Робертсон Б.
58 Современная физика в прикладных науках: Пер. с англ.— М.: Мир, 1985.— 272 с., ил.
Написанная канадским физиком книга для студентов нефизических специальностей дает наглядное представление о физических основах явлений, используемых для создания многих современных технических устройств, в том числе в электронике (прежде всего твердотельной), лазерной оптике, ядерной энергетике и т. д. В книге много иллюстраций, каждая глава снабжена задачами. По своему замыслу и назначению близка к хорошо известной советскому читателю книге Р. Спроула «Современная физика» (М.: Наука, 1974).
Для инженерно-технических работников, и также преподавателей общей физики и студентов втузов (может использоваться в качестве учебного пособия или развернутого справочника).
Предисловие редактора перевода
Предлагаемая читателю книга канадского физика Б. Роберт-сона является пособием для изучения заключительных глав вводного курса общей (или экспериментальной) физики. В соответствии с традиционным делением физики на классическую и современную изложение материала этих глав опирается на представления специальной теории относительности и квантовой механики. Это физика атома, молекулы, конденсированных сред, атомного ядра и элементарных частиц. Содержание разделов и общий объем материала отобраны автором таким образом, чтобы с учетом последующей специализации студентов эти разделы можно было изучать на протяжении одного-двух семестров.
В последние годы все чаще делаются попытки построить изложение общей физики, следуя не исторической последовательности формирования научных представлений, а исходя из основных принципов физики, в равной степени составляющих фундамент как классических, так и современных ее разделов. Автор настоящей книги под «современной» также понимает не только ту часть физики, которая лежит по одну сторону рубежа между ньютоновской и квантовой механикой, а в более общем смысле все разделы физической науки, составляющие основу техники наших дней и ближайшего будущего.
Однако при изложении физики с позиций основных принципов несколько в тени оказывается прикладное значение достижений современной науки, огромный практический потенциал ее открытий. Основная же особенность книги Б. Робертсона состоит в том, что главное внимание в ней уделено не основам науки, а демонстрации того, какие важные практические последствия влекут за собой достижения физики. Книга достаточно подробно знакомит читателя с результатами и дальнейшими перспективами развития практических применений современной физики, бурным прогрессом в современной технике. Ее содержание хорошо дополняет изучение основного курса общей физики.
Лаконичность изложения автором главных разделов физики в достаточной мере может быть компенсирована параллельным изучением основного курса. Но при этом необходимо иметь в виду следующее обстоятельство. В ряде случаев изложение фундаментальных проблем требует строгого, формального подхода. В книге *е читатель, как правило, найдет лишь наглядную интерпретацию
конечного результата. Это придает изложению несколько поверхностный характер; в тексте оригинала довольно много нечетких формулировок и нестрогих утверждений при цитировании автором фундаментальных результатов. При подготовке издания книги в переводе на русский язык подобные недостатки текста оригинала были, по возможности, выправлены, а в случае необходимости сделаны соответствующие примечания к тексту.
В заключение отметим, что, хотя книгу вряд ли можно рекомендовать в качестве единственного пособия при изучении предмета, ее выход в свет обеспечит не только всестороннее знакомство с многочисленными приложениями современной физики, но и позволит расширить рамки и разнообразить преподавание этого предмета студентам различных естественных и инженерных специальностей. Содержание книги демонстрирует читателю, какими путями новейшие достижения современной науки ведут к неограниченному расширению практических возможностей и способствуют необычайно быстрому развитию новых областей прикладных знаний и техники.
Перевод выполнен д-ром физ.-мат. наук Д. В. Гальцовым (гл. 1), Г. А. Каркжиным (гл. 2, 3), канд. физ.-мат. наук В. А. Черных (гл. 4, 5), канд. физ.-мат. наук В. М. Матвеевым (предисловие, гл. 6—10, приложения).
