1 ГЕОМЕТРИЧНА ТА ХВИЛЬОВА ОПТИКА 4

1.1 Предмет оптики. Дуалізм світла 4

1.2 Закони геометричної оптики: 4

1.2.1 Граничний кут відбивання. Геометрична та оптична різниця ходу променя 5

1.3 Хвильова оптика. Інтерференція 5

1.3.1 Інтерференція світла. Когерентність 5

1.3.2 Часова і просторова когерентність 6

1.3.3 Розрахунок інтерференційної картини від двох джерел 6

1.3.4 Інтерференція на тонкій плоскопаралельній пластинці 7

1.4 Хвильова оптика. Дифракція 7

1.4.1 Дифракція та її види 7

1.4.3 Дифракція на круглому отворі та круглому диску 8

1.4.4 Дифракція на щілині. Дифракційна гратка (дифракційна решітка) 9

1.4.5 Дифракція Х-променів 10

1.5 Хвильова оптика. Дисперсія світла та її пояснення на основі електронної теорії 10

1.6 Хвильова оптика. Поляризоване світло 11

1.6.1 Методи отримання поляризованого світла. Закон Брюстера 11

1.6.2 Подвійне променезаломлення. Штучна анізотропія 12

1.6.3 Закон Малюса 13

2 КВАНТОВА ОПТИКА 13

2.1 Теплове випромінювання 13

2.1.1 Теплове випромінювання і люмінесценція (свічення) 13

2.1.2 Закони теплового випромінювання 14

2.1.3 Закон Кірхгофа 15

2.1.4 Закон Стефана-Больцмана 15

2.1.5 Закон зміщення Віна 15

2.1.6 Гіпотеза Планка. Формула Планка для розподілу енергії по частотах (довжинах хвиль) 16

2.1.7 Оптична пірометрія та її застосування 16

2.2 Фотони 16

2.2.1 Фотоефект. Види фотоефекту. Закони фотоефекту. Фотодіоди та фоторезистори 16

2.2.2 Фотони. Їх властивості 17

2.2.3 Ефект Комптона 18

2.3 Х (рентгенівське)-випромінювання 18

2.3.1 Отримання Х-(рентгенівських) променів, гальмівне Хвипромінювання 19

2.3.2 Характеристичне випромінювання. Закон Мозлі. Застосування рентгенівського випромінювання 19

3 ФІЗИКА АТОМА І МОЛЕКУЛИ 20

3.1 Спектри випромінювання і поглинання атомів. Спектр атома водню. Формула Бальмера 20

3.3 Постулати Бора. Досліди Франка і Герца 21

3.4 Атом водню та його енергія згідно теорії Бора. Недоліки теорії Бора 22

3.5 Гіпотеза де Бройля та її експериментальне підтвердження 22

3.6 Співвідношення невизначеностей, або співвідношення Гейзенберга 23

3.7 Рівняння Шредінгера 24

3.8 Хвильова функція. Її властивості. Фізичний зміст хвильової функції 24

3.9 Електрон в потенціальному ящику 25

3.10 Поняття про гармонійний осцилятор в квантовій механіці 26

3.11 Тунельний ефект 26

3.12 Задача про електрон в атомі водню. Квантові числа n, , m 27

3.13 Енергетичні рівні. Молекулярні спектри 27

3.13.1 Періодична система Менделєєва та її побудова на основі заповнення енергетичних рівнів за принципом Паулі 27

3.13.2 Ефект Зеємана. Дослід Штерна і Герлаха 28

3.13.3 Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) 29

3.13.4 Енергетичний спектр молекул 29

3.14 Вимушене і спонтанне випромінювання. Лазери 30

3.14.1 Комбінаційне розсіяння 30

3.14.2 Спонтанне і вимушене випромінювання. Доведення формули Планка на основі принципа детальної рівноваги 31

3.14.3 Лазери. Принцип роботи 32

3.15 Лазери (оптичні квантові генератори) та інші джерела КПЕ (концентрованих потоків енергії) 33

3.15.1 Фізико-технічні принципи побудови оптичних квантових генераторів. Блок-схема ОКГ 33

