О Г Л А В Л Е Н И Е 4 страница

Бұл заң Кирхгоф заңы деп аталады.

Стефан-Больцман заңы

Абсолют қара дененің энергетикалық жарқырауы термодинамикалық температураның төртінші дәрежесіне тура пропорционал:

мұндағы: - Стефан – Больцман тұрақтысы,

Вин заңы

Абсолют қара дененің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілетінің ең үлкен мәніне сәйкес келетін толқын ұзындығы оның термодинамикалық температурасына кері пропорционал:

мұндағы: -Вин тұрақтысы, .

Сонымен классикалық физика абсолют қара дененің спектріндегі энергияның таралу заңын түсіндіре алмады.

Бұны 1900 жылы неміс ғалымы Планк тапты. Ол жарық дискретті, бөлек-бөлек порциялармен шығарылады және жуылады деп есептеді.

Квант энергиясы тербеліс жиілігіне пропорционалды:

, (1.9)

мұндағы - Планк тұрақтысы.

Жарықтың кванттан құралатындығын басшылыққа ала отырып, Планк абсолют қара дененің сәулелену қабілетін сипаттайтын формула тапты:

Планктың қорытынды формуласы:

2. Асқын өткізгіштік құбылысы. Джозефсон эффектісі.

Асқын өткізгіштік — кейбір өткізгіштерді белгілі бір алмағайып температураға (Та) дейін суыту кезінде олардың электрлік кедергісінің секірмелі түрде кенет нөлге дейін төмендеу құбылысы. Сынаптың темп-расын Т = 4,15 К-ге төмендеткен кезде бұл құбылысты алғаш рет (1911) голланд физигі Х. Каммерлинг-Оннес байқаған. Ол кейін Т1Та темп-ра кезінде күшті магнит өрісінде (НТНа) сынаптың электрлік кедергісінің қалпына келетіндігін де анықтаған (мұндағы На — алмағайып магнит өрісінің кернеулігі). Әрбір асқын өткізгіштің өзіне ғана тән температурасы болады (6.1- кесте). Асқын өткізгіштік күйге өту болатын температуралық интервалдың ені бірінші текті асқын өткізгіштерде шамамен К және онда қоспалар мен дефектілерге байланысты артады.

Асқын өткізгіштердегі болуы күшті электромагниттер жасауға қиындық тудырады. Асқын өткізгіш арқылы өтетін ток магнит өрісін тудырады, ол сыртқы өріс сияқты асқын өткізгіштік күйді бұзады.. - критикалық ток - яғни кернеулігі тең магнит өрісін тудыратын ток. көп болған сайын, -да сонша артады.

Асқыш өткізгіш –идеал диэлектрик болып табылады. 1933 жылы Мейсснер және Оксенфельд асқын өткізгіштердің бірден-бір фундаментальды қасиеті – асқын өткізгіштен магнит өрісін итеріп тастау құбылысы (Мейсснер эффектісі). Бұл сыртқы өріс болған кезде асқын өткізгіштің идеал диэлектрик екендігін көрсетеді.

1967 жылы Дж.Бардин, Л.Купер, Дж.Шриффер (АҚШ) және Н.Н. Боголюбов (Ресей) Асқын өткізгіштіктің микроскопиялық теориясын жасады. Бұл теорияның негізіне спиндерінің таңбасы қарама-қарсы электрондар жұбы (Купер жұбы) алынған. Мұндай жұптың заряды 2 l-ге (мұндағы l — электрон заряды), спинінің мәні нөлге тең болады, әрі ол Бозе-Эйнштейн статистикасына бағынады. Асқын өткізгіштік құбылысы байқалатын металдарда жұптар бозе-конденсация құбылысына ұшырайды. Сондықтан купер жұптарының асқын аққыштық қасиеті болады. Сонымен Асқын өткізгіштік электрондық сұйықтықтың асқын аққыштығы болып табылады. Асқын өткізгіштік практикада кеңінен пайдаланылады. 20 ғасырдың соңында керамикалық материалдардың жоғары температурадағы (77-100 К) асқын өткізгіштігін зерттеу бағыты қарқынды дамуда. Ал Қазақстанда Асқын өткізгіштікті зерттеу ҚР ҒА-ның Ядр. физ. ин-тында (ҚР ҒА-ның корр. мүшесі Ә.Қ. Жетбаевтың жетекшілігімен) жүргізілуде.

