В.А. Горбаренко - Излучения, атомная и ядерная физика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТРАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)ИЗЛУЧЕНИЕ, АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯФИЗИКАУЧЕБНОЕ ПОСОБИЕМОСКВА 2005Антонина Ивановна БугроваВалентин Александрович ГорбаренкоЕлена Дмитриевна МишинаЮрий Иванович ТусновИЗЛУЧЕНИЕ, АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯФИЗИКАУчебное пособиеРедактор В.А.

ГорбаренкоЛитературный редактор Л.В. ОмельяновичПодписано в печать . Формат 60х84 1/16Бумага офсетная. Печать офсетная.Усл. печ. л. . Усл. кр.-отт. . Уч.-изд.л. .Тираж 1000 экз. С 339Московский государственный институт радиотехникиЭлектроники и автоматики (технический университет)119454 москва, просп. Вернадского, 78ББК 22.34+22.38Ф 48УДК 539.I+535Рецензенты: д.ф.м.н., проф. В.Г. Бочаровк.ф.м.н., доцент С.А. ХартовФ 48 Бугрова А.И., Горбаренко В.А., Мишина Е.Д., Туснов Ю.И.Излучение, атомная и ядерная физика. Учеб.пособие/Моск.гос.ин-т радиотехники, электроники и автоматики(технический университет).-М.,2005 – 104 с.Учебное пособие предназначено для студентов всех специальностей дневной, вечерней и заочной формы обучения.Табл.

1. Ил. . Библиогр.:Печатается по решению редакционно-издательского советаМосковского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технический университет).ISBN5-7339-0035-53ВВЕДЕНИЕПредлагаемое учебное пособие посвящено основам квантовой оптики, атомной и ядерной физики и является естественнымпродолжением предыдущей работы авторов [1], в которой излагались вопросы волновой оптики и их связь с фундаментальнымипроблемами физики.Понимание явлений физики излучения, атомной и ядернойфизики, как и всех явлений микромира, невозможно без квантовых представлений.

Классическая физика оказалась недостаточной для истолкования явлений атомного масштаба и, тем более,физики элементарных частиц. Потребовалось введение совершенно новых квантовых понятий. Необходимость и плодотворность их впервые обнаружилась при изучении проблемы распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела.Квантовая гипотеза, представление о фотонах и процессе излучения, как о квантовом переходе атомной системы из одного энергетического состояния в другое, позволили также объяснить закономерности фотоэффекта, эффекта Комптона и ряд других эффектов, непонятных с точки зрения классической волновой теории света.

Особенно отчетливо квантовые свойства проявились вобласти рентгеновского и γ-излучения. Квантовый характер излучения и поглощения был использован Н.Бором для объяснениязакономерностей, наблюдаемых в спектрах разреженных газов.Эти же представления необходимы для введения понятия индуцированного излучения и объяснения принципов работы лазеров.В то же время открытие явления дифракции электроновподтвердило гипотезу де Бройля о наличии у частиц веществаволновых свойств, и в настоящее время принято говорить о дуализме волн и частиц. Наличие у частиц волновых свойств привело к необходимости создания волновой или квантовой механики,основным уравнением которой является уравнение Шредингера.Используя аппарат квантовой механики, удалось достоверно описать строение атома и атомных ядер, процессы, происходящие вмире микрочастиц.Разумеется, в курсе общей физики, частью которого является это пособие, большинство вопросов атомной и ядерной физи-4ки рассматриваются авторами качественно, на основе общихпринципов, избегая сложного математического аппарата квантовой механики.

Излагаются основные идеи, их физический смысл,методы исследования и результаты, полученные современнойфизикой. При этом обращено внимание на преемственность современной и классической физики, непреходящую ценность результатов классической физики, без усвоения которых труднопроникнуться идеями современной квантовой физики. Вопросыистории, экспериментального обоснования физических законов,применения их в технике и других науках затронуты в пособиилишь постольку, поскольку это необходимо для понимания изучаемых разделов курса.Таково в кратких чертах содержание данного пособия. Дляболее полного понимания и усвоения предлагаемого материаларекомендуется сочетать его изучение с разбором решений задач,подобранных этим же коллективом авторов в [2].1. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕПод тепловым излучением понимают свечение нагретыхтел, при котором электромагнитное излучение, испускаемое веществом, возникает за счет внутренней энергии тела (излучающие атомы оказываются в возбужденном состоянии за счет энергии теплового движения).Объяснение особенностей теплового излучения сыгралогромадную роль в истории физики.

