КВАНТОВАЯ ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

 

 

Ю.В. Тихомиров

 

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

по курсу физики

С компьютерными моделями

 

(КВАНТОВАЯ ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ)

 

 

для студентов всех специальностей

всех форм обучения

 

МОСКВА - 2002

 

Ю.В.Тихомиров

Лабораторные работы по курсу физики с компьютерными моделями (Квантовая оптика. Атомная физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц).

 

Учебное пособие для студентов высших технических учебных заведений дневной, вечерней и заочной (дистанционной) форм обучения. -М.:2002.-22 с.

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 4

ДОПУСК К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ.. 6

ОФОРМЛЕНИЕ КОНСПЕКТА для ДОПУСКА к ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 6

ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ К ЗАЧЕТУ.. 7

КВАНТОВАЯ ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ.. 9

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ.. 9

СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА.. 13

ЭФФЕКТ КОМПТОНА.. 18

ЛИТЕРАТУРА.. 22

НЕКОТОРЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ СВЕДЕНИЯ.. 22

ВВЕДЕНИЕ

 

Данный сборник содержит описания к лабораторным работам, в которых используются компьютерные модели, разработанные фирмой «Физикон».

 

Для начала работы необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен над эмблемой сборника компьютерных моделей. После этого появится начальная картинка, имеющая вид

 

 

После этого необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, установив ее маркер над названием радела, в котором расположена данная модель. Для квантовой физики вы увидите следующую картинку

 

 

 

Чтобы увидеть дальнейшие пункты содержания данного раздела надо щелкать левой кнопкой мыши, установив ее маркер на кнопку со стрелкой вниз, расположенную в правом нижнем углу внутреннего окна.

Кнопки вверху картинки являются служебными. Предназначение каждой проявляется когда маркер мыши располагается над нею в течение 1-2 секунд (без нажатия кнопок мыши). Очень важной является кнопка с двумя вертикальными чертами « çê», которая служит для остановки эксперимента, а рядом расположенные кнопки – для шага «uç» и продолжения «uu» работы.

Прочитав надписи во внутреннем окне установите маркер мыши над надписью требуемой компьютерной модели и дважды коротко нажмите левую кнопку мыши.

Рассмотрите рисунок на странице 11. В появившемся внутреннем окне сверху также расположены служебные кнопки. Кнопка с изображением страницы служит для вызова теоретических сведений. Перемещать окна можно, зацепив мышью заголовок окна (имеющий синий фон). Для закрытия окна надо нажать мышью кнопку с крестом в верхнем правом углу данного окна.

 

ДОПУСК К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Проводится преподавателем побригадно с персональным опросом каждого студента. Для допуска: * Каждый студент предварительно оформляет свой персональный конспект данной… * Преподаватель индивидуально проверяет оформление конспекта и задает вопросы по теории, методике измерений,…

ОФОРМЛЕНИЕ КОНСПЕКТА для ДОПУСКА к ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

  Первая страница (обложка):   Допуск Измерения Установка Зачет       …

ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ К ЗАЧЕТУ

Полностью оформленная и подготовленная к зачету работа должна соответствовать следующим требованиям: Выполнение всех пунктов раздела описания “Оформление отчета” (в черновике… Графики должны удовлетворять всем требованиям, приведенным ниже.

КВАНТОВАЯ ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3_1

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев, т.3, §9). Запустите программу. Выберите «Квантовая физика» и «Фотоэффект». Нажмите вверху… ЦЕЛЬ РАБОТЫ: * Знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта.

Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.

1. Зацепив мышью, перемещайте метку на спектре, постепенно увеличивая длину волны облучения фотокатода. Добейтесь полного отсутствия фототока.… 2. Для более точного определения связи запирающего напряжения с длиной волны… · Сначала установите значение запирающего напряжения в соответствии с таблицей 2.

ТАБЛИЦА 3. Значения работы выхода для некоторых материалов

Материал	калий	литий	платина	рубидий	серебро	цезий	цинк
АВЫХ, эВ	2.2	2.3	6.3	2.1	4.7	2.0	4.0

 

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Что такое фотоны?

2. Назовите все модели электромагнитного излучения.

3. Напишите формулу энергии фотона.

4. Напишите формулу, связывающую энергию фотона и его массу.

5. Напишите выражение энергии фотона через его импульс.

6. Дайте формулировку явления внешнего фотоэффекта.

7. Опишите по шагам, что происходит с фотоном, падающим на границу металла.

8. Опишите по шагам, что происходит со свободным электроном металла, после его взаимодействия с фотоном.

