Возникновение квантовой физики. Законы излучения АЧТ.

Законы излучения АЧТ.

Спектр Солнца в сравнении со спектром АЧТ (источник: wikipedia.org: Solar Spectrum)

Спектр космического реликтового излучения по данным спутника COBE (источник: Hyperphysics Project)

Спектр нейтронной звезды MXB1659-29, из работы arXiv:astro-ph/0207094

Кванты света и волны материи

Фотоэффект, эффект Комптона

Об истории открытия эффекта Комптона см. оригинальную статью 1923 г.

К истории открытия фотоэффекта: об опытах Столетова , Нобелевская лекция Милликена (1924) ("for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect").

О многоквантовом фотоэффекте: обзор в УФН 1969 г. (Гладун, Барашев), и одна из ранних статей (Teich, Wolga, 1968).

Нобелевская лекция Дэвиссона (1937) об открытии дифракции электронов.

Оригинальные статьи Томсона по наблюдению дифракции электронов: короткое письмо в Nature, и подробная статья в Proceedings of the Royal Society.

Эксперимент Хитачи: интерференция одиночных электронов [American Journal of Physics, 57, 117 (1989)].

Элементарный формализм квантовой механики.

Волны де Бройля, соотношение неопределённостей

Один параграф из Ландау-Лифшица: про соотношение неопределённостей и проблему измерения, без формул.

Потенциальные барьеры и потенциальные ямы

Уравнение Шредингера. Потенциальные барьеры. Туннельный эффект

Туннелирование под барьером

Частица в двойной яме: туннельное расщепление уровней, осцилляции между состояниями.

Нобелевская лекция Г.Бинига и Г.Рёрера (1986) о создании туннельного микроскопа.

Гармонический осциллятор. Туннельные осцилляции. Оценочные и приближенные решения для квантовых ям. Момент импульса в квантовой механике. Движение в центральном поле

Потенциальные ямы. Квазиклассическое приближение.

Уровни энергии в симметричной одномерной потенциальной яме

Отражение от одномерной потенциальной ямы

Водородоподобный атом. Оптические спектры атомов. Колебательные и вращательные уровни энергии молекул.

Водородоподобные атомы, колебательные и вращательные уровни

The Atom That Bohr Built by Professor Sir Rudolph E Peierls, FRS, CBE (1907 - 1995), who prepared this verse for the occasion of Bohr's 70th birthday celebration.
и в переводе Атом который построил Бор

Нобелевская лекция Н.Бора (1922)

Несколько менее известно, чем дискретные спектры в оптическом диапазоне: характеристическое рентгеновское излучение элементов. Нобелевская лекция Ч.Баркла (1920) и Нобелевская лекция М.Зигбана (1922)

Опыт Франка-Герца: Нобелевская лекция Дж.Франка(1925) (эксперимент) и Нобелевская лекция Г.Герца (1925) (теория).

Спин. Опыты Эйнштейна-де Гааза и Штерна- Герлаха. Квантовые числа атома водорода. Тонкая и сверхтонкая структура атомных уровней атома водорода. Сложение моментов. Тождественность частиц в квантовой физике.

Магнитный момент, спин, тонкая и сверхтонкая структура

Опыт Штерна-Герлаха: Нобелевская лекция Штерна (1943), оригинальные статьи Штерна и Герлаха (на немецком) Ein Weg zur experimentellen Prüfung der Richtungsquantelung im Magnetfeld (Zeitschrift für Physik, Bd. VII, S. 249–253 (1921)) Das magnetische Moment des Silberatoms (Zeitschrift für Physik 1922, Volume 9, Issue 1, pp 353-355)

Эффект Эйнштейна - де Гааза и эффект Барнета (связь механического и магнитного моментов макроскопических образцов): К истории эффекта Эйнштейна-де Гааза (Френкель, УФН, 1979)

Два параграфа из "Квантовой механики" (Ландау и Лифшиц, том 3) про неразличимость частиц и обменное взаимодействие. Здесь же, пример непосредственного вычисления обменного интеграла в задаче 1 к параграфу 62.

