И.В.Савельев Курс общей физики, том III.

ОПТИКА, АТОМНАЯ ФИЗИКА, ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Главная цель книги — познакомить студентов прежде всего с основными идеями и методами физики. Особое внимание обращено на разъяснение смысла физических законов и на сознательное применение их. Несмотря на сравнительно небольшой объем, книга представляет собой серьезное руководство по физике, обеспечивающее подготовку, достаточную для успешного усвоения в дальнейшем теоретической физики и других физических дисциплин,

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие к третьему изданию 7 Из предисловия к первому изданию

8

ЧАСТЬ I ОПТИКА Глава I. Введение 9 § 1. Основные законы оптики 9 § 2. Развитие представлений о природе света

16

§ 3. Принцип Ферма 19 § 4. Скорость света 21 § 5. Световой поток 23 § 6. Фотометрические величины и их единицы

23

§ 7. Фотометрия 33 Глава II. Геометрическая оптика

34

§ 8. Основные понятия и определения

34

§ 9. Центрированная оптическая система

37

§ 10. Сложение оптических систем

47

§ 11. Преломление на сферической поверхности

51

§ 12. Линза 58 § 13. Погрешности оптических систем

62

§ 14. Оптические приборы 64 § 15. Светосила объектива 69 Глава III. Интерференция света

72

§ 16; Световая волна 72 § 17. Интерференция световых волн

78

§ 18. Способы наблюдения интерференции света

88

§ 19. Интерференция света при отражении от тонких пластинок

90

§ 20. Применения интерференции света

99

Глава IV. Дифракция света 103 § 21. Принцип Гюйгенса — Френеля

108

§ 22. Зоны Френеля 108 § 23. Дифракция Френеля от простейших преград

114

§ 24. Дифракция Фраунгофера от щели

128

§ 25. Дифракционная решетка 134 § 26. Дифракция рентгеновских лучей

144

§ 27. Разрешающая сила объектива

152

Глава V. Поляризация света 155 § 28. Естественный и поляризованный свет

155

§ 29. Поляризация при отражении и Преломлении

159

§ 30. Поляризация при двойном лучепреломлении

164

§ 31. Интерференция поляризованных лучей. Эллиптическая поляризация

170

§ 32. Кристаллическая пластинка между двумя поляризаторами

175

§ 33. Искусственное двойное лучепреломление

180

§ 34. Вращение плоскости поляризации

182

Глава VI. Оптика движущихся сред и теория относительности

190

§ 35. Опыт Физо и опыт Майкельсона

190

§ 36. Специальная теория относительности

197

§ 37. Преобразования Лоренца 200 § 38. Следствия из преобразований Лоренца

203

§ 39. Интервал 208 § 40. Сложение скоростей 212 § 41. Эффект Допплера 214 § 42. Релятивистская динамика 218 Глава VII. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом

228

§ 43. Дисперсия света 228 § 44. Групповая скорость 229 § 45. Элементарная теория дисперсии

233

§ 46. Поглощение света 236 § 47. Рассеяние света 238 § 48. Эффект Вавилова — Черенкова

242

Глава VIII. Тепловое излучение

244

§ 49. Тепловое излучение и люминесценция

244

§ 50. Закон Кирхгофа 246 § 51. Закон Стефана—Больцмана и закон Вина

251

§ 52. Формула Рэлея—Джинса 253 § 53. Формула Планка 259 § 54. Оптическая пирометрия 264 Глава IX. Фотоны 272 § 55. Тормозное рентгеновское излучение

272

§ 56. Фотоэффект 275 § 57. Опыт Боте. Фотоны 281 § 58. Эффект Комптона 285 ЧАСТЬ II АТОМНАЯ ФИЗИКА Глава X. Боровская теория атома

290

§ 59. Закономерности в атомных спектрах

290

§ 60. Модель атома Томсона 293 § 61. Опыты по рассеянию a-частиц. Ядерная модель атома