Джозефсон эффектісі — екі асқын өткізгішті бөліп тұратын диэлектриктің жұқа қабаты (Джозефсонның түйіспесі деп аталады) арқылы асқын өткізгішті токтың ағуы, заряд тасымалдаушылардың туннельдік етуі.

1962 жылы ағылшын физигі Джозефсон екі ерекше эффектінің болуы мүмкін екендігін жорамалдады.

Джозефсонның стационар эффектісі. Екі асқын өткізгіштен тұратын туннельдік контакті арқылы тұрақты токтың өтуі мүмкіндігі. Олар (қалыңдығы 1 мм) жұқа диэлектрик қабатымен бөлінген. Егер осы қабат арқылы өтетін ток белгілі бір мәннен (кризистік деп аталатын) аспаса, онда Джозефсон түйіспесіндегі кернеу түсуі болмайды

Джозефсонның стационар емес эффектісі

Егер екі асқын өткізгіш контактісіне тұрақты потенциалдар айырмасын берсек, онда контактіден электромагниттік толқындар сәулеленеді. Жұптар энергиясы контакті арқылы өткенде артады, мұндағы – берілген потенциалдар айырмасы. Асқын өткізгіш арқылы ток өткенде энергия қажет емес және ол электромагниттік толқындар түрінде шығарылады. .

3.

Фотон (грек. phos, photas — жарық) — электрмагниттік сәуленің (жарықтың) элементар бөлшегі. Фотон зарядсыз бейтарап (нейтрал) бөлшек. Ол вакуумде с=3×108м/с жылдамдықпен тарайды. Оның энергиясы (e) жиілігімен (n) анықталады: e=hn/с, оның тыныштықтағы массасы m=0. Фотон электрмагниттік әсерлесуді тасымалдайтын бөлшек. Зарядталған бөлшектердің Фотондарды шығаруы немесе сіңіруі барлық электро-магниттік процестердің негізі болып табылады. Фотон туралы ұғым кванттық теория мен салыстырмалы теорияның даму барысында пайда болды. 1905 ж. А.Эйнштейн фотоэффект құбылысының заңдылықтарын түсіндіру үшін 1900 ж. нем. физигі М.Планк ашқан жарық кванттары туралы ұғымды пайдаланды. Жарықтың Фотондардан (кванттардан) тұратындығы люминесценц. құбылыстар мен фотохим. реакциялар арқылы дәлелденді. “Фотон” терминін ғылымға 1929 ж. америка ғалымы Г.Льюис енгізді. Фотон бозондарға жатады. Оның меншікті импульс моментінің (спинінің) қозғалыс бағытына проекциялары S=±1. Классик. электрдинамикада оның бұл қасиетіне көлденең электро-магниттік толқындар сәйкес келеді. электро-магниттік әсерлесуден басқа Фотон гравитац. әсерлесуге де қатысады. Америка физигі А.Комптонның рентген сәулелерінің бос электрондардан шашырауын зерттейтін тәжірибесінде кванттық сәуле (фотон) шығару да зат бөлшектері сияқты кинематик. заңдарға (энергияның және импульстің сақталу заңдарына) бағынатындығы дәлелденді. Фотонның зарядталған лептондармен әсерлесуін (өзара бір күйден екінші күйге ауысуын) кванттық электрдинамика зерттейді.

