Квантовая физика. Вводный курс
Покупка
Издательство:
Интеллект
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 480
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-91559-268-0
Артикул: 633674.02.99
Доступ онлайн
550 ₽
В корзину
Один из лучших в мировой литературе учебников по обшей физике. Книга дает базовые знания по максимально широкому спектру всех явлений, в которых проявляются квантовые свойства света и вещества. В основе учебного пособия лежат знаменитые лекции Л.Л. Гольдина для студентов МФТИ, на которых выросло не одно поколение советских и российских физиков. Изложение во всех главах опирается па ясное описание экспериментов, ставших классикой XX века, в сочетании с доходчивыми и наиболее пригодными для начального этапа обучения формулировками основных положений нерелятивистской квантовой теории. Главы по элементарным частицам и ядерной физике перебрасывают мостик и к квантовой электродинамике; другие главы ведут читателя от атомной физики к молекулам и конденсированному состоянию вещества. Представления, формируемые этим компактным учебником, способствуют дальнейшему углубленному изучению современной физики и ее прикладных аспектов. Для студентов и преподавателей физических факультетов и технических университетов, физико-математических классов и лицеев.
Второе издание учебника широко используется в ведущих российских университетах
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ФИЗТЕХОВСКИЙ УЧЕБНИК КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ВВОДНЫЙ КУРС Л.Л. ГОЛЬДИН, Г.И. НОВИКОВА Третье издание
Ë.Ë. Ãîëüäèí, Ã.È. Íîâèêîâà Êâàíòîâàÿ ôèçèêà. Ââîäíûé êóðñ.: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / Ë.Ë. Ãîëüäèí, Ã.È. Íîâèêîâà – 3-å èçä. – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2019. – 480 ñ. ISBN 978-5-91559-268-0 Îäèí èç ëó÷øèõ â ìèðîâîé ëèòåðàòóðå ó÷åáíèêîâ ïî îáùåé ôèçèêå. Êíèãà äàåò áàçîâûå çíàíèÿ ïî ìàêñèìàëüíî øèðîêîìó ñïåêòðó âñåõ ÿâëåíèé, â êîòîðûõ ïðîÿâëÿþòñÿ êâàíòîâûå ñâîéñòâà ñâåòà è âåùåñòâà.  îñíîâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ ëåæàò çíàìåíèòûå ëåêöèè Ë.Ë. Ãîëüäèíà äëÿ ñòóäåíòîâ ÌÔÒÈ, íà êîòîðûõ âûðîñëî íå îäíî ïîêîëåíèå ñîâåòñêèõ è ðîññèéñêèõ ôèçèêîâ. Èçëîæåíèå âî âñåõ ãëàâàõ îïèðàåòñÿ íà ÿñíîå îïèñàíèå ýêñïåðèìåíòîâ, ñòàâøèõ êëàññèêîé ÕÕ âåêà, â ñî÷åòàíèè ñ äîõîä÷èâûìè è íàèáîëåå ïðèãîäíûìè äëÿ íà÷àëüíîãî ýòàïà îáó÷åíèÿ ôîðìóëèðîâêàìè îñíîâíûõ ïîëîæåíèé íåðåëÿòèâèñòñêîé êâàíòîâîé òåîðèè. Ãëàâû ïî ýëåìåíòàðíûì ÷àñòèöàì è ÿäåðíîé ôèçèêå ïåðåáðàñûâàþò ìîñòèê è ê êâàíòîâîé ýëåêòðîäèíàìèêå; äðóãèå ãëàâû âåäóò ÷èòàòåëÿ îò àòîìíîé ôèçèêè ê ìîëåêóëàì è êîíäåíñèðîâàííîìó ñîñòîÿíèþ âåùåñòâà. Ïðåäñòàâëåíèÿ, ôîðìèðóåìûå ýòèì êîìïàêòíûì ó÷åáíèêîì, ñïîñîáñòâóþò äàëüíåéøåìó óãëóáëåííîìó èçó÷åíèþ ñîâðåìåííîé ôèçèêè è åå ïðèêëàäíûõ àñïåêòîâ. Äëÿ ñòóäåíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé ôèçè÷åñêèõ ôàêóëüòåòîâ è òåõíè÷åñêèõ óíèâåðñèòåòîâ, ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ êëàññîâ è ëèöååâ. Âòîðîå èçäàíèå ó÷åáíèêà øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ â âåäóùèõ ðîññèéñêèõ óíèâåðñèòåòàõ. © 2015, Ò.Ë. Øåðìàí (íàñëåäíèöà), Ã.È. Íîâèêîâà © 2019, ÎÎÎ «Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò, îôîðìëåíèå ISBN 978-5-91559-268-0
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ко второму изданию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Предисловие авторов к первому изданию . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Глава 1. Физические основы квантовой теории . . . . . . . . . . . . . 11 § 1. Корпускулярные свойства электромагнитного излучения . . . . . 11 § 2. Волновые свойства частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 § 3. Свойства волн де Бройля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 § 4. Принцип неопределенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Глава 2. Основы квантовой механики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 § 5. Средние значения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 § 6. Операторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 § 7. Собственные состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 § 8. Уравнение Шредингера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Глава 3. Частица в потенциальной яме. Квантование энергии. Туннельный эффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 § 9. Прямоугольная потенциальная яма. Принцип соответствия . . . . 56 § 10. Потенциальный барьер. Туннельный эффект . . . . . . . . . . . . . 66 § 11. Линейный гармонический осциллятор. Колебательные уровни молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Глава 4. Водородоподобные атомы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 § 12. Энергетические уровни водородоподобных атомов . . . . . . . . . . 74 § 13. Экспериментальные исследования энергетических уровней атома. Потенциалы возбуждения и ионизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 § 14. Спектры водородоподобных атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 § 15. Распределение электронной плотности в атоме водорода . . . . . 87