Неразличимость частиц: последствия. Сложный атом. Термы. Правила Хунда. Атом в магнитном поле. g-фактор (множитель Ланде). Оптический эффект Зеемана

Контрольная работа

Оптический эффект Зеемана. Правила отбора для излучения и поглощения. «Не-оптические ипостаси» эффекта Зеемана: ЭПР и ЯМР. Спонтанное и индуцированное излучение, лазеры.

Сдача 1-го задания

Эффект Зеемана в солнечном пятне (с сайта NOAO).

К теме о спонтанных и индуцированных переходах: микроскопия с нанометровым разрешением STED ((Stimulated Emission Depletion Microscopy). Обзорная статья на Википедии, статья 1 (Reus et al, Optical Express vol.18, p. 1049 (2010)), статья 2 (Hell, Science vol.316, p.1153 (2007)), Нобелевская лекция С.Хелла (Нобелевская премия по химии, 2014)

Ядро атома: основные экспериментальные факты. Модели строения ядра. Возбуждения ядер.

Сложные атомы. Тонкая и сверхтонкая структуры. Эффект Зеемана.

Полезные сайты по ядерной физике (кафедра ядерной физики МГУ):

• Сарычева. Ядерная физика для астрофизиков
• Варламов и др. Углублённый курс ядерной физики

Определение размера ядра в опытах с мюонными атомами [Physical Review 92, 789 (1953)]

Нобелевская лекция П.Хофштадтера: рассеяние электронов высокой энергии на ядрах

Оболочечная модель ядра. Одночастичные и коллективные возбуждения ядер. Распады ядер.

Излучение, правила отбора. ЭПР и ЯМР.

• Информация о распадах ядер и излучениях: Альфа, Бета, Гамма, Нейтронный и протонный распады, Запаздывающие излучения.
• О радиоизотопной датировке

Ядерные реакции. Синтез лёгких ядер. Сечение реакции.

Ядерные модели. Радиоактивность.

Элементарные частицы. Стандартная модель. Сильное взаимодействие: кварки и глюоны. Обзор инструментов физики частиц.

Ядерные реакции.

Элементарные частицы 2: слабое взаимодействие. Важные (и красивые) эксперименты по наблюдению частиц и взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия и частицы. Сильное взаимодействие.

Фундаментальные взаимодействия и частицы. Слабое взаимодействие.

Сдача 2-го задания

Введение

Вводные замечания к курсу "Квантовая макрофизика"

Статья Ф.Андерсона More Is Different

Колебания решётки, фононы.

Электронный конспект лекции №1 "Структура и колебания кристаллических решёток".

Слайды лекции №1

Колебания решётки, фононы.

Задачи семинара №1 (2018 год)

О связи ИК-спектров с фононными модами кристалла

Теплоёмкость твёрдого тела. Модель Дебая.

Электронный конспект лекции №2 "Квантование колебаний решётки. Теплоёмкость твёрдых тел".

Слайды лекции №2

Теплоёмкость твёрдого тела. Модель Дебая.

Задачи семинара №2 (2018)

Применение модели Дебая к вычислению вероятности эффекта Мессбауэра

Статья А.Эйнштейна "Die Plancksche Theorie der Strahlung und die Theorie der spezifischen Warme", Ann. Phys., 327, 180–190 (1906)

Электронный ферми-газ.

Электронный конспект лекции №3 "Свойства электронного ферми-газа".

Слайды лекции №3

Электронный ферми-газ.

Задачи семинара №3 (2018)

Электроны в кристалле.

Электронный конспект лекции №4 "Электроны в кристаллической решётке. Зонная структура."

Слайды лекции №4

Электроны в кристалле.

Задачи семинара №4 (2018)

Пайерлсовский переход в одномерном металле: пример фазового перехода, связанного с перестройкой зонной структуры.

Галерея ферми-поверхностей на сайте Университета Флориды

Кинетические и электрические явления в твёрдых телах и металлах.

Электронный конспект лекции №5 "Кинетические и электрические явления в твёрдых телах и металлах."

Слайды лекции №5

Кинетические и электрические явления в твёрдых телах и металлах.

Задачи семинара №5 (2018)

Объёмные полупроводники.

Электронный конспект лекции №6 "Объёмные полупроводники."

Слайды лекции №6

Объёмные полупроводники.

Задачи семинара №6 (2018)

Методы изучения спектров колебаний и свойств ферми-поверхности в твёрдых телах.