295

§ 62. Постулаты Бора. Опыт Франка и Герца

301

§ 63. Элементарная боровская теория водородного атома

305

Глава XI. Квантовомеханическая теория водородного атома

308

§ 64. Гипотеза де-Бройля. Волновые свойства вещества

308

§ 65. Уравнение Шредингера 310 § 66. Квантовомеханическое описание движения микрочастиц

314

§ 67. Свойства волновой функции. Квантование

320

§ 68. Частица в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме. Прохождение частиц через потенциальный барьер

321

§ 69. Атом водорода 330 Глава XII. Многоэлектронные атомы

338

§ 70. Спектры щелочных металлов

338

§ 71. Нормальный эффект Зеемана

344

§ 72. Мультиплетность спектров и спин электрона

347

§ 73. Момент импульса в квантовой механике

354

§ 74. Результирующий момент 357

многоэлектронного атома § 75. Аномальный эффект Зеемана

360

§ 76. Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням

367

§ 77. Периодическая система элементов Менделеева

369

§ 78. Рентгеновские спектры 377 § 79. Ширина спектральных линий

381

§ 80. Вынужденное излучение 386 Глава XIII. Молекулы и кристаллы

389

§ 81. Энергия молекулы 389 § 82. Молекулярные спектры 395 § 83. Комбинационное рассеяние света

403

§ 84. Теплоемкость кристаллов 405 § 85. Эффект Мёссбауэра 417 § 86 Лазеры. Нелинейная оптика 424 ЧАСТЬ III ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Глава XIV. Атомное ядро 434

§ 87. Состав и характеристика атомного ядра

434

§ 88. Масса и энергия связи ядра 438 § 89. Природа ядерных сил 441 § 90. Радиоактивность 443 § 91. Ядерные реакции 457 § 92. Деление ядер 463 § 93. Термоядерные реакции 472 Глава XV. Элементарные частицы

476

§ 94. Космические лучи 476 § 95. Методы наблюдения элементарных частиц

478

§ 96. Классы элементарных частиц и виды взаимодействий

482

§ 97. Частицы и античастицы 487 § 98. Изотопический спин 408 § 98. Странные частицы 499 § 100. Несохранение четности в слабых взаимодействиях

503

§ 101. Нейтрино 509 § 102. Систематика элементарных частиц

512

Приложение. Голография 518 Предметный указатель 522

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Аберрация света 21, 191 — сферическая 62 — хроматическая 63 Абсолютная система отсчета 191 Абсолютно черное тело 248, 250 Адроны 485 Аккомодация 64 Альфа-лучи 450 Альфа-распад 450 Альфа-частицы 295 Анализатор 175 Аннигиляция пар 489, 492 Антинейтрино 435 Антинейтрон 493 Антипротон 492 Античастицы 492 Астигматизм 63

Атомная единица массы 434 Атомный номер 435 — остаток 343 Барионное число 493 Барионный заряд 486, 493 Барионы 485 Барн 461 Бета-лучи 450 Бета-распад 453 Бипризма Френеля 89 Бозоны 486 Бомба атомная 441, 467 — термоядерная 473 Вакуум 488 Ветвь акустическая 415 — оптическая 405, 415 Взаимодействие гравитационное 484

— обменное 442, 446 Взаимодействие сильное 442, 483 — слабое 484 — электромагнитное 483 Видности функция 24 Виртуальные процессы 446 — частицы 443 Внутренняя конверсия 452 Волна монохроматическая 23, 93, 236 Волновая функция 311, 314, 320 Волновое число 283, 291 Волны когерентные 78, 81 Восьмеричный путь 515 Вращение плоскости поляризации

182 — — — магнитное 188 Время абсолютное 197 — взаимодействия 483 — жизни возбужденного состояния

атомов 381 — — — — ядер 418, 452 — — метастабильного состояния 381 — собственное 207 Вырождение 332 Гамма-лучи 450 Гармонический осциллятор 392 Гиперзаряд 501 Гиперон 486 Гипотеза де-Бройля 308, 309, 312 — Юкавы 444 Главное сечение кристалла 165 Гравитационное красное смещение