Ферромагнетиктердің қасиеттері туралы кваннтық түсінік Қарастырылған, әлсіз магниттік заттар деп аталатын заттардың – диа- және парамагнетиктер екі класынан өзге, тағы күштімагниттік заттар – ферромагнетиктер – тосыннан магниттелушілікке ие заттар өмір сүреді, яғни олар тіпті сыртқы магниттік өрістің болмауы кезінде магниттелген болады. Ферромагнетиктерге олардың негізгі өкілі – темірден (оның «ферромагнетизм» атауы содан шыққан) өзге – мысалы, кобальт,никель, гадолиний, олардың қорытпалары мен қосылыстары жатады. Ферромагнетиктер күшті магниттелуші қабілетінен өзге, олардың диа- және парамагнетиктердің түбегейлі өзгешеленетін өзге қасиеттеріне ие. Егер әлсіз магнитті заттар үшін Н-нен J ⃗-дың тәуелділігі сызықтық болса, онда ферромагнетиктер үшін бұл тәуелділік аса күрделі болып саналады, оны алғаш рет 1878 жылы темір үшін баллистикалық гальвонометр әдісімен орыс физигі А.Г.Столетов (1839-1896) зерттеген болатын. Н-ның өсуіне қарай J ⃗-дың магниттілігі алдымен тез өседі, содан кейін баяу өседі және ең соңында, енді өрістің кернеулігіне тәуелді емес, Jқанық. Магниттік қанығуға дейін жетеді.J-дің H-ге тәуелділік осындай сипатын, магниттелетін өрістің ұлғаюына қарай өріс бойынша молекулалық магниттік мезеттердің бағдарлану дәрежесінің де өсетіндігімен түсіндіруге болады. Бірақ бұл процесс, бағдарланбаған мезетте азайып, өте аз қалғанда, баяулай бастайды және ең соңында, барлық мезеттер өріске бағытталған кезде, Н-ның одан әрі ұлғаюы тоқтайды және магниттік қанығу басталады.Тұрақты магниттердің өмір сүруі қалдық магниттелудің болуымен байланысты. Магниттелу, магниттелуді туғызған өріске қарама-қарсы бағытта ие, я өрістің әсерімен нөлге айналады. Не кернеулік коэрцетивті күш деп аталады.

Есеп: Толқын ұзындығы l=380нм, болатын фотонның энергиясын E және массасы m импульсін p анықтаңдар.

3.

1) Электрондардың газдар атомдарымен соқтығысуының кідіртуші потенциалының әдісімен (1913) зерттей отырып, Д.Франк пен Г.Герц атомдар энергиясының дискреттік мәнін экспериментпен дәлелдеді.

Оларды орнатудың принциптік сұлбасы 295-суретте көрсетілген.Сынап буларымен толтырылған вакуумдық түтікше (қысым шамамен 13 Па –ға тең) катодтан (К), екі тордан (С₁және С₂) және анодтан (А) тұрады.Катодпен эмиссияланған электрондар катод пен С₁тор арасынатүсірілген потенциялдар айырымымен үдетіледі.С₂ тор мен анод арасында шағын (шамамен 0,5 В) кідіртуші потенциал түсірілген.

Аймақ 1-де үдетілген электрондар торлар арасындағы аймақ 2-ге түседі, мұнда сынап буларының атомдарымен соқтығысады.Соқтығысқаннан кейін аймақ 3-те кідіртуші потенциалды жою үшін жеткілікті энергияға ие электрондар анодқа дейін жетеді.Электрондардың атомдармен серпімді емес соқтығысулары кезінде соңғы сынаптар қозуы мүмкін.Бор теориясына сәйкес сынаптар атомдарының әрбірі бұл ретте қозған күйдің біріне ауыса отырып,толық белгілі бір энергияны ғана алуы мүмкін.Сондықтан, егер атомдарда шынында стационар күй өмір сүретін болса,онда электрондар сынаптар атомдарымен соқтығыса отырып,энергияны дискретті белгілі бір порциялармен жоғалтуы тиіс.

Тәжірибеден мынадай қорытынды шығаруға болады:үдемелі потенциалды 4,86 В-ға дейін арттыру кезінде анодтық ток ақырын өседі,оның мәні максимум (4.86 В) арқылы өтеді,содан кейін тосын кемиді және қайыра өседі.Одан әрі қарайғы максимумдар 2 4,86 және 3 4,86 В кезінде байқалады.

