Fizyka dla inŝynierów. Cz. 2, Fizyka współczesna / Jerzy Massalski. wyd. 4, dodr. Warszawa, Spis treści

Transkrypt

1 Fizyka dla inŝynierów. Cz. 2, Fizyka współczesna / Jerzy Massalski. wyd. 4, dodr. Warszawa, 2013 Spis treści Wstęp 13 V. Fizyka atomowa Kwantowa struktura materii, elektryczności promieniowania Atomowa struktura materii Kwantowa struktura elektryczności Pomiar ładunku elementarnego Pomiar dla elektronów Fale elektromagnetyczne i promieniowanie Röntgena Falowe własności promieniowania elektromagnetycznego Odkrycie i wytwarzanie promieni Röntgena Dyfrakcja promieni Röntgena Polaryzacja promieni Röntgena Kwantowa teoria promieniowania ciała doskonale czarnego Zjawisko fotoelektryczne Liczba i prędkość fotoelektronów Równanie Einsteina Zjawisko Comptona Własności falowe cząstek Hipoteza de Broglie'a Doświadczenie Davissona i Germera nad dyfrakcją elektronów Doświadczenie Thomsona Zjawiska falowe związane z ruchem atomów i cząsteczek Prędkość fal de Broglie'a Zasada nieokreśloności Heisenberga Mikroskop elektronowy Budowa atomu Jądrowy model atomu Rutherforda. Rozpraszanie cząstek α Doświadczenie Chadwicka Budowa atomu Serie widmowe atomu wodoru Teoria Bohra budowy atomu wodoru Wpływ ruchu jądra na wartość stałej Rydberga. Masa zredukowana elektronu Odkrycie deuteru Orbity eliptyczne Poprawka relatywistyczna przy obliczaniu poziomów energetycznych 67

2 29.9. Hipoteza de Broglie'a a kwantowanie orbit Wzbudzenie atomów Doświadczenie Francka-Hertza Zasada odpowiedniości Mechanika kwantowa Równanie Schrödingera Interpretacja fizyczna funkcji falowej Ψ Stany stacjonarne Aparat matematyczny mechaniki kwantowej Operatory liniowe i hermitowskie Ogólny schemat pojęciowy mechaniki kwantowej Operatory niektórych zmiennych dynamicznych Prostsze przykłady rozwiązania równania Schrödingera Ruch cząstki swobodnej Cząstka w dole potencjału Kwantowy oscylator harmoniczny Przejście cząstki przez barierę potencjału Równania Schrödingera dla atomu wodoru Rozwiązanie równania Schrödingera dla atomu wodoru Liczby kwantowe. Główna liczba kwantowa Magnetyczna liczba kwantowa Reguły wyboru. Spinowa liczba kwantowa Atomy wieloelektronowe Model wektorowy atomu SprzęŜenie L-S, czyli sprzęŝenie Russella-Saundersa. SprzęŜenie j-j Oznaczenia stanów kwantowych w spektroskopii Zakaz Pauliego Konfiguracja elektronów w atomie Układ okresowy pierwiastków Widma jonów wodoropodobnych Widma metali alkalicznych Widma promieni Róntgena Atom w polu magnetycznym i elektrycznym Orbitalny i spinowy moment magnetyczny elektronu Doświadczenie Sterna i Gerlacha Precesja Larmora Efekt Zeemana Wytłumaczenie normalnego efektu Zeemana według teorii klasycznej Wytłumaczenie normalnego efektu Zeemana według modelu wektorowego Anomalny efekt Zeemana. Efekt Paschena-Backa 145