Оглавление § 16. Мезоатомы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 § 17. Ширина уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Глава 5. Угловой момент и магнитные характеристики электронов, атомов и молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 § 18. Угловой момент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 § 19. Вращательные уровни молекул. Молекулярные спектры . . . . . . 101 § 20. Классификация состояний электронов. Главное квантовое число. Вырождение уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 § 21. Правила сложения угловых моментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 § 22. Орбитальный магнитный момент электрона . . . . . . . . . . . . . . 114 § 23. Экспериментальное определение угловых и магнитных моментов 117 § 24. Спин электрона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 § 25. Магнитомеханические явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 § 26. Полные угловой и магнитный моменты электрона . . . . . . . . . . 124 § 27. Тонкая структура уровней атома водорода и водородоподобных атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 § 28. Строение атома по Бору . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Глава 6. Структура и спектры сложных атомов . . . . . . . . . . . . . 134 § 29. Структура электронных уровней в сложных атомах . . . . . . . . 135 § 30. Типы связи электронов в атомах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 § 31. Принцип Паули (принцип исключения) . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 § 32. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева . . . . . . . . 143 § 33. Правила отбора при излучении атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 § 34. Оптические спектры сложных атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 § 35. Рентгеновское излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 § 36. Классическая и квантовая физика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Глава 7. Атомы в магнитных полях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 § 37. Явление Зеемана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 § 38. Магнитный резонанс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Глава 8. Основы квантовой статистики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 § 39. Число квантовых состояний. Статистический вес . . . . . . . . . . 202 § 40. Заполнение уровней. Распределения Бозе–Эйнштейна и Ферми– Дирака . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Глава 9. Тепловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 § 41. Равновесное излучение. Закон Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . . . . 215 § 42. Формула Планка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 § 43. Классические формулы для равновесного излучения . . . . . . . . 222 § 44. Формула Рэлея–Джинса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 § 45. Давление излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Оглавление 5 Глава 10. Физические основы квантовой электроники . . . . . . . . 233 § 46. Спонтанное и индуцированное излучение . . . . . . . . . . . . . . . 233 § 47. Квантовые усилители и генераторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 § 48. Методы создания инверсной населенности уровней . . . . . . . . . 243 § 49. Устройство оптических квантовых генераторов . . . . . . . . . . . . 247 § 50. Структура лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Глава 11. Молекулы и кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 § 51. Химическая связь. Образование молекул . . . . . . . . . . . . . . . . 260 § 52. Молекула водорода. Обменное взаимодействие . . . . . . . . . . . . 265 § 53. Связь атомов в твердых телах (кристаллах) . . . . . . . . . . . . . . 271 § 54. Симметрия кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 § 55. Колебания кристаллических решеток. Звуковые волны. Тепловое расширение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 § 56. Фононы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 § 57. Теплоемкость кристаллических решеток . . . . . . . . . . . . . . . . 