Навчальний посібник написано відповідно до робочої програми з дисципліни ‹‹Фізика›› для студентів спеціальності "Прикладна механіка". У ньому систематично викладено основи оптики, атомної фізики, квантової механіки, квантової статистики, фізики твердого тіла, фізики атомного ядра та елементарних частинок. Значну увагу приділено практичному застосуванню фізичних законів у різних галузях науки і техніки. ЗМІСТ Вступ.................................................................................................. 8 ОПТИКА 1. Інтерференція світла ………………….…………………… 11 1.1. Електромагнітна природа світлових хвиль ……….….. 11 1.2. Когерентність світлових хвиль ………………………... 15 1.3. Методи отримання когерентних світлових хвиль …… 17 1.4. Інтерференція двох когерентних світлових хвиль ….. 20 1.5. Розрахунок інтерференційної картини від двох когерентних джерел ……………………………………. 23 1.6. Інтерференція в тонких плівках ………………………. 25 1.7. Застосування інтерференції …………………………… 35 Контрольні запитання та завдання …………………………. 41 2. Дифракція світла …………………………………………… 42 2.1. Принцип Гюйгенса-Френеля ………………………….. 42 2.2. Метод зон Френеля …………………………………….. 44 2.3. Дифракція Френеля ……………………………………. 48 2.4. Дифракція Фраунгофера на одній щілині ……………. 51 2.5. Дифракція Фраунгофера на дифракційній гратці ……. 54 2.6. Дифракція на просторовій гратці ……………………... 58 2.7 Роздільна здатність оптичних приладів ………………. 60 Контрольні запитання та завдання …………………………. 64 3. Взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною ……… 65 3.1. Дисперсія світла ………………………………………... 65 3.2. Електронна теорія дисперсії світла …………………… 68 3.3. Поглинання світла ……………………………………... 72 3.4. Ефект Доплера …………………………………………. 75 3.5. Випромінювання Вавилова-Черенкова ………………. 77 Контрольні запитання та завдання …………………………. 79 4. Поляризація світла ………………………………………… 80 4.1. Природне і поляризоване світло ……………………… 80 4.2. Поляризація світла при відбиванні і заломленні на межі поділу двох середовищ ………………………. 84 4.3. Подвійне променезаломлення ………………………… 86 4.4. Штучна оптична анізотропія ………………………….. 89 4.5. Обертання площини поляризації ……………………… 91 Контрольні запитання та завдання …………………………. 93 5. Елементи геометричної оптики та фотометрії …………. 95 5.1. Основні поняття геометричної оптики ……………….. 95 5.2. Закони відбивання та заломлення …………………….. 96 5.3. Найпростіші оптичні прилади ………………………… 101 5.4. Основні фотометричні величини та їх одиниці ……… 107 Контрольні запитання та завдання …………………………. 112 6. Квантові властивості випромінювання …………………. 114 6.1. Теплове випромінювання ……………………………… 114 6.1.1. Природа теплового випромінювання ……….….... 114 6.1.2. Основні характеристики теплового випромінювання………………………………..…..…. 115 6.1.3. Закони теплового випромінювання…………….…. 118 6.1.4. Основи теорії теплового випромінювання…….... 122 6.1.5. Оптична пірометрія………………………………… 127 6.2. Фотоелектричний ефект………………………………... 132 6.2.1. Закони зовнішнього фотоефекту ……………….. 132 6.2.2. Квантова теорія фотоефекту …………………… 135 6.2.3. Види фотоефекту. Фотоелементи та їх застосування …………………………………………. 137 6.3. Маса та імпульс фотона. Тиск світла ………………… 140 6.4. Ефект Комптона ……………………………………….. 142 6.5. Корпускулярно-хвильовий дуалізм електромагнітного випромінювання …………………. 145 Контрольні запитання та завдання …………………………. 148 АТОМНА ФІЗИКА 7. Атом Гідрогену і воднеподібні системи …………………. 149 7.1. Моделі атома …………………………………………… 149 7.2. Лінійчастий спектр …………………………………….. 152 7.3. Постулати Бора ………………………………………… 154 7.4. Теорія атома Гідрогену і воднеподібних систем ……. 155 7.5. Дослід Франка і Герца …………………………………. 159 Контрольні запитання та завдання …………………………. 162 8. Основи квантової механіки ……………………………….. 163 8.1. Хвильові властивості речовини ………………………. 163 8.2. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга ……… 170 8.3. Хвильова функція ……………………………………… 175 8.4. Рівняння Шредінгера …………………………………... 178 8.5. Частинка в одномірній прямокутній "потенціальній ямі" з нескінченно високими стінками ………………. 181 8.6. Проходження частинки крізь потенціальний бар'єр. Тунельний ефект ……………………………………….. 187 8.7. Квантовий гармонічний осцилятор …………………… 191 Контрольні запитання та завдання …………………………. 194 9. Будова та оптичні властивості атомів та молекул …….. 195 9.1. Квантово-механічне описання воднеподібних систем …………………………………………………… 195 9.1.1. Рівняння Шредінгера……………………………….... 195 9.1.2. Енергетичні рівні ………………………………….… 196 9.1.3. Квантові числа …………………………………….… 197 9.1.4. Оптичний спектр …………………………………… 203 9.2. Основний стан атома Гідрогену ………………………. 206 9.3. Принцип Паулі. Розподіл електронів в атомі за станами …………………………………………………. 208 9.4. Рентгенівський спектр …………………………………. 