронов. Из сказанного следует, что при температуре:
  1. энергия свободных электронов в металле не может быть выше энергии Ферми;
  2. в каждом энергетическом состоянии не может находиться более 1 электрона.
При температуре выше (Т > 00К)
  1. резкий спад по вертикали функции распределения при Е = EFсменяется плавной кривой (рис. 179);
  2. состояние электронов, обладающих энергией Е«EFне изменяется при нагревании металла;
  3. искажение функции происходит в узком (≃ 2kT) интервале вблизи энергииEF, из чего следует, что в процессе передачи тепла металлу участвует лишь малая доля свободных электронов, равная отношениюkT/EF. При комнатной температуреkT/EF≃ 0,01, а это означает, что в механизме теплопроводности в металле участвует лишь 1 электрон из 100 свободных.
Несмотря на большое число свободных электронов в металлах молярная теплоемкость металлов мало отличается от молярной теплоемкости полупроводников и диэлектриков, т.к. теплоемкость электронного газа ничтожно мала.
Сверхпроводимость– явление резкого падения удельного сопротивления металлов при низких температурах (близких к Т=00К), называемых критическими. Наибольшее наблюдавшееся значение критической температуры Ткр= 20 К.
Проводник при температуре выше критических для него называют сверхпроводником и ему присущ ряд свойств. Некоторые их них:
  1. В сверхпроводнике наблюдается незатухающий электрический ток в течение длительного времени (1 год и более).
  2. Магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводника.
В настоящее время объяснение этому явлению служит образование куперовских пар, состоящих из электронов с антипараллельными спинами, являющихся бозонами, которые склонны накапливаться в основном состоянии в неограниченном количестве, из которого их сравнительно трудно перевести в возбужденное состояние.
Куперовские пары, придя в согласованное движение, остаются в этом состоянии неограниченно долго, обеспечивая незатухающий ток.

Характер теплового движения в кристаллах. Фононы

В кристаллах атомы совершают так называемые тепловые колебания относительно среднего положения, определяемого узлом кристаллической решетки. Характер этих тепловых колебаний в упрощенном виде таков – колеблющаяся частица взаимодействует со своими соседними, т.е. колебания передаются от атома к атому и распространяются в кристалле в виде упругих тепловых волн. Механизм этих волн аналогичен механизму звуковых волн, так как упругие волны – волны звуковые. Скорость распространения тепловых волн совпадает со скоростью звука в твёрдых телах.
Энергия тепловых волн подобно энергии электромагнитных волн тоже квантована, энергия кванта равна
Е = hν.
Аналогично кванту света – фотону, вводится понятие кванта звуковой энергии – фонона. Фонон – квазичастица, и ее основное отличие от обычных частиц (электрона, протона и др.) заключается в том, что она не может существовать в вакууме, так как для своего возникновения и существования нуждается в некоторой вещественной среде. Фононы, распространяясь в кристалле, рассеиваются как при встрече друг с другом, так и на дефектах решетки. Согласно квантово-механическим представлениям фонон можно рассматривать как гармонический осциллятор, имеющий энергию
En=(n+ , гдеn= 0, 1, 2, 3, …
Квантовый характер тепловых волн, т.е. их дискретность, при температурах ниже ΘД, определяется соотношением
ΘД=,
где ΘДхарактеристическая температура Дебая,k- постоянная Больцмана,max- максимальная частота тепловых колебаний частиц.
Эти волны называют дебаевскими тепловыми волнами.