290 § 58. Решеточная теплопроводность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Глава 12. Электроны в кристаллах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 § 59. Связанные колебательные системы. Разрешенные и запрещенные зоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 § 60. Проводники и изоляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 § 61. Волны Блоха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 § 62. Динамика электронов в кристалле. Электропроводность кристаллов 313 § 63. Электроны в металлах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Глава 13. Полупроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 § 64. Чистые и примесные полупроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 § 65. Электроны и дырки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 § 66. Концентрация электронов и дырок. Энергия Ферми. . . . . . . . . 329 § 67. Электропроводность полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 § 68. n–p-переход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 § 69. Прохождение тока через n–p-переход . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 § 70. Транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 § 71. Квазичастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Глава 14. Атомное ядро, его характеристики и свойства. . . . . . . 344 § 72. Основные характеристики атомного ядра . . . . . . . . . . . . . . . . 345 § 73. Энергия связи ядер. Свойства ядерных сил . . . . . . . . . . . . . . 352 § 74. Модели атомного ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 § 75. Спонтанные превращения атомных ядер . . . . . . . . . . . . . . . . 365
Оглавление Глава 15. Ядерные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 § 76. Основные характеристики ядерных реакций . . . . . . . . . . . . . . 382 § 77. Теория составного ядра. Ядерные реакции с участием нейтронов 387 § 78. Взаимодействие с ядрами γ-лучей. Фотоядерные реакции. Эффект Мёссбауэра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 § 79. Цепная реакция деления. Проблемы ядерной энергетики . . . . . 400 Глава 16. Элементарные частицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 § 80. Нуклоны и лептоны. Терминология. Слабое взаимодействие . . . 414 § 81. Сильное взаимодействие. Кварки. Цвет и аромат кварков. Фундаментальные частицы первого поколения . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 § 82. Некоторые результаты теории относительности . . . . . . . . . . . . 423 § 83. Старшие поколения фундаментальных частиц. . . . . . . . . . . . . 428 § 84. Диаграммы Фейнмана. Виртуальные частицы. Поляризация вакуума. Асимптотическя свобода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 § 85. Переносчики взаимодействий. Ядерные силы. Таблицы фундаментальных частиц и переносчиков взаимодействий. . . . . . . . . . . . 436 § 86. Симметрии в физике. Нарушение основных типов симметрии при слабом взаимодействии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 § 87. Элементарные частицы и космос . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 § 88. Ускорители заряженных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 I. Среднее значение проекции импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 II. Радиальная часть оператора Лапласа . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470 III. Уравнения движения связанных маятников . . . . . . . . . . . . . . 471 IV. Основные физические константы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 V. Названия, символы и атомные массы химических элементов . . 474 Список обозначений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ У Вас в руках второе издание книги. Первое вышло тринадцать лет назад и ныне недоступно, а между тем книга Л. Л. Гольдина и Г. И. Новиковой из тех, которые хочется иметь под рукой и хочется посоветовать студентам, начинающим изучать квантовую физику. Книга родилась из лекций, которые Лев Лазаревич читал, преподавая в МФТИ с 1948 по 1993 год. Удивительная атмосфера полного погружения в предмет возникала на этих лекциях! Прекрасно понимая, сколь важен эксперимент при изучении физики, Л. Л. Гольдин прилагал огромные усилия по развитию лабораторного практикума по общей физике на Физтехе. При жизни он был бессменным редактором «Лабника» — описания лабораторных работ. Он создал по-настоящему «инновационный» формат руководства к лабораторным работам, которое начиналось с подробного описания оценок погрешностей измерений и в котором студенту предоставляется значительная самостоятельность при выполнении измерений и оценке полученных результатов. Студенты шутили: «Измеряем не величины, а их погрешности». Принципы обучения, заложенные Л. Л. Гольдиным — одним из ведущих профессоров — и по сей день составляют основу работы со студентами на кафедре общей физики. Легенды приписывают Л. Л. Гольдину множество афористических высказываний, лично от него я слышал: «Физике надо учить не спеша». К нему как-то легко было обращаться за советом. Глубокий и яркий след оставила деятельность Льва Лазаревича на кафедре общей физики. Во многом благодаря ему, человеку, не терпящему халтуры и полузнаний, кафедра физики МФТИ стала тем, чем она является в настоящее время. Л. Л. Гольдин был эталоном преподавателя, который культивируется на Физтехе: яркая сильная личность, блестящий педагог и одновременно — активный и успешный ученый. Лев Лазаревич был энциклопедически образованный физик и неустанный труженик. Он проводил исследования, редактировал научные журналы, писал книги, организовывал научные конференции. Работа его отмечена Госпремиями, орденами и медалями. Рекомендую Вам новое издание замечательной книги, в которой строгость изложения и обширность материала сочетаются с лаконичностью и простотой изложения. Зав. кафедрой общей физики МФТИ А. В. Максимычев