3.15.2 Види концентрованих потоків енергії. Їх загальна характеристика 34

4 ЕЛЕМЕНТИ ФІЗИКИ ТВЕРДОГО ТІЛА 35

4.1 Кристалічна гратка. Індекси Міллера 35

4.2 Теплоємність кристалів 36

4.2.1 Закон Дюлонга-Пті 36

4.2.2 Квантова теорія теплоємності 36

4.3 Фонони 37

4.4 Елементи фізичної статистики 37

4.4.1 Невироджені і вироджені колективи мікрочастинок. Повна статистична функція розподілу 37

4.4.2 Фазовий простір. Густина станів 38

4.4.3 Розрахунок концентрації електронів та енергії Фермі в металах при 0К 40

4.4.4 Функція Фермі Дірака. Графік функції та аналіз 40

4.5 Утворення зон кристала. Класифікація твердих тіл згідно зонної теорії 41

4.6 Елементи квантової теорії металів. Надпровідність 42

4.6.1 Електропровідність металів 42

4.6.2 Теплоємність металів з точки зору квантової теорії. Зв’язок виродження стану електронів (вироджений і невироджений стан) та енергії Фермі 42

4.6.3 Явище надпровідності. Куперовські пари. Елементи теорії БКШ (автори Бардін, Купер, Шріфер) 43

4.6.4 Висновок 44

4.7 Напівпровідники 44

4.7.1 Основні особливості напівпровідників як класу речовин. Напівпровідникові матеріали, напрямки їх застосування 44

4.7.2 Власна і домішкова провідність напівпровідників. Електрони та дірки. Донори та акцептори 45

4.7.3 Температурна залежність провідності напівпровідників 46

4.8 Напівпровідникові прилади 46

4.8.1 P-n-перехід. Його утворення 46

4.8.2 Вольтамперна характеристика p-n-переходу. Напівпровідникові діоди та інші прилади із одним p-n-переходом 47

4.8.3 Транзистор 48

5 ФІЗИКА ЯДРА ТА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК 49

5.1 Основні характеристики атомного ядра. Властивості нейтронів і протонів 49

5.2 Радіоактивність. -, -розпад 49

5.3 Закон радіоактивного розпаду. Штучна і природня радіоактивність 50

5.4 Дефект маси ядра. Енергія зв’язку 51

5.5 Ядерні сили та їх властивості 51

5.6 Моделі атомного ядра 52

5.7 Ядерні реакції. Компаунд ядро. Реакції поділу та синтезу 52

5.8 Фундаментальні взаємодії 52

5.8.1 Гравітаційна взаємодія 52

5.8.2 Сильна взаємодія 53

5.8.3 Електромагнітна взаємодія 53

5.8.4 Слабка взаємодія 53

5.9.1 Особливості елементарних частинок 53

5.9.2 Класи елементарних частинок 54

5.10 Космічне випромінювання 54

5.11 Ядерна енергетика 54

5.11.1 Поділ ядра урана. Сповільнення нейтронів. Захоплення нейтронів. Коефіцієнт розмноження. Ланцюгова реакція 54

5.11.2 Схема двохконтурної атомної електростанції на сповільнених нейтронах 56

5.11.3 Проблеми та перспективи термоядерних реакторів 56

5.11.4 Біологічна дія радіоактивних випромінювань та одиниці вимірювання іонізуючих випромінювань 58

5.12 Методи реєстрації частинок 58

5.12.1 Сцинтиляційні лічильники. Іонізаційний лічильник Гейгера-Мюллера. Напівпровідникові детектори 58

5.12.2 Реєстрація нейтронів. Камера Вільсона 59

5.12.3 Фотоемульсійні методи 59

5.12.4 Детектори на ефекті Вавілова-Черенкова 59

6 ВИБРАНІ ПИТАННЯ 59

6.1 Фізика і екологія 59

6.2 Ефект Джозефсона 60

6.3 Феромагнетизм та його спінова природа 61

6.3.1 Основні властивості феромагнетиків (ФМ) 61

6.3.2 Сили обмінної взаємодії. Спінова природа феромагнетизму 62

6.4 Ефект Месбауера 62

6.4.1 Резонансне поглинання і випускання атомів 62

6.4.2 Ефект Месбауера і його застосування 63

6.5 Фотометричні величини і одиниці 63

6.6 Голографія. Можливості її застосування 64

6.6.1 Запис голограми 64

6.6.2 Відновлення голограми 64

65

6.6.3 Можливості застосування голографії 65

ПРОГРАМНІ ПИТАННЯ 65

1 Геометрична та хвильова оптика

1.1 Предмет оптики. Дуалізм світла

Оптика – це розділ фізики, що вивчає світлові явища, процеси розповсюдження світла, взаємодію світла з речовиною та взаємодію світлових потоків між собою.