Сверхпроводимость
Прежде чем на основе квантовой теории приступить к качественному объяснению явления сверхпроводимости, рассмотрим некоторые свойства сверхпроводников.
Различные опыты, поставленные с целью изучения свойств сверхпроводников, приводят к выводу, что при переходе металла в сверхпроводящее состояние не изменя­ется структура его кристаллической решетки, не изменяются его механические и оп­тические (в видимой и инфракрасной областях) свойства. Однако при таком переходе наряду со скачкообразным изменением электрических свойств качественно меняются его магнитные и тепловые свойства. Так, в отсутствие магнитного поля переход в сверхпроводящее состояние сопровождается скачкообразным изменением теплоем­кости, а при переходе в сверхпроводящее состояние во внешнем магнитном поле скачком изменяются и теплопроводность, и теплоемкость (такие явления характерны для фазовых переходов II рода; см. § 75). Достаточно сильное магнитное поле (а следовательно, и сильный электрический ток, протекающий по сверхпроводнику) раз­рушает сверхпроводящее состояние.
Как показал немецкий физик В. Мейсснер (1882—1974), в сверхпроводящем состоя­нии магнитное поле в толще сверхпроводника отсутствует. Это означает, что при охлаждении сверхпроводника ниже критической температуры (см. § 98) магнитное поле из него вытесняется (эффектМейсснера).
Общность эффектов, наблюдаемых в сверхпроводящем состоянии различных ме­таллов, их соединений и сплавов, указывает на то, что явление сверхпроводимости обусловлено физическими причинами, общими для различных веществ, т. е. должен существовать единый для всех сверхпроводников механизм этого явления.
Физическая природа сверхпроводимости была понята лишь в 1957 г. на основе теории (создана Ландау в 1941 г.) сверхтекучести гелия (см. § 237). Теория сверх­проводимости создана американскими физиками Д. Бардином (р. 1908), Л. Купером (р. 1930) и Д. Шриффером (р. 1931) и развита Н. Н. Боголюбовым.
Оказалось, что помимо внешнего сходства между сверхтекучестью (сверхтекучая жидкость протекает по узким капиллярам без трения, т. е. без сопротивления течению) и сверхпроводимостью (ток в сверхпроводнике течет без сопротивления по проводу) существует глубокая физическая аналогия: и сверхтекучесть, и сверхпроводи­мость — это макроскопический квантовый эффект.
Качественно явление сверхпроводимости можно объяснить так. Между электрона­ми металла помимо кулоновского отталкивания, в достаточной степени ослабляемого экранирующим действием положительных ионов решетки, в результате электрон-фононного взаимодействия (взаимодействия электронов с колебаниями решетки) воз­никает слабое взаимное притяжение. Это взаимное притяжение при определенных условиях может преобладать над отталкиванием. В результате электроны проводимо­сти, притягиваясь, образуют своеобразное связанное состояние, называемое куперовской парой.«Размеры» пары много больше (примерно на четыре порядка) среднего межатомного расстояния, т. е. между электронами, «связанными» в пару, находится много «обычных» электронов.
Чтобы куперовскую пару разрушить (оторвать один из ее электронов), надо затратить некоторую энергию, которая пойдет на преодоление сил притяжения элект­ронов пары. Такая энергия может быть в принципе получена в результате взаимодейст­вия с фононами. Однако пары сопротивляются своему разрушению. Это объясняется тем, что существует не одна пара, а целый ансамбль взаимодействующих друг с другом куперовских пар.
Электроны, входящие в куперовскую пару, имеют противоположно направленные спины. Поэтому спин такой пары равен нулю и она представляет собой бозон. К бозонам принцип Паули неприменим, и число бозе-частиц, находящихся в одном состоянии, не ограничено. Поэтому при сверхнизких температурах бозоны скапливают­ся в основном состоянии, из которого их довольно трудно перевести в возбужденное. Система бозе-частиц — куперовских пар, обладая устойчивостью относительно воз­можности отрыва электрона, может под действием внешнего электрического поля двигаться без сопротивления со стороны проводника, что и приводит к сверхпроводи­мости.