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ Предлагаемая книга основана на лекциях, которые читались студентам Московского Физико-технического института (МФТИ) и Инженерной академии в курсах общей физики (после оптики). Первые главы следуют «Введению в квантовую физику», изданному издательством «Наука» в 1988 г., затем идут новые главы, посвященные ядерной физике и физике элементарных частиц. При изложении главное внимание уделяется основным представлениям квантовой физики и физической сущности явлений. Математический аппарат излагается лишь постольку, поскольку это необходимо для ясного понимания материала. При написании книги мы уделяли главное внимание краткости и ясности изложения и старались отбросить все второстепенное. Мы считаем, что только такая книга, которая концентрирует внимание студента на понимании основных представлений и наиболее существенных явлений, оставляет у него время для размышлений и для решения задач. Отобранный материал излагается достаточно подробно, с расчетами, сопоставлениями и выводами. Авторы искренне признательны профессору Э. И. Рашба, разрешившему нам воспользоваться конспектами его лекций по физике твердого тела и просмотревшему соответствующие главы рукописи, академику Л. Б. Окуню, просмотревшему первый вариант книги в рукописи и сделавшему ряд важных замечаний, и профессору М. Волошину, который указал нам на ряд погрешностей в изложении. Академик Л. Б. Окунь разрешил нам широко использовать материал и примеры, содержащиеся в его книгах.
ВВЕДЕНИЕ С начала XX века стали накапливаться опытные данные, объяснить которые классическая физика оказалась неспособной. Они охватывали широкий круг физических проблем: уменьшение теплоемкости тел при низких температурах, структуру оптических спектров газообразных веществ, распределение интенсивности в спектрах твердых тел, фотоэффект, изменение частоты рентгеновского излучения при рассеянии, дифракцию медленных электронов и т. д. Становилось все более ясно, что для объяснения этих и многих других явлений необходим пересмотр основных представлений физики. Первые шаги в этом направлении сделали М. Планк и А. Эйнштейн. Затем последовала серия замечательных работ, полностью изменивших наши представления о мире. Новое понимание пришло в науку с работами Эйнштейна (теория относительности, представление о квантах света) и глубокими идеями Н. Бора и его школы (квантовая механика). Развитие новой физики с тех пор интенсивно продолжается и привело к появлению теории атома, теории твердых тел, теории ядра, а затем и элементарных частиц. Создание новой физики связано с именами ряда замечательных ученых, среди которых, кроме упомянутых выше, в первую очередь должны быть названы В. Гейзенберг, Э. Шредингер, В. Паули, П. Дирак, Э. Фэрми, Ш. Глэшоу, К. Руббиа, А. Салам, Л. Ландау. В наше время квантовая физика совершает революцию не только в научных представлениях, но и в технике. Мы пользуемся электричеством, которое вырабатывается на атомных электростанциях. Нас окружают телевизоры и др. приборы на полупроводниках, работа которых основана на квантовой теории твердых тел. В наш быт прочно вошли компьютеры с интегральными схемами. Квантовые источники излучения — лазеры — широко используются в медицине и в технике. Основанные на квантовых эффектах сверхпроводящие магниты производят
Введение ся тысячами. Мы уже не говорим об экспериментальной физике, где значительная часть методов стала возможной только после развития новой техники. Наконец, квантовая физика изменила наши представления о ходе развития Вселенной... Объем знаний, накопленных наукой после появления квантовой физики, во много раз превышает все, что было известно ранее. Все эти знания не могут быть изложены ни в какой отдельно взятой книге. Важнейшим элементом образования является чтение научной литературы. Мы старались сделать возможным такое чтение, приобщая читателя к основным идеям, языку и терминологии, которые используются в статьях и книгах. Связанная с квантовыми представлениями перестройка науки, техники и быта еще только начинается. Новому поколению — читателям этой книги — предстоит продолжить эту работу.
Доступ онлайн
550 ₽
В корзину