422 Гравитоны 484 Граница серии 292 Группа волн 230, 236 Давление света 283 Двойное лучепреломление 161, 180 Дейтерий 436 Дейтон 442, 457 Деление ядер 441, 463 Дефект масс 440 Диаграмма Мозли 370

Диоптрия 42 Дисперсия аномальная 229, 236 — нормальная 229, 236 — света 63, 228 — —, элементарная теория 233 —— спектрального прибора

линейная 141 — — — угловая 140 Дисторсия 63 Дифракционная решетка 134 и д., 250 — — вогнутая 143 — — отражательная 143 Дифракция в параллельных лучах

108 — от края полуплоскости 120 — — круглого диска 118 —— — — отверстия 114 — — щели 126, 128 — рентгеновских лучей 144 и д. — света 18, 106 — Фраунгофера 108 — Френеля 108 — электронов 309, 315 Дихроизм 165 Дополнительные окраски 178 Единица радиоактивности 457 e-захват 456 Закон Больцмана 260, 388, 424 — Брюстера 160, 161 — Бугера 237 — взаимности световых лучей 11 — взаимосвязи массы и энергии 226 — Дюлонга и Пти 406, 414 — Кирхгофа 249 — Ламберта 29 — Малюса 157 — Мозли 378 — независимости световых лучей 9,

431 — обратимости световых лучей 11 — отражения света 9, 20 Закон поглощения света 237 — преломления света 10, 20

— пропорциональности массы и энергии 226

— прямолинейного распространения света 9, 112

— радиоактивного распада 448 — Рэлея 240 — смещения Вина 253, 264 — сохранения барионного заряда 493 — — комбинированной четности 507 — — лептонного заряда 494 — — странности 501 — — четности 505 — Стефана—Больцмана 252, 263 — Стокса 404 — Столетова 277 — T3 Дебая 413 Законы сохранения 513 — фотоэффекта 275 и д. Закрученность частицы 507 Зарядовая независимость ядерных

сил 442 Зарядовое сопряжение 494 — число 435 Зеркала Френеля 88 Зеркало сферическое 55 Зонная пластинка 114 Зоны Френеля 108 Зрительная труба 67 Излучение Вавилова—Черенкова 243 — вынужденное 386, 424 — индуцированное 386 — равновесное 245, 264 — резонансное 417 — спонтанное 382, 386 — температурное 244 — тепловое 244 Изобары 436 Изображение действительное 36 — мнимое 36 — обратное 39 — оптическое 36 — прямое 39

— стигматическое 36 — точечное 36 Изомеры 436, 452 Изотоны 436 Изотопы 436 Инверсия комбинированная 507 Инверсия пространства 504 Инверсная населенность

энергетических уровней 425 Интегралы Френеля 122 Интенсивность света 73, 75 Интервал 208 Интерференция в тонких пластинках

90 и д. — волн 79 — поляризованных лучей 170 и д. — света 18, 78 и д. Интерферометр Майкельсона 100,

193 Испускательная способность 246 Источник света изотропный 26 — — косинусный 29 — — ламбертовский 29 — — точечный 26 (j,j)-связь 358 Кант полосы 396, 403 Каон 485 Катодолюминесценция 244 Квазичастица 416 Квант действия 260 — звука 416 — энергии 251, 260 Квантовое число азимутальное 331,

332, 367 — — вращательное 394 — — главное 305, 331, 332, 367 — — колебательное 392 — — магнитное 331, 332, 345,367 — — полного момента 351 — — спиновое 349, 367 Кванты света 278, 281, 301 Кварки 516 K-захват 456

K-мезоны 485 Когерентность 78, 81 — временная 81 — пространственная 81 Коллинеарное соответствие 37 Кольца Ньютона 98 Кома 63 Компаунд-ядро 458 Комптоновская длина волны 289, 444 Константа взаимодействия 483 Коротковолновая граница