213 9.5. Будова молекул. Молекулярні спектри ………………. 219 9.6. Комбінаційне розсіяння світла ………………………... 221 9.7. Спонтанне та індуковане випромінювання ………….. 224 9.8. Оптичні квантові генератори (лазери) ……………….. 226 9.9. Застосування лазерів …………………………………... 230 Контрольні запитання та завдання …………………………. 232 10. Елементи квантової статистики …………………………. 233 10.1. Квантові статистики Фермі-Дірака та Бозе-Енштейна …………………………………………. 233 10.2. Фононний газ. Теплоємність кристалічної гратки ….. 243 10.3. Розподіл електронів провідності в металі за енергіями. Енергія Фермі ……………………………… 249 10.4. Електропровідність металів …………………………… 255 10.5. Ефективна маса електронів у кристалі ……………….. 259 10.6. Надплинність …………………………………………… 263 10.7. Надпровідність …………………………………………. 268 Контрольні запитання та завдання …………………………. 275 11. Елементи фізики твердого тіла …………………………... 276 11.1. Енергетичні зони в кристалах …………………………. 276 11.2. Метали, діелектрики і напівпровідники по зонній теорії ……………………………………………. 279 11.3. Власна провідність напівпровідників ………………… 282 11.4. Домішкова провідність напівпровідників ……………. 287 11.5. Робота виходу електрона ……………………………… 292 11.6. Контакт електронного і діркового напівпровідників ………………………………………. 296 11.7. Напівпровідниковий тріод (транзистор) …………….. 301 11.8. Контакт двох металів …………………………………... 305 11.9. Термоелектричні явища і їх застосування …………… 307 11.10. Фотоефект у напівпровідниках ……………………….. 311 11.11. Люмінісценція твердих тіл ……………………………. 315 Контрольні запитання та завдання …………………………. 319 ЯДЕРНА ФІЗИКА 12. Атомне ядро та його будова ………………………………. 321 12.1. Склад, будова та характеристики атомних ядер …….. 321 12.2. Дефект маси і енергія зв'язку ядра …………………… 325 12.3. Ядерні сили та їх основні властивості ……………….. 327 12.4. Моделі ядра …………………………………………….. 329 Контрольні запитання та завдання …………………………. 331 13. Радіоактивність …………………………………………….. 332 13.1. Явище радіоактивності та його види …………………. 332 13.2. Закон радіоактивного розпаду. Правила зміщення ….. 333 13.3. Закономірності альфа-розпаду ………………………... 337 13.4. Закономірності бета-розпаду. Нейтрино ……………... 340 13.5. Гамма-випромінювання і його властивості ………….. 344 Контрольні запитання та завдання …………………………. 345 14. Взаємодія різних видів іонізуючих випромінювань з речовиною …………………………………………………… 347 14.1. Класифікація частинок за механізмами взаємодії з речовиною …………………………………. 347 14.2. Проходження важких заряджених частинок через речовину …………………………………………. 348 14.3. Проходження легких заряджених частинок через речовину …………………………………………. 352 14.4. Проходження ?-квантів через речовину. Закон поглинання ……………………………………… 356 14.5. Резонансне поглинання ?-випромінювання (ефект Мессбауера) …………………………………….. 360 14.6. Джерела і методи реєстрації ядерних частинок ……… 364 14.7. Космічне випромінювання ……………………………. 374 14.8. Дія ядерних випромінювань на речовину ……………. 377 14.9. Вимірювання величин іонізуючих випромінювань і радіоактивності …………………….. 379 14.10. Біологічна дія ядерних випромінювань ………………. 381 14.11. Захист від радіаційного опромінення ………………… 383 14.12. Застосування радіоактивних випромінювань у науці і техніці ………………………………………… 387 Контрольні запитання та завдання …………………………. 391 15. Ядерні реакції. Елементи ядерної енергетики …………. 393 15.1. Ядерні реакції, їхній механізм та класифікація ……… 393 15.2. Ядерні реакції під дією нейтронів ……………………. 399 15.3. Реакція ядерного поділу ………………………………. 402 15.4. Ланцюгова реакція поділу …………………………….. 405 15.5. Поняття про ядерну енергетику ………………………. 408 15.6. Реакція синтезу атомних ядер. Проблема керованих термоядерних реакцій …………………….. 412 Контрольні запитання та завдання …………………………. 416 16. Елементи фізики елементарних частинок ……………… 418 16.1. Загальна характеристика основних властивостей елементарних частинок ………………... 418 16.2. Типи фундаментальних взаємодій ……………….…… 419 16.3. Класифікація елементарних частинок …………….….. 420 16.4. Частинки і античастинки ……………………………… 423 16.5. Взаємодія та взаємоперетворення елементарних частинок ………………………………... 428 16.6. Кварки …………………………………………………... 433 16.7. Єдина теорія взаємодій………………………………… 436 Контрольні запитання та завдання …………………………. 438 17. Фізична картина світу …………………………………….. 440 17.1. Баріонна матерія - основа сучасної світобудови …… 440 17.2. Народження та еволюція Всесвіту. Теорія Великого Вибуху ……………………………… 442 17.3. Еволюція зірок …………………………………………. 446 17.4. Походження хімічних елементів ……………………… 453 17.5. Майбутній шлях еволюції Всесвіту ………………….. 460 Контрольні запитання та завдання …………………………. 467 Предметний покажчик …………………………………………. 469 Перелік використаних джерел ………………………………… 474