Классическая теория строения атома - история.

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра № 59

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине “Квантовая и оптическая электроника”

Тема № 01. Электромагнитные волны оптического диапазона

Занятие № 02. Основные свойства и параметры оптического излучения

Специальность: Информационная безопасность телекоммуникационных сетей

Обсуждено на заседании кафедры (ПМК)

Протокол № ______ от

“_____” _________________ 2014 г.

Санкт-Петербург

I. Учебные цели

Ознакомить с предметом и содержанием учебной дисциплины «Квантовая и оптическая электроника». Рассмотреть основные свойства и параметры оптического излучения

II. Воспитательные цели

Вызвать у студентов интерес к изучению дисциплин кафедры, в том числе и «Квантовая и оптическая электроника», составляющих важную теоретическую и практическую основу их будущей специальности.

III. Расчет учебного времени

IV. Литература

Основная литература:

1. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 2001.-573с.
2. Электронные квантовые приборы и микроэлектроника. /Под ред. Н.Д.Федорова. – М.: Радио и связь, 1998.-560с.
3. Оптоэлектронные элементы и устройства. /Под ред. Ю.В.Гуляева. М.: Радио и связь, 1998.-336с.
4. Быстров Ю.А. Оптоэлектронные приборы и устройства: Учебное пособие. – М.: ИП РадиоСофт, 2001.-256с.
5. Мартынов В.Н., Кольцов Г.И. Полупроводниковая оптоэлектроника.: Учебное пособие для вузов. – М.: МИСИС,1999

Дополнительная литература:

1. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭкоТрендз, 1998.-272с.
2. Бутусов М.М. и др. Волоконно-оптические системы передачи. - М.: Радио и связь, 1992.-416с.
3. Яременко Ю.И. Волоконно-оптические системы передачи. - СПб.: ВАС, 1998.-140с.
4. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоэлектронных сетей связи. - М.: Радио и связь, 2000.-468с.

V. Учебно-материальное обеспечение

Демонстрационная программа на ПЭВМ.

VI. Текст лекции

Введение

Принципиальное отличие оптоэлектронных устройств и пртборов по сравнению с обычными электронными состоит в использовании оптического излучения. Как и радиоволны, опти­ческое излучение имеет такую же физическую природу, т. е. относится к классу электромагнитных волн

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ

Классическая теория строения атома - история.

Строение атома в его современном описании содержит в себе несколько загадок, которые мы раскрыли на этой странице. А мысль о том, что вещество построено из атомов - мельчайших "частичек", высказывалась ещё древнегреческими учеными. Прошло более 2000 лет, прежде чем были получены экспериментальные подтверждения идеи атомистического строения вещества. Окончательно эта идея утвердилась в науке во второй половине 19 века благодаря успехам химии и кинетической теории. К началу 20 века физики уже знали, что атомы имеют размеры порядка 10^-10 метра и массу 10^-27 килограмма. К этому времени стало ясно, что атомы вовсе не "неделимы", что они обладают определённой внутренней структурой, разгадка которой позволит объяснить периодичность свойств химических элементов, выявленную Д.И.Менделеевым.
В 1903 году, вскоре после открытия электрона, английский физик Джозеф Джон Томсон предложил модель атома в виде положительно заряженной по объему сферы диаметром около 10^-10 метра, внутрь которой вкраплены электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом сферы. Когда электроны колеблются относительно центра сферы, атом излучает свет. Томсон считал, что электроны группируются в слои вокруг центра сферы.

В модели предложенной Томсоном, масса атома равномерно распределена по его объему. Ошибочность такого предположения вскоре показал английский физик Эрнест Резерфорд. В 1908 - 1911 годах под его руководством были выполнены опыты по рассеянию альфа-частиц (ядер гелия) металлической фольгой. Эти опыты убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объёме - атомном ядре, диаметр которого примерно в 10 000 раз меньше диаметра атома. Большинство альфа-частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, но изредка происходит столкновение альфа-частицы с ядром, и тогда она может отразиться назад.