Электронный конспект лекции №7 "Методы изучения структуры и колебаний кристаллической решётки. Методы изучения ферми-поверхностей."

Контрольная работа

	Бертрам Брокхауз (Bertram N. Brockhouse), нобелевская премия 1994 года по физике (1/2 премии), "за развитие нейтронной спектроскопии". Нобелевская лекция "Slow Neutron Spectroscopy and the Grand Atlas of the Physical World"
	Клиффорд Шул (Clifford G. Shull), нобелевская премия 1994 года по физике (1/2 премии), "за развитие техники нейтронной дифракции". Нобелевская лекция Early Development of Neutron Scattering

Сайты международных научных центров, проводящих эксперименты с помощью нейтронной дифракции и синхротронного излучения:

• ILL: Институт Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция)
• ESRF: Европейский центр синхротронного излучения (Гренобль, Франция)
• PSI: Инстиут Поля Шеререа (Виллиген, Швейцария)

Сверхтекучесть. Магнитные свойства сверхпроводников (I рода). Термодинамика сверхпроводников.

Электронный конспект лекции №8 "Сверхтекучесть гелия-4. Магнитные свойства сверхпроводников первого рода. Термодинамика сверхпроводников."

Слайды лекции №8

Сдача первого задания

Статьи Андроникашвили об измерении плотности сверхтекучей компоненты: ЖЭТФ (1946), ЖЭТФ (1948)

Демонстрационное видео опытов по сверхтекучести гелия-4 Alfred Leitner: Superfluid Liquid Helium (Isotope 4) - (39 min., 1963)

Демонстрационное видео опытов по сверхпроводимости Alfred Leitner: Superconductors (of Type I) - (48 min., 1965)

Электродинамика сверхпроводников. Основы микроскопики. Сверхпроводники II рода.

Электронный конспект лекции №9 "Электродинамика сверхпроводников. Основы микроскопики. Сверхпроводники II рода."

Слайды лекции №9

Электродинамика и термодинамика сверхпроводников. Основы микроскопики. Сверхпроводники II рода

Задачи семинара №9 (2018)

Энергетические диаграммы для квазичастичного тока в контактах сверхпроводников. Эффект Джозефсона.

Электронный конспект лекции №10 "Энергетические диаграммы для квазичастичного тока в контактах сверхпроводников. Эффект Джозефсона."

Слайды лекции №10

Энергетические диаграммы для квазичастичного тока в контактах сверхпроводников. Эффект Джозефсона.

Задачи семинара №10 (2018)

Контактные явления в полупроводниках.

Электронный конспект лекции №11 "Контактные явления в полупроводниках. Построение энергетических диаграмм контактов полупроводников."

Слайды лекции №11

Контактные явления в полупроводниках

Задачи семинара №11 (2018)

Низкоразмерные электронные системы.

Электронный конспект лекции №12 "Низкоразмерные электронные системы."

Слайды лекции №12

Низкоразмерные электронные системы.

Задачи семинара №12 (2018)

Магнитный порядок в кристаллах.

Электронный конспект лекции №13

Слайды лекции №13

Магнитный порядок в кристаллах. Модель молекулярного поля.

Задачи семинара №13 (2018)

Задачи семинара №14 (2018)

Разное

Слайды лекции №14

Сдача второго задания.

Работа с нестабильными результатами: используемые усилители постоянного тока на некоторых установках заметно дрейфуют и шумят, с трудом настраиваются на нулевое значение напряжения при отсутствии света.

Для учёта дрейфа рекомендуется периодически фиксировать выходное напряжение при закрытом флажке спектрометра (при отсутствии освещения фотоэлемента), а потом вычитать эту "темновую" кривую. При этом может быть удобно не балансировать ноль точно (см.пример кривой ниже) - положение ручки регулировки вблизи нуля может быть "разбито" предыдущими поколениями студентов. На электродах фотоэлемента есть контактная разность потенциалов, из-за чего к запирающему напряжению добавляется некоторая константа - это не влияет на результат, так как важен наклон зависимости запирающего напряжения от частоты. Поэтому лучше проводить измерения во всём доступном диапазоне напряжений на фотоэлементе: "правильный" интервал станет понятен только при обработке. Для калибровки: наглядная и более подробная чем в "лабнике" информация о спектрах используемых ламп есть в методичке, имеющейся в лаборатории - спросите лаборанта или преподавателя.