9. Опишите, что происходит с электроном, входящим в состав атома металла, после его взаимодействия с фотоном.

10. Что такое работа выхода? Чья это характеристика?

11. Напишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

12. Дайте определение красной границы фотоэффекта.

13. Как устроен фотоэлемент?

14. Почему катод фотоэлемента называют фотокатодом?

15. Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода.

16. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода ниже потенциала фотокатода?

17. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода выше потенциала фотокатода?

18. Как связана кинетическая энергия электрона у катода с его потенциальной энергией а анода и почему?

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3_2

СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: * Знакомство с планетарной и квантовой моделями атома при моделировании… * Экспериментальное подтверждение закономерностей формирования линейчатого спектра излучения атомарного водорода при…

Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.

ИЗМЕРЕНИЯ Нажмите мышью кнопку «Старт» вверху экрана. Подведите маркер мыши к уровню энергии электрона с номером n0, указанным в таблице 2 для вашей бригады и нажмите левую…

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Что такое спектр электромагнитного излучения (ЭМИ)?

2. Что такое линейчатый спектр ЭМИ?

3. Что является источником линейчатого спектра ЭМИ?

4. Что такое полосатый спектр ЭМИ и что является его источником?

5. При каких условиях излучается сплошной спектр ЭМИ?

6. Опишите планетарную модель атома.

7. При каких условиях электроны в атоме излучают или поглощают ЭМИ?

8. Как связаны друг с другом характеристики фотона и электрона, который излучает данный фотон?

9. Какое уравнение используется для анализа квантовой модели атома?

10. Что является решением этого уравнения?

11. Как описывается электрон и его движение в квантовой модели атома?

12. Что определяет квадрат модуля волновой функции?

13. Дайте определение орбитали электрона в атоме.

14. Что определяет главное квантовое число? Напишите формулу для его нахождения.

15. Что определяет азимутальное квантовое число? Напишите формулу для его нахождения.

16. Что определяет магнитное квантовое число? Напишите формулу для его нахождения.

17. Что такое спин электрона?

18. Что определяет спиновое квантовое число? Напишите формулу для его нахождения.

19. Что определяет магнитное спиновое квантовое число? Напишите формулу для его нахождения.

20. Что такое вырожденные состояния?

21. Как определить кратность вырождения состояния?

22. Расшифруйте краткую запись состояния электрона в атоме (2s² , 2p³).

23. Может ли электрон иметь состояние 2d и почему?

24. Сформулируйте правило отбора.

25. Что такое спектральная серия?

26. Назовите названия спектральных серий излучения атомарного водорода. Запишите условия для их возникновения.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3_3

ЭФФЕКТ КОМПТОНА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: * Знакомство с моделями электромагнитного излучения и их использованием при… * Экспериментальное подтверждение закономерностей эффекта Комптона.

Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.

ИЗМЕРЕНИЯ 1.Нажмите мышью кнопку «Старт» вверху экрана. 2. Подведите маркер мыши к движку регулятора длины волны падающего ЭМИ и установите первое значение длины волны из…

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Назовите модели, с помощью которых описывается электромагнитное излучение.

2. Назовите области физики в которых используются соответствующие модели ЭМИ.

3. Что такое луч?

4. Что такое гармоническая волна?

5. Сформулируйте связь между характеристиками ЭМИ в волновой и квантовой моделях.

6. Назовите эффекты, для описания которых надо использовать и волновую и квантовую модели ЭМИ. Проиллюстрируйте один из эффектов.

7. Как моделируется процесс взаимодействия падающего рентгеновского фотона и свободного электрона вещества?

8. Какие законы сохранения выполняются при взаимодействии фотона с электроном в эффекте Комптона.

9. Сравните поведение фотонов после взаимодействия с электронами в эффекте Комптона и фотоэффекте.

10. Что такое комптоновская длина волны частицы?

11. Почему эффект Комптона не наблюдается при рассеянии фотонов на электронах, сильно связанных с ядром атома?

12. Как меняется энергия фотона при его комптоновском рассеянии?

13. Что происходит с электроном после рассеяния на нем фотона?

14. Чем отличается масса от массы покоя? Когда они совпадают?

15. Напишите уравнение для импульса фотона.

16. Напишите формулу для эффекта Комптона.

17. Напишите формулу для комптоновской длины волны электрона.

18. Чему равно максимальное изменение длины волны рассеянного фотона и когда оно наблюдается?

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. М.: «Наука», 1979.

 

НЕКОТОРЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ СВЕДЕНИЯ

  ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ   Название Символ Значение Размерность Гравитационная постоянная …