Е. М. Лейкин
Предисловие
Современную физику можно определить двояким образом. В первом случае она изучает физические явления, которые нельзя адекватно объяснить в рамках классической физики (на основе законов Ньютона). Именно таким определением, по всей вероятности, предпочтут воспользоваться физики. Согласно второму определению, современная физика включает в себя появившиеся в течение последних пятидесяти лет любые научные разработки, базирующиеся на физических принципах. Это определение, по-видимому, вполне устроит тех, кто постоянно не соприкасается с физикой, но в большинстве учебников по физике его сочли бы не отвечающим основной цели обучения студентов нефизических специальностей. Толчком к возникновению многих практических применений явились разделы, отвечающие первому из определений, в том числе такие, как транзисторы,- лазеры, сверхпроводники и ядерные реакторы. Не менее важное значение имеют и новые методы, разработка которых потребовала использования принципов лишь классической физики, как например, электронная микроскопия и голография. Дальнейшее развитие аналогичных научных разработок будет, безусловно, продолжаться в ближайшем будущем. Поэтому для любого изучения современной физики, рассчитанного на отсутствие разрыва между знанием и практической деятельностью, единственно разумным представляется объединение обоих определений.
Таким образом, цель настоящей книги состоит в том, чтобы последовательно изложить принципы, лежащие в основе свойств атомов, молекул, твердых тел » ядер, и показать, каким образом эти принципы — ив классической и в современной физике — можно применять с целью практического использования различных физических явлений при условии, что мы поняли механизм их возникновения. Материал книги предполагает знакомство читателя с вводным курсом классической физики [приблизительно на уровне руководства Резника и Холидея (Halliday D., ffesnick R. Physics.— New York: Wiley, 1978.)]l), и его можно рассматривать как введение в современную физику.
Поскольку громадный практический потенциал физики относится к тем применениям, которые еще не выявлены или не получили достаточного развития, основной акцент мы делаем на рассмотрении тех способов, с помощью которых можно выявить и практически осуществить новые применения. Например, всякий раз, когда объект подвергается влиянию какого-то взаимодействия, степень изменения его свойств можно в принципе рассматривать как меру взаимодействия. Кроме того, выявление формальных аналогий между свойствами различных объектов позволяет обобщать существующие теории и технические приемы на новые области исследований. В книге широко используются приближенные математические модели физических явлений; они показывают, что, устанавливая и анализируя простейшие математические связи между наиболее важными характеристиками лишь частично понятых и описанных явлений, можно получить достаточное количество правильной и полезной информации. Во многих случаях нас может Удовлетворить модель, которая не дает полностью исчерпывающего описания.
В соответствии с таким подходом задачи, помещенные в конце каждой главы, не следует рассматривать как упражнения на применение «важных» формул. Во
1) Советскому читателю можно рекомендовать следующие книги: Сивухин Д- и. Общий курс физики.— 2-е изд. В 4-х томах.— М.: Наука, 1979, 1980; Орир Дж. Физика. В 2-х томах. Пер. с англ.— М.: Мир, 1981.— Прим. ред.