Примеры кривых (только для сведения, изменяются от установки к установке): калибровка спектрометра, зависимость выходного напряжения от напряжения на фотоэлементе для одной из длин волн, определение постоянной Планка.

Об истории открытия эффекта Комптона см. оригинальную статью 1923 г.

В этой работе важна точность установки нуля гониометра. Для её контроля рекомендуется (при наличии возможности) провести измерения со своим детектором при отрицательных углах. Так как наиболее сильная зависимость сдвига от угла наблюдается от 20 до 60 градусов, то измерения в этом диапазоне надо делать более аккуратно. Измерения при отрицательных углах также желательно провести в этом интервале. На окончательном графике измерения при положительных и отрицательных углах обозначать для наглядности разными символами.

Погрешность определения положения пика определяется его аппаратной шириной, оценивается по спектру на экране, зависит от угла (с углом меняется амплитуда пика и его положение относительно фона).

Пример угловой зависимости положения пика рассеянного излучения и определения массы электрона по этим данным.

К вычислению коэффициента пропускания при пролёте над одномерной потенциальной ямой

Опыт Франка-Герца: Нобелевская лекция Дж.Франка(1925) (эксперимент) и Нобелевская лекция Г.Герца (1925) (теория).

Рекомендуется подождать 20 минут с момента начала откачки установки (открытия крана №1) до начала измерений. Используется изотоп Cs-137.

Общая информация о бета-распаде.

Схема распадов Cs-137. С сайта nucleonica.net

Статья (Phys.Rev, 1948) об измерении спектра бета-распада в Cs-137. (Во вводной части статьи использована устаревшая информация о вероятности разных каналов распада, см.схему выше.)

Статья (Phys.Rev., 1948) о сравнении спектров электронного и позитронного бета-распадов в Cu-64 с теорией Ферми. Систематическое отличие связано с взаимодействием бета-частицы с полем ядра.

При измерении числа совпадений с малым временным окном для накопления статистики приходится ждать около 20 минут. Удобно поставить время измерения 5 минут и повторить пятиминутное измерение несколько раз, пока суммарное число отсчётов не станет достаточно большим.

В описании об этом не говорится, но у всякого детектора есть время срабатывания. Если окно измерения в схеме совпадений становится сравнимо с этим временем (что не учитывается при обработке), то обработка даёт искажённые результаты. В частности - завышается число случайных совпадений, что при обработке приводит к уменьшению числа истинных совпадений и завышению активности препарата. Есть прецеденты, когда вычисленное таким образом число случайных совпадений оказывалось больше полного числа совпадений. Т.о., результаты с малым временным окном завышают оценку для активности.

При больших значениях окна измерения основная часть отсчётов совпадений оказывается случайной и для определения истинного числа совпадений приходится вычитать две близких величины, что приводит к росту ошибки. Т.е., и большие времена измерения совпадений не идеальны, оптимальное временное окно схемы совпадений определяется компромиссом между этими крайностями.

Рекомендуется построить дополнительно график измеренного числа совпадений и оцениваемого числа случайных совпадений от временного окна схемы совпадений. Пример результатов (зависит от установки).

Дополнительные таблицы и графики с данными по ослаблению гамма-лучей в исследуемых материалах

Рекомендуется сначала изучить образцы поглотителя из разных материалов, демонстрирующие различный химический сдвиг, и только потом изучать серию поглотителей разной толщины. Спектры с экрана компьютера рекомендуется переснимать для дальнейшей распечатки.

Дополнительное описание к работе

Пример данных

Вычисление вероятности эффекта Мессбауэра

Дополнительная литература по теме:

Нобелевская лекция Р.Мёссбауэра, 1961

Обзорные статьи в УФН, 1960 г.: статья Мессбауэра, статья Паунда (об измерении гравитационного красного смещения), обзорная статья (Шапиро).

Статья в УФН, 1972г., о применении эффекта Мёссбауэра в химии (Гербер)

Переработанное описание работы

Инструкции по выполнению работы с дополнительными заданиями.

Переработанное описание работы с дополнительными заданиями

Пример температурной зависимости сопротивления p-n перехода

Материалы к работе: теория, инструкции по выполнению работы.