Фотоэлектрлік құбылыстар, фотоэффект — электрмагниттік сәуленің затпен әсерлесуі нәтижесінде пайда болатын электрлік құбылыстар (электр өткізгіштігінің өзгеруі, ЭҚК-нің пайда болуы не электрондар эмиссиясы). Қатты немесе сұйық денелердің жарық сәулесін (фотондарды) жұтуы нәтижесінде электрондардың бөлініп шығу құбылысы сыртқы фотоэффект делінеді.

Ішкі фотоэффект (фотоөткізгіштік) кезінде жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерге түскен жарық (фотон) оларда жұтылады да, сыртқа қарай электрондар бөлініп шықпайды. Сөйтіп, жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің электр өткізгіштігі өзгереді. Ішкі фотоэффектіні 1873 ж. америка физигі У.Смит байқаған.

2) Кюри нүктесі (орыс. точка Кюри) — екінші ретті фазалық өзгеріс температура. Мысалы, К нүктесінде ферромагниттік заттар (темір, кобальт, никель, магниттің және т.б.) өздерінің ерекше магниттік қасиеттерін жоғалтады да кәдімгі парамагниттер сияқты болады. Бұл нүкте Кюри температурасы деп те аталады.

Әсерлесудің төрт түріқарастырылады: гравитациялық, электромагниттік, күшті, әлсіз.

Гравитациялық өзара әсерлесу - денелердің массасы мен ара қашықтығына тәуелді күштермен, олардың өзара тартылуымен өрнектелген, кез келген денелердің өзара әсері.

Электромагниттік өзара әсерлесу – электр заряды не магниттік моменті бар бөлшектер арасындағы электрмагниттік өріс арқылы берілетін өзара әсер.

Электромагниттік өзара әсерлесудің де өзіндік әмбебап қасиеттері бар, бірақ гравитациялық өзара әрекеттесуден бір айырмашылығы, өзара тартылыс (әр түрлі зарядтар арасында) және тебіліс (бірдей зарядтар арасында) қүбылыстары байқалады.

Күшті өзара әрекеттесу адрондар (грекше «адрос» - күшті) және нуклондар (протондар мен нейтрондар) және лизондар арасында орын алады. Күшті әрекеттесу үлкен арақашықтық жағдайында мүмкін (радиусы мөлшермен 1013 см шамасында).Күшті өзара әрекеттесудің бір көрінісі - ядролық күштер.

Әлсіз өзара әсерлесу — элементар бөлшектерінің аралығында, олардың аракашықтығы бірнеше аттометрден аз болған кезде, жүзеге асатын өзара әсерлесу; көбінесе атом ядросының бета ыдырауына әкеледі.

Комптон эффектісі. Атомдардың сызықтық спектрлері.

кванттық теориядағыдай сәуле шығару корпускулалық табиғатқа ие деп санайтын болсақ, онда Комптон эффектісі – рентгендік фотондардың заттардың бос электрондарымен (жеңіл атомдар үшін электрондар атомдар ядроларымен әлсіз байланысқан, сондықтан оларды бос деп санауға болады) серпімді соқтығысу нәтижесі. Осы соқтығысу процесінде фотон электронға өз энергиясының бір бөлігі және олардың сақталу заңдарына сәйкес импульсін береді. Екі бөлшектердің (294-сурет) – p_g = hn / c импульс пен e_g = hn, энергияға ие, ұшып шыққан фотонның тыныштықтағы бос электрон мен (тыныштық энергиясы W ₀ =m ₀ c ²; электрон массасы) серпімді соқтығысуын қарастырамыз. Электронмен соқтығысқан өз энергиясының бір бөлігі мен импульсін оған береді және қозғалыс бағытын өзгертеді (шашырайды). Фотон энергиясынынң азаюы шашыраған сәуле толқындары ұзындықтарының ұлғайғандығын білдіреді. Әрбір соқтығысу кезінде энергия мен импульстің сақталу заңдары орындалады.