Опыты Резерфорда послужили основой для создания ядерной модели атома. Эта модель определяет наши сегодняшние представления об устройстве атомов. В центре атома находится атомное ядро (его размеры порядка 10^-14 метра); весь остальной объём атома "представлен" электронами. Внутри ядра электронов нет (это стало ясно в начале 30-х гг.); ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов равно числу протонов в ядре; это есть атомный номер данного химического элемента (его порядковый номер в периодической системе). Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона или нейтрона, поэтому почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Разные электроны в разной степени связаны с ядром; некоторые из них атом может легко потерять, превращаясь при этом в положительный ион.

Первую количественную теорию атома разработал в 1913 году датский физик Нильс Бор. Это была теория простейшего атома - атома водорода. Бор использовал результаты опытов Резерфорда и известные в то время сведения о спектре атомарного водорода. Он представлял себе атом водорода в следующем виде: вокруг протона по круговой орбите движется электрон. Для невозбуждённого состояния радиус орбиты составляет 0.5 10^-10 метра. При возбуждении атома электрон перескакивает на одну из более удалённых орбит. Каждой орбите соответствует определённая энергия электрона.

В 1915 году немецкий физик Арнольд Зоммерфельд попытался обобщить теорию Бора на различные атомы. Он показал, что при более общем подходе круговые орбиты электронов следует заменить на эллиптические. Энергия электрона определяется в основном величиной большой полуоси эллипса, которая в свою очередь задаётся главным квантовым числом. Степень вытянутости орбиты связана с моментом количества движения электрона и определяется орбитальным квантовым числом.

Согласно теории Бора - Зоммерфельда, атомы уподобляются миниатюрным планетным системам, где в качестве "планет" выступают электроны, движущиеся по орбитам вокруг центрального тела - атомного ядра.

Итак, современная модель атома (теория строения атома) основана на учёте всех возможных и реально присутствующих в окресностях ядра сил, принимает во внимание излучение зарядами движущимися с ускорением (не зависимо от области, в которой происходит движение), доказывает возможность существования статической модели на основе тщательного анализа всех теоретических ограничений.

АТОМ (от греческого «атомос»-«неделимый», «неразрезаемый»), наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его свойств. Состоит из положительно заряженного ядра, где сосредоточено = 99 % массы АТОМА и окружающих его электронов, образующие электронные оболочки, размеры которых(-10-*8) определяют размеры АТОМа. Ядро состоит из протонов инейтронов. Число электронов = числу протонов в ядре(заряд всех электронов=заряду ядра),число протонов=порядковому номеру элемента в периодич. системе. Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические свойства АТОМа определяются в основном числом электронов во внешней оболочке. Соединяясь химически, АТОМы образуют молекулы. Важная характеристика АТОМа – его внутренняя энергия, которая может принимать лишь определенные (дискретные) значения, соответствующие устойчивым состояниям АТОМа, и изменяется только скачкообразно путем квантового перехода. Поглащая определенную порцию энергии, АТОМ переходит в возбужденное состояние (на более высокий уровень энергии). Из возбужденного состояния АТОМ, испуская фотон, может перейти в состояние с меньшей энергией (на более низкий энергетический уровень). Уровень, соответствующий минимальной энергии АТОМа, называется основным, остальные-возбужденными. Квантовые переходы обуславливают атомные спектры, индивидуальнее для АТОМов всех химических элементов. В целом АТОМ электрически нейтрален, так как заряд ядра равен Zе, а общий заряд электронов —Zе (где е — элементарный электрический заряд, Z — атомный номер элемента в периодической системе элементов Менделеева, совпадающий с числом электронов в АТОМе). Размеры АТОМа определяются размерами его электронной оболочки и составляют примерно 10^-10 м, что в десятки тысяч раз превышает размеры ядра. Современная техника эксперимента позволяет увидеть и фотографировать отдельные АТОМы. В естественном состоянии в природе встречаются А. 90 химических элементов, наиболее тяжёлым из которых является уран (Z= 92). Два элемента с Z < 92 —Т ехнеций (Z= 43) и Прометий (Z= 61)из-за своей радиоактивности успели распасться за время существования Земли и в настоящее время в естественном виде не встречаются. Трансурановые элементы (с Z > 92) получают только искусственно.