рентгеновского спектра 272, 275 Корпускулярно-волновой дуализм 18,

283, 308 Космические лучи 476 и д. Коэффициент отражения 77, 328 — поглощения 236, 237 — — отрицательный 425 — упаковочный 440 — Эйнштейна 387 — экстинкции 240 Кратность вырождения 332 Кристалл двуосный 166 — одноосный 165 Критическая масса 467 — опалесценция 242 Кружок наименьшего рассеяния 36 Кюри, единица радиоактивности 457 Лагранжа—Гельмгольца инвариант

57 Лазер 387, 424 и д. Ланде множитель 363, 364 Лептонное число 494 Лептонный заряд 494 Лептоны 446, 485 Ливни электронно-позитронных пар

476 Линза 58 Лоренцево смешение 347 — сокращение 205 Луч 34, 169 — необыкновенный 164, 168 — обыкновенный 164, 168

— параксиальный 52 Люкс 27, 28 Люмен 26 Люминесценция 244 Люминофоры 244 Магнетон Бора 344, 350 — ядерный 434 Магнитный момент атома 363 — — электрона орбитальный 344 — — — собственный 350 Мазер 424 Масса покоя 223, 282 — релятивистская 223 Массовое число 435 Мезоны 442, 445, 485 Механический эквивалент света 27 Микрочастицы 310, 316 Мировая линия 208 — точка 208 Многофотонные процессы 432 Модель атома векторная 361 — — Резерфорда 296 — — Томсона 293 — — ядерная 296, 301 Момент импульса 333, 354 и д. — инерции молекулы 394, 398 Мультиплетность терма 360 Мультиплеты 348 — зарядовые 496, 497, 514 — обращённые 377 — правильные 377 — унитарные 514 Мутные среды 239 Мю-мезон 207, 445 Мюон 445 Нейтрино 455, 509 — мюонное 512 — продольное 508 — электронное 512 Нейтрон 435 Нелинейное отражение света 431 Несохранение четности 505 Нит 29

Нормальное смещение 347, 361, 365 Нуклон 434, 496 Оптика волновая 34, 72 — геометрическая 34 — лучевая 34 — нелинейная 431 Оптическая длина пути 19, 82, 193 — ось кристалла 165, 183 — — системы 36, 52 — разность хода 82 — сила 42, 53, 55 — система 36, 37 — — идеальная 36 — — телескопическая 67 — — центрированная 37 Оптические гармоники 432 Оптический квантовый генератор 424 Опыт Айвса 217 — Боте 281 — Вавилова 285 — Ву 506 — Дэвиссона и Джермера 309 — Лауэ, Фридриха и Книппинга 145 — Ледермана и Шварца 512 Опыт Майкельсона 193 и д. — Паунда и Ребки 422 — Резерфорда 295 — Рейнеса и Коуэна 510 — Физо 191, 213 — Франка и Герца 302 и д. — Штерна и Герлаха 333 Освещенность 27 Относительное отверстие 71 Пара электронно-позитронная 489 Переходы вынужденные 386 — индуцированные 386 — спонтанные 382 Период полураспада 449 Периодическая система Менделеева

369 и д. Пи-мезон 445, 485 Пион 445 Пирометры оптические 264 и д.

Плоскости главные 41 — кардинальные 41, 43, 46 — узловые 46 — фокальные 38 Плоскость колебаний 155 — поляризации 155 Плотность вероятности 284, 315. 337 — потока энергии 23 — светового потока 75 — энергии излучения 253 Поглощательная способность 248 Поглощение света 236 и д. — — миогофотонное 432 — — резонансное 417, 420 Погрешности оптических систем 62 и

д. Позитрон 455, 487, 489 Позитроний 490 Показатель преломления 11, 14, 74,

236, 431 — — абсолютный 11 — — относительный 10, 11, 12 Поле интерференции 83 Полное внутреннее отражение 13 Полосы вращательные 397 — колебательно-вращательные 399 — равного наклона 95, 98 — равной толщины 97, 98 — электронно-колебательные 400 Полуширина спектральной линии