Энергияның сақталу заңына сәйкес,

ал импульстің сақталу заңына сәйкес,

мұндағы W ₀ =m ₀ c ² - соқтығысқанға дейінгі электрон энергиясы; e_g = hn - ұшатын фотонның энергиясы; W= — соқтығысқаннан кейін электрон энергиясы (релятивистік формула пайдаланады); - шашыраған фотонның энергиясы.

компоновтық ұзындығын l_C = h/(m ₀ c) = 2,426 пм.

Шашыраған сәуленің құрамында араласпаған сызықтардың (толқындардың бастапқы ұзындықтарының сәуле шығаруы) болуын келесі түрде түсіндіруге болады. Шашырау механизмін қарастыру кезінде фотон болса, электронмен ғана соқтығысады деп болжанады. Бірақ егер электрон атоммен күшті байланысқан болса (ішкі электрондар үшін орын алатындай) (әсіресе ауыр атомдарда), энергиямен және импульспен алмасады. Өйткені атом массасы электрон массасымен салыстырғанда өте коп, сондықтан атомға фотон энегиясының болмашы бөлігі ғана беріледі. Сондықтан аталған жағдайда шашыраған сәуленің толқындарының ұзындығы іс жүзінде түсетін сәуленің толқындарының ұзындығынан өзгешеленбейтін болады.

Комптон эффектісі спектрдің көрінетін аймағында байқалуы мүмкін емес, өйткені көрінетін жарық фотонның энергиясын электронның атоммен байланысының энергиясымен салыстыруға болады, бұл ретте тіпті сыртқы электронды бос деп есептеуге болмайды.

Комптон эффектісі электрондарда ғана байқалмайды, сонымен бірге өзге зарядталған бөлшектерде де байқалады, мысалы, протондарда, бірақ протон массаларының үлкендігінен оның қайтымы өте жоғары энергияларда фотондардың шашырауы кезінде ғана «қарастырылады».

Комптон эффектісі сол сияқты фотоэффекті кванттық түсініктер негізінде фотондардың электрондармен өзара әрекетімен байланысты туындайды. Бірінші жағдайда фотон шашырайды, ал екінші жағдайда – жұтылады. Шашырау фотонның бос электронмен өзара әрекеті кезінде болады, ал фотоэффектісі – байланысқан электрондармен фотонның өзара әрекеті кезінде болады. Фотонның бос электронмен соқтығысуы кезінде фотонды жұтудың болуы мүмкін емес, өйткені бұл импульс пен энергиялардың сақталу заңдарымен қарама-қайшы келеді. Сондықтан фотондардың бос электрондармен өзара әрекеті кезінде олардың шашырауы ғана, яғни Комптон эффектісі байқалуы мүмкін.

Өзінің зерттеулері негізінде Резерфорд 1911 ж. атомның ядролық (жершарындық) моделін ұсынады. Осы модельге сәйкес Ze (Z - Менделеев жүйесіндегі элементтің реттік номері, е – элементар заряд) зарядқа ие оң ядролар шеңбері бойынша өлшемі м және массасы іс жүзінде атом массасына тең м реттік сызықтық өлшемдер аймағындағы тұйық орбиталар бойынша атомның электронды қабықшасы пайда бола отырып, электрондар қозғалады. Өйткені атомдар бейтарап, сондықтан ядро заряды электрондардың жиын зарядына тең, яғни ядролар шеңберімен Z электрондар айналуы тиіс.

Қарапайым түрде түсіндіру үшін электрон r радиуспен дөңгелек орбита бойынша, ядролар шеңбер бойынша қозғалады деп аламыз. Бұл ретте ядро мен электрон арасындағы өзара әрекеттесу кулонов күші электронға қалыпты үдеу қатынасын береді. Кулонов күшінің әсерімен шеңбер бойынша атомдағы электронның қозғалысын сипаттайтын теңдеу:

мұндағы т_e, және v — радиусы r орбитадағы электронның массасы мен жылдамдығы, e ₀ — электр тұрақтысы.