Оглавление
Предисловие редактора перевода ................... 5
Предисловие............................. 7
Глава 1. Специальная теория относительности............ 9
1.1. Опыт Майкельсона — Морли................. 9
1.2. Следствия, вытекающие из постоянства скорости света .... 12
1.3. Линейки и часы в теории относительности.......... 14
1.4. Масса в теории относительности.............. 17
1.5. Предельная скорость и соотношение между массой и энергией 21 Литература........................, . . . 24
Глава 2. Электрон с точки зрения практических применений...... 25
2.1. Получение свободных электронов ............. 26
2.2. Основные электронные приборы............... 30
2.3. Электростатические линзы.................. 31
2.4. Магнитные линзы..................... 35
2.5. Электронные микроскопы.................. 38
2.6. Вторичная электронная эмиссия .............. 43
2.7. Электронные и фотоэлектронные умножители (ФЭУ)..... 45
Литература........................... 51
Глава 3. Истоки современной физики................ 52
3.1. Фотоэффект.......................... 52
3.2. Модели атома........................ 58
3.3. Потенциальное рассеяние . . I................ 60
3.4. Волны и частицы...................... 62
3.5. Атом Бора......................... 64
3.6. Теория Бора для многоэлектронных атомов......... 67
3.7. Магнетон Бора....................... 71
Литература........................... 74
Глава 4. Квантовая теория атома.................. 75
4.1. Волны де Бройля и принцип неопределенности........ 75
4.2. Волновая механика..................... 79
4.3. Вероятности переходов; излучение и поглощение....... 86
4.4. Тонкая структура; спин электрона ............. 91
4.5. Использование атомных взаимодействий; эффект Зеемана ... 94
4.6. Многоэлектронныв атомы; принцип Паули......... 98
Литература ...................* ,...... 107
Глава 5. Квантовая теория молекулы ................ 108
5.1. Образование молекул..................... 108
5.2. Дополнительные степени свободы; вращения и колебания ... П2
5.3. Поглощение излучения . , ................. 116
5.4. Флуоресценция ...................... 118
5.5. Сдвиг частоты........................ 119
5.6. Фосфоресценция....................... 120
5.7. Вынужденное излучение................... 121
Литература............................ 124
Глава в. Прикладная атомная и молекулярная физика; лазеры..... 126
6.1. Усиление света вследствие вынужденного излучения..... 126
6.2. Типы лазеров........................ 129
6.3. Применения лазеров; голография ............. 133
6.4. Акустическая голография.................. 137
Литература............................ 140
Глава 7. Твердое состояние вещества................. 141
7.1. Зонная теория........................ 141
7.2. Пространственная протяженность электронных волновых функций 143
7.3. Проводимость........................ 145
7.4. Тепловое возбуждение.................... 149
7.5. Дырочная проводимость................... 152
7.6. Полупроводниковые материалы................ 153
7.7. Легирование......................... 154
7.8. Сверхпроводники....................... 158
Литература............................ 163
Глава 8. Прикладная физика твердого тела.............. 164
8.1. Полупроводниковые устройства с р—га-переходами..... 164
8.2. Туннелирование электронов................. 169
8.3. Диод Зенера; лавинный и туннельный диоды ....... 172
8.4. Отрицательное сопротивление и эффект Ганна........ 175
8.5. Оптические свойства полупроводников ........... 179
8.6. Солнечные элементы..................... 182
8.7. Детекторы электронов или фотонов.............. 183
8.8. Электронно-дырочная рекомбинация.............. 186
8.9. Полупроводниковый лазер.................. 188
8.10. Нарушения кристаллической структуры.......... 189
8.11. Датчики давления...................... 192
Литература............................ 194
Глава 9. Ядро........................... 196
9.1. Ядерный потенциал..................... 196
9.2. Ядро и атом — аналогии и различия ............ 197
9.3. Эквивалентность массы и энергии; энергия связи...... 200
9.4. Стабильность ядер; гамма- и бета-распады ......... 201
9.5. Применение источников V" и ^-излучений........... 207
9.6. Ядерное насыщение и кулоновские силы........... 209
9.7. Основное состояние ядерного вещества ........... 215
9.8. Распады ядер........................ 216
9.9. Распад с испусканием тяжелых кластеров и деление ядра . . . 220 Литература........................... 225
Глава 10. Практическое использование ядерной энергии........ 226
10.1. Спонтанное и индуцированное деление ядер......... 226
10.2. Выбор ядерного горючего................. 228
10.3. Замедление нейтронов................... 230
10.4. Статические параметры цикла................ 231
10.5. Регулировка критичности.................. 233
10.6. Время цикла и роль надкритичности............ 234
10.7. Запаздывающие нейтроны и управление реактором ..... 236
10.8. Устройство ядерного реактора............... 238
10.9. Воспроизводство ядерного горючего............ 243
10.10. Энергия ядерного синтеза................ 246
10.11. Гибридная система по схеме «синтез — деление»...... 250
Литература............................ 253
Приложения............................. 254
Приложение 1. Сечения взаимодействия............. 254
Приложение 2. Реэерфордовское рассеяние............ 255
Приложение 3.......................... 257
Предметный указатель........................ 268