Дело в том, что к концу XIXвека считалось, что развитие физики практически завершено.Действительно, законы классической физики (механики, молекулярной физики, электромагнетизма, теории волн и т.д.) объясняли почти все наблюдаемые на опыте явления. Существовалотолько несколько опытных фактов, теоретического обоснованиякоторых не было найдено. Но многие исследователи работалинад решением этих проблем и думали, что в ближайшее время,как только будут объяснены эти, казалось бы, незначительныемоменты, строительство стройного здания физики будет завершено.5Тепловое излучение являлось одним из таких, не нашедшихсвоего объяснения, явлений.I(λ,T)Опыты показывали, что тепловое излучение имеет сплошной спектр, положениемаксимума которогозависит от температуры вещества.

Примерный график зависимости интенсивности излучения I от длиныРис.1.1волны λ для нескольких температур излучающего тела T представлен на рис.1.1.На протяжении многих лет ученые пытались теоретическиобосновать особенности спектра теплового излучения, но, в лучшем случае, им удавалось решить только некоторые частные задачи, а иногда их, безупречные с точки зрения классической физики выкладки, приводили к абсурдным результатам. И только в1900 г. Максу Планку удалось найти окончательное теоретическое решение задачи теплового излучения.

Необходимо отметить, что решение это было найдено путем принципиального изменения основных положений физики − путем создания теорииквантов. Эта новая теория оказалась столь важной и плодотворной, что дальнейшее развитие ее составило главное содержаниетеоретической физики ХХ века. И в настоящее время квантоваятеория является неотъемлемой частью почти всех областей современной физики.1.1. Основные понятия и характеристики излученияЕсли за единицу времени вещество излучает и поглощаетодинаковое количество лучистой энергии в любом спектральномдиапазоне и в любом направлении, то говорят, что излучение находится в равновесии с веществом и называется такое излучениеравновесным. Для равновесного излучения можно ввести поня-6тие температуры излучения, которая принимается равной температуре излучающего вещества.Поток и интенсивность излучения.

Пусть за время dt какаялибо поверхность dS излучает энергию dW. Потоком излученияФ c поверхности dS называетсяdW.(1.1)Ф=dtЭнергия излучения, проходящая через единичную площадкуза единицу времени при условии, что площадка ориентированаперпендикулярно направлению распространения энергии, называется интенсивностью излучения I. Очевидно,dФ.(1.2)I=dSЕсли интенсивность разложить в спектр, т.е. представитьинтегралом∞I = ∫ I ω dω .0Величину Iω называют интенсивностью излучения частоты ω.Объемная плотность энергии. Обозначим через w объемнуюплотность энергии излучения, т.е.

количество энергии излученияв единице объема пространства. Если в объеме dV содержитсяизлучение с энергией dW, то, очевидно,dW.(1.3)w=dVОбъемную плотность энергии можно разложить по частотамили длинам волн, т.е. представить в виде∞∞00w = ∫ wω dω = ∫ wλ dλ .Величины wωdω и wλ dλ имеют смысл объемной плотностилучистой энергии, приходящейся на интервал частот ω÷ω+dωили интервал длин волн λ÷λ+dλ.

Величины wω и wλ называютсяспектральными плотностями лучистой энергии. Если речь идетоб одном и том же спектральном интервале, но представленном в7различных формах, то wωdω = wλ dλ. Но λ=2πс/ω и, дифференцируя это выражение, получим dλ=−2πсdω/ω2, откудаdλ/λ=−dω/ω . Знак минус мы опускаем, он означает только, что свозрастанием частоты длина волны убывает.

Таким образом, считая величины dω и dλ положительными, можно написатьωλ(1.4)wλ = wω , wω = wλ .λωМожно показать, чтоw=4π4πI и wω =Iω ,cc(1.5)где с – скорость света.Испускательная способность. Тепловое излучение любоготела характеризуется его спектральной испускательной способностью (или просто испускательной способностью), под которойпонимают поток излучения с единицы поверхности тела в единичном интервале частот. Если dW(ω,T) − энергия, излучаемаяединицей поверхности тела, имеющего температуру Т, в единицувремени в диапазоне частот от ω до ω+dω по всем направлениям, то испускательная способность естьdW (ω , T ).(1.6)r (ω , T ) =dωИспускательная способность в сильной степени зависит от температуры излучающего тела. Ее можно также представить какфункцию не частоты ω, а длины волны λ. Аналогично (1.4) легкополучить, чтоλλ2r (ω , T ) = r (λ , T ) =r (λ , T ) .2πcω(1.7)Можно показать, чтоr (ω , T ) =cwω (ω , T ) .4(1.8)Энергетическая светимость.