3 32.6. Efekt Starka Absorpcja i emisja promieniowania. Emisja spontaniczna i wymuszona Ujęcie Einsteina. Współczynniki Einsteina Emisja spontaniczna i emisja wymuszona (indukowana) Lasery i masery Lasery krystaliczne i szklane Lasery gazowe Lasery z parami metali i lasery organiczne Lasery z regulowaną dobrocią rezonatora Zastosowania laserów Spójność światła Ścisła miara spójności Interferencja wiązek światła Holografia Fizyczne własności cząsteczek Wiązanie jonowe (heteropolarne) Wiązanie kowalencyjne (homeopolarne) Zjonizowana cząsteczka wodoru H Elementy teorii Heitlera-Londona wiązania kowalencyjnego Wiązanie skierowane Widma cząsteczkowe Widmo elektronowe cząsteczek Widmo rotacyjne cząsteczek Widmo oscylacyjne cząsteczek Ramanowskie (kombinacyjne) rozproszenie światła Spektroskopia molekularna 187 VI. Fizyka ciała stałego Budowa kryształów Sieć przestrzenna i struktura kryształów Elementy symetrii Sieci przestrzenne Bravais'go (podstawowe typy sieci). Grupy punktowe. Grupy przestrzenne. Układy krystalograficzne Przykłady struktur krystalicznych Wskaźniki Millera Typy wiązań w kryształach Kryształy o wiązaniu jonowym (heteropolarnym) Kryształy o wiązaniu kowalencyjnym (homeopolarnym, atomowym, wymiennym) Kryształy o wiązaniu metalicznym Kryształy cząsteczkowe powiązane siłami van der Waalsa 209

4 Wiązanie wodorowe Metody badania struktury ciał stałych Metoda Lauego Metoda obracanego kryształu Metoda Debye'a-Scherrera (metoda proszkowa) Sieć odwrotna Statystyki klasyczne i kwantowe Przestrzeń fazowa Rodzaje statystyk Prawdopodobieństwo rozkładu cząstek rozróŝnialnych (cząstek Maxwella-Boltzmanna) Prawdopodobieństwo rozkładu cząstek nierozróŝnialnych o spinie całkowitym (cząstek Bosego-Einsteina) Prawdopodobieństwo rozkładu cząstek nierozróŝnialnych o spinie połówkowym (cząstek Fermiego-Diraca) Wzór Stirlinga Rozkład Maxwella-Boltzmanna, rozkład Bosego-Einsteina i rozkład Fermiego-Diraca Obliczanie współczynników α i β dla rozkładu Maxwella-Boltzmanna Wyprowadzenie wzoru Plancka z rozkładu Bosego-Einsteina dla gazu fotonowego (α = 0) Porównanie rozkładów Maxwella-Boltzmanna, Bosego-Einsteina i Fermiego-Diraca Rozkład Fermiego-Diraca dla elektronów. Energia Fermiego Teoria pasmowa ciała stałego. Niedoskonałości sieci krystalicznej Model elektronów swobodnych Ujęcie teorii pasmowej w przybliŝeniu silnego wiązania Ujęcie teorii pasmowej w przybliŝeniu słabego wiązania Model Kroniga i Penneya. Strefy Brillouina Porównanie obu przybliŝonych metod Przewodniki, izolatory i półprzewodniki Masa efektywna elektronu Rodzaje niedoskonałości sieci krystalicznej Fonony Defekty punktowe: luki i atomy międzywęzłowe Zanieczyszczenia chemiczne (atomy domieszkowe) Swobodne elektrony i dziury Ekscytony Dyslokacje Termiczne, elektryczne i magnetyczne własności ciał stałych Ciepło molowe ciał stałych 263