Оптика поділяється на геометричну, хвильову і квантову.

Дуалізм світла полягає в тому, що воно проявляє себе в одних явищах, як потік електромагнітних хвиль, а в інших, як потік частинок – фотонів.

Як хвиля світло себе проявляє в явищах інтерференції, дифракції, поляризації, дисперсії.

Як частинка - у фотоефекті, явищах поглинання та випромінення, які спостерігаються в спектрах газів, а також в ефекті Комптона, рентгенівському випромінюванні.

З одного боку світло – електромагнітна хвиля довжиною ~0,4-0,76 мкм (мікрон). З другого – це фотони, – особливі частинки, які не мають маси спокою ,

мають енергію ( ), де h=6,6310^-34 Джс – стала Планка; і імпульс .

Якщо 0, то розповсюдження світла можна розглядати на основі геометричної (променевої) оптики, вважаючи, що світло розповсюджується вздовж деяких ліній (променів).

1.2 Закони геометричної оптики:

1. Енергія світла розповсюджується в однорідному середовищі вздовж прямих ліній, які називаються променями. При перетині промені не збурюють один одного.

2. При падінні на границю двох середовищ, падаючий, відбитий і заломлений промені та перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, поставлений у точці падіння променя лежать в одній площині. При чому кут падіння дорівнює куту відбивання і=і (рис. 1.1).

3. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є сталою величиною для даної довжини хвилі і дорівнює відношенню фазової швидкості світла в першому середовищі до фазової швидкості світла в другому середовищі:

- відносний показник заломлення другого середовища відносно першого;

- абсолютний показник заломлення (показник заломлення відносно вакууму);

, де  - діелектрична проникність середовища.

Оптично густішим називається середовище з більшим абсолютним показником заломлення. Якщо n₂₁>1 (n₂>n₁), то друге середовище оптично більш густе ніж перше.

1.2.1 Граничний кут відбивання. Геометрична та оптична різниця ходу променя

Як видно із рис. 1.2, при переході світла із оптично більш густого середовища в оптично менш густе промінь віддаляється від нормалі до поверхні розділу середовищ. При деякому куті падіння і кут заломлення r дорівнює /2. Цей кут називається граничним і визначається формулою:  . Відносно повітря, коли n₁₂=1/n .

При кутах падіння від і_гр до /2 світлова хвиля проникає в друге середовище на відстань ~  і повертається в перше середовище. Це - явище повного внутрішнього відбивання.

Геометрична різниця ходу – це відстань між двома точками з координатами ₁ і ₂: .

Оптична різниця ходу в однорідному середовищі

Світло переміщається в середовищі таким чином, щоб час розповсюдження був найменшим (принцип Ферма). Введення оптичної різниці ходу враховує неоднаковість швидкостей світла в різних середовищах і дозволяє в оптичних розрахунках користуватися законами геометрії.

1.3 Хвильова оптика. Інтерференція

1.3.1 Інтерференція світла. Когерентність

Інтерференція – явище накладання когерентних хвиль, при якому відбувається їх взаємне підсилення в одних точках простору і послаблення в інших.

Когерентними називаються хвилі, що мають однакову частоту і сталий в часі зсув по фазі. Якщо вони задані рівняннями:

,

,

то різниця фаз і для когерентних хвиль - сталий в часі зсув по фазі.

Світло розповсюджується у вигляді цугів. Цуг – відрізок хвилі (послідовність горбів і впадин). L~310⁸10^-8~3 м – довжина цуга.

Метод отримання когерентного випромінювання від двох щілин показано на рис. 1.3.

Е – екран, М – точка спостереження.

Для того, щоб від довільного джерела S отримати по схемі рис. 1.3 інтерференційну картину, необхідно досягти часової і просторової когерентності.