382 Поляризатор 156 Поляризация света 18, 155 и д. — — круговая 158, 173 — — эллиптическая 158, 173 Поляроид 165 Порядок интерференционного максимума 92, 94 Постоянная Верде 189 — вращения 183 — — удельная 183 — дифракционной решетки 134 — Керра 182

— Планка 260, 275, 279, 305, 311, 333 — распада 449 — Ридберга 292, 306, 338, 379 — Стефана—Больцмана 252, 264 Постулаты Бора 301 Правила отбора 400, 426 — Хунда 376 Правило отбора для j 354 — — — J 397, 401 — — — I 334 — — — L 343 — — — m 346 — — — mJ 366 — — — mL 366 — — — ms 366 — — — v 393 Преобразования Галилея 200, 203,

218 — Лоренца 203, 218 Принцип Гюйгенса 17, 106, 169 — Гюйгенса — Френеля 106, 107,

108 — запрета 368 — исключения 368 — относительности Галилея 191 — — Эйнштейна 197, 218 — Паули 368, 369, 375 — постоянства скорости света 197,

200 — Ферма 19 — эквивалентности 422 Промежуточное ядро 458 Пространство абсолютное 197 — изображений 36 — предметов 36 — четырехмерное 208 Протий 436 Протон 434, 493 Прямые ядерные взаимодействия 459 Пучок лучей 34 — — астигматический 35 Пучок лучей гомоцентрический 34

— — параксиальный 52 Радиационный захват нейтронов 465 Радиоактивность 448 и д. — естественная 448 — искусственная 448 — протонная 456 Радиоактивные ряды 449 — семейства 449 Радиоуглерод 462 Разрешающая сила дифракционной

решетки 142 — — объектива 153 — — спектрального прибора 142 Рассеяние α-частиц 295 и д. — света 238 и д. — — комбинационное 400, 403, 431 — — молекулярное 241 Резонансное поглощение нейтронов

462 Резонансы 486 Релятивистская динамика 218 и д. Рентгеновские трубки 272 Рентгеновское излучение тормозное

272 — — характеристическое 274, 377 Рентгеноструктурный анализ 150 Рождение пар 489 Рэлея критерий 142, 153 Самофокусировка света 432 Свет естественный 155, 159 — плоскополяризованный 155 — поляризованный 155 — — по кругу 158, 173 — прямолинейно поляризованный

155 — частично поляризованный 157,

159 — эллиптически поляризованный

158, 173 Светимость 27, 29 — энергетическая 246, 265

— — абсолютно черного тела 250, 251, 263

Световой поток 25, 26 Светосила объектива 69, 71 Свеча 26 Связь гетерополярная 390 — гомеополярная 389 Связь Рессель — Саундерса 358 Серии рентгеновские 378 Серия Бальмера 292, 334 — Бергмана 338 — Брэкета 292 — главная 338, 340 — диффузная 338, 340 — Лаймана 292, 334 — основная 338, 340 — Пашена 292 — Пфунда 292 — резкая 338—340 — спектральная 290 — фундаментальная 338 Серое тело 248, 270 Сила света 26 Символы термов 351, 359, 429 Синтез ядер 441, 472 Скорость групповая 231, 236 — света 18, 21, 23, 199 — фазовая 230, 236 Сложный дублет 354 Собственные значения 321 — функции 321 Соотношение неопределенностей

317, 319, 443 Сопряженные точки 36 Составное ядро 458 Состояния вырожденные 332 Спектр атомный 290 — —, сверхтонкая структура 438 — —, тонкая структура 348 — линейчатый 290 — молекулярный 395 — полосатый 396 — рентгеновский 378

Спин 348, 349, 361, 487 — изобарический 496 — изотопический 486 — фотона 334 — ядра 438 Спин-орбитальное взаимодействие

351 Спираль Корню 122 Спиральность частицы 507, 508 Стационарное состояние 312 Степень поляризации 158 Стильб 29 Странность 499, 501, 503 Супермультиплет 514 Сцинтилляция 295 Таутохронность 19 Телескоп 67, 69 Температура Дебая 413, 421 — отрицательная 425 — радиационная 267, 270 — цветовая 270, 271 — яркостная 269 Теория Бора 305 и д., 331 — Дирака 487, 490 — истечения 16 — относительности 197 и д. — света волновая 1.6, 190 — — корпускулярная 16 — — электромагнитная 18 — теплоемкости кристаллов Дебая