5 Kwantowa teoria Einsteina ciepła molowego ciał stałych Teoria Debye'a Rozszerzalność termiczna i przewodnictwo cieplne ciał stałych Przewodnictwo elektryczne Klasyczna teoria przewodnictwa metali Elementy kwantowej teorii przewodnictwa elektrycznego metali ZaleŜność oporu od temperatury Własności magnetyczne ciał Diamagnetyzm Paramegnetyzm Atomistyczna teoria paramagnetyzmu Elementy teorii kwantowej paramagnetyzmu Paramegnetyzm elektronów swobodnych Ferromagnetyzm Oddziaływanie wymienne elektronów Struktura domenowa ferromagnetyków Antyferromagnetyzm Ferrimagnetyzm. Ferryty Nadprzewodinictwo Materiały nadprzewodzące Elementy teorii nadprzewodnictwa Bardeena, Coopera i Schrieffera (teoria BCS) Nadprzewodnik w polu magnetycznym Własności magnetyczne nadprzewodników Efekt Meisnera Kwantyzacja strumienia magnetycznego Nadprzewodniki I і II rodzaju. Energia graniczna Krytyczna wartość natęŝenia pola magnetycznego Elektrony niesparowane i przerwa energetyczna Zjawisko Josephsona Zastosowanie zjawiska nadprzewodnictwa Własności dielektryczne ciał Polaryzacja dielektryczna Lokalne pole elektryczne w pobliŝu atomu Dielektryk w zmiennym polu elektrycznym Przenikalność elektryczna a polaryzowalność Rodzaje polaryzowalności Polaryzowalność elektronowa Polaryzowalność jonowa spręŝysta Polaryzowalność dipolowa spręŝysta Polaryzowalność dipolowa relaksacyjna ciał stałych i cieczy Kryształy piezoelektryczne i ferroelektryczne Piezoelektryczność i elektrostrykcja Kryształy ferroelektryczne 335

6 39. Elektronika fizyczna Półprzewodniki Półprzewodniki samoistne Półprzewodniki typu n z domieszką donorów i półprzewodniki typu p z domieszką akceptorów Efekt Halla: wyznaczenie liczby elektronów w paśmie przewodnictwa Strefy Brillouina. Powierzchnia Fermiego Strefy Brilloiuna Powierzchnia Fermiego Anomalny efekt naskórkowy Rezonans cyklotronowy w metalach i półprzewodnikach Zjawisko de Haasa-van Alphena Zjawiska kontaktowe Praca wyjścia Emisja termoelektronowa Napięcie kontaktowe Złącze p-n Pojemność złącza p-n Zjawisko Zenera i zjawisko Esakiego Typy diod Diody specjalne Tranzystor złączowy typu n-p-n Technologie wytwarzania tranzystorów Tranzystory polowe Optoelektronika półprzewodnikowa Fotoprzewodnictwo. Półprzewodnikowe detektory światła Fotoogniwa Fotodiody, fototranzystory Luminescencja. Półprzewodnikowe źródła światła: diody luminescencyjne Złączowe lasery półprzewodnikowe Układy scalone Hybrydowe układy scalone Monolityczne układy scalone Podział układów scalonych ze względu na stopień integracji oraz w zaleŝności od spełnianej funkcji Cyfrowe układy scalone Liniowe układy scalone 394 VII. Fizyka jądrowa 40. Własności jąder atomowych w stanie podstawowym Ładunek jądra i metody jego wyznaczania Rozmiary jąder Pomiar masy jąder 400

7 Jony dodatnie. Promienie kanalikowe Spektografia masowa Charakterystyka jąder Energia wiązania Momenty elektryczne jąder Spin i moment magnetyczny jądra Metody rezonansowe pomiaru spinów i momentów magnetycznych jąder Parzystość jądra Siły jądrowe Modele jądrowe Model jądrowy cząstek α Kroplowy model jądra Model gazu Fermiego Model powłokowy Model kolektywny Promieniotwórczość naturalna Przemiany promieniotwórcze Rodziny promieniotwórcze Rozpad promieniotwórczy sukcesywny Wiek Ziemi i skał Izotopy promieniotwórcze pierwiastków lŝejszych Jednostki promieniowania jonizującego i aktywności Skutki biologiczne oddziaływania promieniowania jądrowego na Ŝywy organizm Rozpad α Energia rozpadu α Własności cząstek α Jonizacja wywołana przez cząstki α. Zasięg cząstek α Teoria rozpadu α Rozpad β. Trzy rodzaje rozpadu β Widmo promieniowania β - i hipoteza neutrino Teoria rozpadu β Emisja promieni γ Reguły wyboru emisji promieniowania γ Konwersja wewnętrzna Izomeria jądrowa Efekt Mössbauera Reakcje jądrowe i sztuczna promieniotwórczość Odkrycie sztucznej przemiany jądrowej Odkrycie neutronu Odkrycie pozytonu 469