(208.1) теңдеуі: r және v екі белгісізден тұрады. Демек, радиустың саны шексіз көп мәндері мен оған сәйкес келетін осы теңдеуді қанағаттандыратын жылдамдықтар (яғни, энергиялар) мәндерінен тұрады. Сондықтан r, v (демек Е) шамалар үзіліссіз өзгеруі, яғни энергияның толық анықталған белгілі порциясы емес кез келген порциясы шығарылуы мүмкін. Сол уақытта атомдардың спектрлері тұтас болуы тиіс. Шындығында тәжірибе атомдардың сызықтық спектрге ие екенін көрсетеді.

Ферромагнетиктердің магниттелуі

күштімагниттік заттар – ферромагнетиктер – тосыннан магниттелушілікке ие заттар өмір сүреді, яғни олар тіпті сыртқы магниттік өрістің болмауы кезінде магниттелген болады. Ферромагнетиктерге олардың негізгі өкілі – темірден (оның «ферромагнетизм» атауы содан шыққан) өзге – мысалы, кобальт,никель, гадолиний, олардың қорытпалары мен қосылыстары жатады.

ферромагнетиктердің магниттелу процесі оның сызықтық өлшемдері мен көлемінің өзгеруімен қоса жүреді. Бұл құбылыс магнитострикциялар атауына ие болды (оны 1842ж., Д.Джоуль ашқан болатын). Эффектінің шамасы мен белгісі магниттелетін өрістің Н кернеулігіне, ферромагнетик табиғатына және өріске қатынасы бойынша кристоллографиялық осьтердің бағдарлануына қатысты болады

Ферромагнетиктер тағы бір түбегейлі ерекшелікке ие: әрбір ферромагнетик Кюри нүктесі деп аталатын, белгілі бір температуға ие, сол температура кезінде ол өзінің магниттік қасиеттерін жоғалтады. Кюри нүктесінен жоғары үлгіде қыздыру кезінде ферромагнетик кәдімгі парагнетикке айналады. Заттың ферромагниттік күйден Кюри нүктесінде болатын парамагниттік күйге ауысуы, жылудың жұтылуымен немесе бөлінуімен қоса жүрмейді, яғни Кюри нүктесінде ІІ түрдегі фазалық ауысу болады

Жылдамдығы 10⁷ м/с болатын, импульсі электрон импульсіне тең фотонның толқын ұзындығын анықтаңдар.

Шешімі

Осыдан жылдамдықты табыңдар ; кг;

1. Бор постулаттары. Сәйкестік принципі

Бор постулаттары – даниялық физик Нильс Бордың атомның орнықты (стационар) күйін және спектрлік заңдылықтарын түсіндіруге арналған негізгі болжамдары (1913).

Бірінші қағида немесе орнықты күйлер қағидасы: атомдағы электрондар кез келген энергиясы бар орбиталармен емес, тек белгілі бір энергиясы бар орбиталар бойымен қозғалады. Оларды орнықты орбиталар деп атайды. Орнықты орбиталардың энергиясы тек белгілі бір дискретті (үзікті) мәндерді ғана иеленеді. Электрондар мұндай орнықты орбита бойымен қозғалып жүргенде сәуле шығармайды.

Екінші қағида немесе сәуле шығарудың жиіліктік шарты: атом бір орнықты күйден екінші бір сондай күйге ауысқанда ғана жарықтың бір фотонын жұтады не шығарады. Шығарылған не жұтылған фотонның энергиясы (һν) екі стационар күй энергияларының (Е₁ және Е₂) айырымына тең (һν = Е₁ – Е₂, мұндағы ν – шығарылған не жұтылған сәуле фотонының жиілігі, һ – Планк тұрақтысы).Бор теориясы тек сутек және сутек тәріздес атомдардың құрылысын түсіндіруге қолданылады. Бор қағидалары классикалық физика заңдылықтарына толығымен қайшы келеді.Бұл қағидалар – микродүние қасиеттерін түсіндіру үшін табылған алғашқы тұжырымдар.

Дата добавления: 2014-12-24