407 — — — Эйнштейна 406 — унитарной симметрии 514 Тепловой эффект ядерной реакции

458 Терм 293, 302, 338, 340, 343, 351, 359 Термоядерная реакция 441, 472 — — управляемая 474 Точки главные 41, 46 — кардинальные 41, 43, 46 — узловые 46 Тритий 436 Туннельный эффект 330, 453, 473

Тяжелая вода 469 Тяжелый водород 436 Увеличение линейное 39, 44 — оптического прибора 64 — поперечное 39, 45, 46, 65 — продольное 45 — угловое 45 Угол Брюстера 160, 161, 163 — наименьшего отклонения 14 — полной поляризации 160 — предельный 12 — скольжения 149 Узлы оптической системы 46, 54 Ультрафиолетовая катастрофа 259 Уравнение Дирака 349, 487 — Шредингера 311 и д., 320, 331 — — для стационарных состояний

312 Уровни энергии 302 Ферми, единица длины 436 Фермионы 485 Флуоресценция 404 —резонансная 417 — рентгеновская 281 Фокусное расстояние 41 Фокусы оптической системы 38, 46 Фонон 416, 421 Формула Бальмера 291, 292 — — обобщенная 293, 306 — Вина 252 — Вульфа — Брэгга 149, 150 — Ньютона 44, 55 — Планка 262, 387 — Резерфорда 300 Рэлея — Джинса 258, 262 — тонкой линзы 60 — Эйнштейна 279 Формулы Лауэ 147, 150 — Ридберга 338 — Френеля 161 — центрированной оптической

системы 44 Фот 27, 28

Фотоделение ядер 465 Фотолюминесценция 244 Фотометрия 30, 280 Фотон 18, 72, 281, 282, 334, 336 — виртуальный 443 —, импульс 283 —, энергия 282 Фотосопротивление 280 Фотоэлектродвижущая сила 280 Фотоэффект 18, 275 и д. — вентильный 280 — внешний 279 — внутренний 279 —,красная граница 278 — многофотонный 433 Хемилюминесценция 244, 245 Цикл Бете 473 — протонно-протонный 473 — углеродный 474 Цуг волн 79, 155, 172 Частицы абсолютно нейтральные 493 — странные 499 и д. — элементарные 482, 516 Четность 503 — внутренняя 505 — комбинированная 507 — состояния 504 Ширина спектральной линии 382,

385 — — — допплеровская 218 и д. Ширина спектральной линия

естественная 382, 418 — энергетического уровня 382 Электролюминесценция 244 Электронная группа 368 — конфигурация 370, 375 — оболочка 368 Электронный захват 456 — слой 368 Энергия вращательная 392 — осциллятора 392 — — нулевая 393 — — средняя 406

— колебательная 392 — покоя 225 — связи молекулы 391 — — нуклонов в ядре 439, 440 — электронная 391 Эфир мировой 18, 190, 197 Эффект Вавилова — Черенкова 242 — Допплера 190, 214 — — поперечный 217 — — продольный 216 — Зеемана аномальный 348, 361 — — нормальный 344 и д. — — простой 361 — — сложный 361 — Керра 181 — Комптона 18, 285 и д. — Мёссбауэра 420 — Пашена — Бака 367 — Рамана 403

— Фарадея 188 Эффективное сечение 459 Ядерная единица времени 458 Ядерные реакции 457 и д. — — срыва 459 — — цепные 467 — силы 442 Ядерный реактор 468 — — гетерогенный 471 — — гомогенный 47.1 — реактор-размножитель 472 Ядро атома 434 и д. — —, масса 438 — —, радиус 436 — —, спин 438 — —, энергия связи 439 Яркость 26, 28 — энергетическая 265 Ячейка Керра 23, 181, 182