Теплоемкость газов и твердых тел
Квантовая статистика устранила трудности в объяснении зависимости теплоемкости газов (в частности, двухатомных) от температуры (см. § 53). Согласно квантовой механике, энергия вращательного движения молекул и энергия колебаний атомов в молекуле могут принимать лишь дискретные значения. Если энергия теплового движения значительно меньше разности энергий соседних уровней энергии (kT<<E), то при столкновении молекул вращательные и колебательные степени свободы прак­тически не возбуждаются. Поэтому при низких температурах поведение двухатомного газа подобно одноатомному.
Так как разность между соседними вращательными уровнями энергии значительно меньше, чем между колебательными, т. е. Eвращ<<Eкол(см. § 230), то с ростом температуры возбуждаются вначале вращательные степени свободы, в результате чего теплоемкость возрастает; при дальнейшем росте температуры возбуждаются и колеба­тельные степени свободы и происходит дальнейший рост теплоемкости (см. рис. 80).
Функции распределения Ферми — Дирака для T=0 К иT>0 заметно различаются (рис. 312) лишь в узкой области энергий (порядка kT).Следовательно, в процессе нагревания металла участвует лишь незначительная часть всех электронов проводимо­сти. Этим и объясняется отсутствие заметной разницы между теплоемкостями метал­лов и диэлектриков, что не могло быть объяснено классической теорией (см. § 103).
Как уже указывалось (см. § 73), классическая теория не смогла объяснить также зависимость теплоемкости твердых тел от температуры, а квантовая статистика реши­ла эту задачу. Так, А. Эйнштейн, приближенно считая, что колебания атомов кристал­лической решетки независимы (модель кристалла как совокупности независимых коле­блющихся с одинаковой частотой гармонических осцилляторов), создал качественную квантовую теорию теплоемкости кристаллической решетки. Она впоследствии была развита П. Дебаем, который учел, что колебания атомов в кристаллической решетке не являются независимыми (рассмотрел непрерывный спектр частот гармонических ос­цилляторов).
Рассматривая непрерывный спектр частот осцилляторов, П. Дебай показал, что основной вклад в среднюю энергию квантового осциллятора вносят колебания низких частот, соответствующих упругим волнам. Поэтому тепловое возбуждение твердого тела можно описать в виде упругих волн, распространяющихся в кристалле. Согласно корпускулярно-волновому дуализму свойств вещества, упругим волнам в кристалле сопоставляют фононы,обладающие энергиейЕ= .Фонон есть квант энергии звуко­вой волны(так как упругие волны — волны звуковые).Фононы являются квазичасти­цами —элементарными возбуждениями, ведущими себя подобно микрочастицам. Аналогично тому как квантование электромагнитного излучения привело к представлению о фотонах, квантование упругих волн привело к представлению о фононах.
Квазичастицы, в частности фононы, сильно отличаются от обычных частиц (напри­мер, электронов, протонов, фотонов), так как они связаны с коллективным движением многих частиц системы. Квазичастицы не могут возникать в вакууме, они существуют только в кристалле. Импульс фонона обладает своеобразным свойством: при сто­лкновении фононов в кристалле их импульс может дискретными порциями передаваться кристаллической решетке — он при этом не сохраняется. Поэтому в случае фононов говорят о квазиимпульсе.
Энергия кристаллической решетки рассматривается как энергия фононного газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна (см. § 235), так как фононы являются бозонами (их спин равен нулю). Фононы могут испускаться и поглощаться, но их число не сохраняется постоянным; поэтому в формуле (235.1) для фононов необходимо  положить равным нулю.
Применение статистики Бозе — Эйнштейна к фононному газу — газу из невза­имодействующих бозе-частиц — привело П. Дебая к количественному выводу, соглас­но которому при высоких температурах, когдаT>>TD(классическая область), теплоем­кость твердых тел описывается законом Дюлонга и Пти (см. § 73), а при низких температурах, когдаT<<TD(квантовая область), — пропорциональна кубу термодина­мической температуры:СV3. В данном случаеTD характеристическая температу­ра Дебая,определяемая соотношениемkТD= ,где —предельная частота уп­ругих колебаний кристаллической решетки. Таким образом, теория Дебая объяснила расхождение опытных и теоретических (вычисленных на основе классической теории) значений теплоемкости твердых тел (см. § 73 и рис. 113).
Модель квазичастиц — фононов — оказалась эффективной для объяснения откры­того П. Л. Капицей явления сверхтекучести жидкого гелия (см. § 31, 75). Теория сверхтекучести, созданная (1941) Л. Д. Ландау и развитая (1947) российским ученым Н. Н. Боголюбовым (р. 1909), применена впоследствии к явлению сверхпроводимости (см. § 239).


Эффект Джозефсона

На основе теории сверхпроводимости английский физик Б. Джозефсон (р. 1940) в 1962 г. предсказал эффект, названный его именем (Нобелевская премия 1973 г.). Эффект Джозефсона(обнаружен в 1963 г.) — протекание сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой диэлектрика (пленка оксида металла толщиной1 нм), раз­деляющий два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона).Электроны проводимости проходят сквозь диэлектрик благодаря туннельному эффекту. Если ток через контакт Джозефсона не превышает некоторое критическое значение, то падения напряжения на нем нет (стационарный эффект),если превышает — возникает падение напряжения и контакт излучает электромагнитные волны (нестационарным эффект). Частота излучения связана с на контакте соотношением v=2eU/h (е —заряд электрона). Возникновение излучения объясняется тем, что куперовские пары (они создают сверхпроводящий ток), проходя сквозь контакт, приобретают относительно основного состояния сверхпроводника избыточную энергию. Возвращаясь в основное состояние, они излучают квант электромагнитной энергии hv=2eU.
Эффект Джозефсона используется для точного измерения очень слабых магнитных полей (до 10–18Тл), токов (до 10–10А) и напряжений (до 10–15В), а также для создания быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ и усилителей.

Лазеры и их применение






,


Элементарные частицы. Античастицы.Кварки.

Частицы, которым на современном уровне развития физики нельзя приписать внутреннюю структуру, то есть представить как объёдинение других частиц, и которые ведут себя как единое целое, называют элементарными.