8 43.4. Odkrycie sztucznej promieniotwórczości Niektóre bardziej typowe reakcje jądrowe Oddziaływanie cząstek i promieniowania elektromagnetycznego z materią Zderzenia spręŝyste i niespręŝyste Przejście cięŝkich cząstek przez materię Straty energii na jonizację Zasięg Cząstki β Straty na jonizację Zasięg cząstek β Promieniowanie hamowania Jonizacja właściwa Przejście promieni X i promieni γ przez materię Wykładnicze prawo atenuacji Zjawisko fotoelektryczne Zjawisko Comptona Zjawisko tworzenia par Współczynniki absorpcji Promieniowanie Czerenkowa Neutrony Detekcja promieniowania Podział przyrządów słuŝących do detekcji promieniowania Impulsowe komory jonizacyjne, liczniki Geigera-Müllera, liczniki proporcjonalne Mechanizm powstawania impulsu Kształt impulsu z liczników Geigera-Müllera i liczników proporcjonalnych RóŜniczkowanie impulsu Komory jonizacyjne Komory prądowe Impulsowe komory jonizacyjne w postaci walca Jonizacyjna komora impulsowa o elektrodach płaskich Liczniki proporcjonalne Liczniki Geigera-Müllera Charakterystyka licznika Geigera-Müllera Kształt impulsu Czas martwy i czas restytucji Liczniki o niskim napięciu progowym Licznik scyntylacyjny Licznik Czerenkowa Emulsje jądrowe Komora Wilsona 520

9 Komory pęcherzykowe Komory iskrowe Detektory półprzewodnikowe Akceleratory stosowane w fizyce jądrowej Akceleratory ze źródłem wysokiego napięcia stałego Generator kaskadowy Cockrofta-Waltona Generator elektrostatyczny Van de Graaffa Akceleratory liniowe Protonowy akcelerator liniowy Elektronowy akcelerator liniowy z falowodem Akceleratory orbitalne Betatron (akcelerator indukcyjny) Cyklotron Akceleratory synchroniczne Synchrocyklotron Synchrotron protonowy Synchrotron elektronowy Cząstki elementarne Rodzaje oddziaływań cząstek elementarnych Zasady i prawa zachowania Prawo zachowania spinu J Prawo zachowania spinu izobarycznego T Prawo zachowania liczby barionowej A Transformacja CPT Dziwność S Przegląd własności niektórych cząstek elementarnych Leptony Mezony Bariony Neutron Źródła neutronów Izotopowe źródła neutronów Generatory neutronów Reaktor jądrowy Rozszczepienie jądrowe Odkrycie rozszczepienia jądrowego Energia wydzielana podczas rozszczepienia Neutrony powstałe podczas rozszczepienia Współczynnik mnoŝenia Objętość krytyczna reaktora Spowalnianie neutronów. Moderatory Rodzaje reaktorów 579

10 Reaktory badawcze Reaktory mocy (energetyczne) Reaktory powielające Prędkie reaktory powielające Przyszłość reaktorów powielających Światowe zapotrzebowanie na energię Pierwiastki transuranowe. Aktynowce Neptun Pluton Ameryk. Kiur Berkel. Kaliforn Einstein. Ferm Mendelew Nobel. Lorens Reakcje termojądrowe Niekontrolowane reakcje termojądrowe Bomby jądrowe Energia jądrowa w gwiazdach Kontrolowane reakcje termojądrowe Niestabilność plazmy Inne problemy kontrolowanej reakcji termojądrowej Zastosowania promieniowania jądrowego i izotopów promieniotwórczych Sposoby wykorzystania izotopów promieniotwórczych i promieniowania jądrowego WaŜniejsze przemysłowe zastosowania izotopów promieniotwórczych i promieniowania jądrowego Zastosowanie izotopów promieniotwórczych w rolnictwie Izotopy promieniotwórcze w biologii, biochemii i medycynie Baterie izotopowe Ochrona środowiska Dodatek Stale uniwersalne Potencjały jonizacji atomów Masy niektórych cząstek podstawowych Własności podstawowe pierwiastków 616 Literatura 619 Skorowidz rzeczowy 621 oprac. BPK