Элементарные частицы классифицируют по следующим признакам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, времени жизни частиц, спину и др.
В зависимости от массы покоя частицы (масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой легкой из всех частиц, имеющих массу) выделяют:
♦ фотоны (греч. photos – частицы, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света);
♦ лептоны (греч. leptos – легкий) – легкие частицы (электрон и нейтрино);
♦ мезоны (греч. mesos – средний) – К ним относятся мезоны: пионы (π+, π-и π0- мезоны), каоны (К+, К-и К0- мезоны), таоны (τ+и τ--мезоны) и др.
♦ барионы (греч. barys – тяжелый) – К ним относятся протон и антипротон, нейтрон и антинейтрон, лямбда, сигма, кси и омега – гипероны и др. -  Общее название средних и тяжелых частиц – адроны. Помимо названных существует большое число частиц, называемыхрезонансами (резонами).
В зависимости от электрического заряда выделяют:
♦ частицы с отрицательным зарядом (например, электроны);
♦ частицы с положительным зарядом (например, протон, позитроны);
♦ частицы с нулевым зарядом (например, нейтрино).
Существуют частицы с дробным зарядом – кварки. С учетом типа фундаментального взаимодействия, в котором участвуют частицы, среди них выделяют:
♦ адроны (греч. adros – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;
♦ лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;
♦ частицы – переносчики взаимодействий (фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия; гравитоны – переносчики гравитационного взаимодействия; глюоны – переносчики сильного взаимодействия; промежуточные векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия).
По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10101024с. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 1010с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет 10241026с.
По значениям спина.
Частицы с полуцелым спином. К ним относятся лептоны и барионы (p, ,n,и гипероны ).
Частицы с нулевым спином. К ним относятся мезоны.
Частицы с целым спином. К ним относится одна частица – фотон.
Элементарные частицы самопроизвольно (нестабильные) либо при взаимодействии (стабильные) могут испытывать взаимопревращения. Так, например, нестабильные частицы μ и π – мезоны могут распадаться на другие частицы по схеме
μ +→ е++ νе+μ -++
π+→ μ ++ π-→ μ -+ π0→ γ + γ.
Стабильные частицы, обладая достаточной энергией, при соударениях также могут претерпевать взаимопревращения. Например
е-+ е-→ е-+ е-+ е-+ е+γ + е-→ е-+ е-+ ее-+→ γ+ γ+ γ
Так при аннигиляции электрона и позитрона может образоваться 2 или 3 гамма – кванта. При таких взаимопревращениях соблюдаются законы сохранения энергии, импульса, заряда и др.

Типы взаимодействия элементарных частиц

По современным представлениям в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
  1. Сильное или ядерное взаимодействие обусловливает связь нуклонов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований. Этими взаимодействиями обусловлены ядерные силы между нуклонами.
  2. Электромагнитное взаимодействие характеризует процессы, обусловленные наличием у частиц электрического заряда, а следовательно их взаимодействия с электромагнитными полями. Оно, в частности, обеспечивает существование атомов и молекул за счет взаимодействия в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.
  3. Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех, протекающих в микромире. Оно характеризует взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например β - распад, μ - распад).
  4. Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам. Однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало по сравнению с тремя другими и поэтому несущественно в процессах микромира.
Интенсивность взаимодействий принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия, которая по порядку величины имеет следующие значения:
для сильного взаимодействия принимается равной 1, для электромагнитного ≃10-2, для слабого≃10-14, для гравитационного≃10-30.

Интересными свойствами обладают  античастицы. Они имеют многие из тех же признаков, что и их частицы двойники (массу, спин,1время жизни и т. д.), но отличаются от них знаками электрического заряда или другими характеристиками.
В 1928 г. П. Дирак предсказал существование античастицы электрона – позитрона, который был обнаружен спустя четыре года К. Андерсоном в составе космических лучей. Электрон и позитрон – не единственная пара частицдвойников, все элементарные частицы, кроме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция (от лат. annihilatio – превращение в ничто) – превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы, число и вид которых определяются законами сохранения. Например, в результате аннигиляции пары электрон– позитрон рождаются фотоны. 

Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается. Вместе с тем продолжается поиск фундаментальных частиц, которые могли бы быть составными «кирпичиками» для построения известных частиц. Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками, была высказана в 1964 г. американским физиком М. ГеллМаном (Нобелевская премия 1969 г.).
Кварки   обладают большим количеством характеристик. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Кварки могут соединяться друг с другом парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (протоны и нейтроны). В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель позволила определить квантовые числа многих элементарных частиц.