Предисловие редактора перевода................... 9 I/
Из предисловия автора....................... 11.
Глава 1. Основные частицы................... . 15
§ 1.1. Введение........................ 15
\J § 1.2. Электрон ....................... 16
\j § 1.3. Протон......................... 23
\j § 1.4. Нейтрон........................ 25
§ } 5. Энергия в электроновольтах . . .............. 25
§ 1.6. Зависимость массы от скорости .............. 26
§ 1.7. Соотношение между массой и энергией........... 30
V§ 1.8. Ускорители частиц высоких энергий........... 32
Задачи.............................. . 37
Литература............................ 39
Глава 2. Системы частиц..................... 40 V
§ 2.1. Введение........................ 40
§ 2.2. Энергия хаотического движения ............. 41
у" § 2.3. Максвелловское распределение кинетических энергий и скоростей .......................... 47
\J § 2.4. Распределение Больцмана ................ 52
\j § 2.5. Столкновения, длины свободного пробега и размеры атомов . 55
Задачи............................... 61
Литература............................. 62
Глава 3. Атомы и ядра...................... 64
\ § 3.1. Введение........................ 64
\ § 3.2. Ядерная модель атома................... 65 v,
^А 5 3.3. Спектры масс, изотопы и атомные массы.......... 72
^^§ 3.4. Энергия связи ядер.................... 83
Задачи................................ 88
Литература............................. 89
Глава 4. Эксперименты с волнами-частицами............ 91
. /§ 4.1. Введение........................ 91
\J § 4.2. Фотоэлектрический эффект ................ 93
§ 4.3. Линейчатые спектры.................... 99
§ 4.4. Линейчатые рентгеновские спектры............ 103
§ 4.5. Потенциалы возбуждения................. 112
§ 4.6. Непрерывный рентгеновский спектр........... 114
§~Ыг Эффект Комптона.................... 117
§ 4.8. Излучение абсолютно черного тела ............ 121
§ 4.9. Дифракция электронов ................. 125
§ 4.10. Дифракция нейтронов ................. 129
§ т4т-Н-. Принцип неопределенности ............... 131
§ 4.12. Резюме........................ 139
Задачи . . '............................140
Литература............................143
Глава 5. Введение в квантовую механику.............144
§ 5.1. Введение......................... 144
§-5,2; Уравнение Шредингера.................. 145
§ 5.3. Электрон в «прямоугольной потенциальной яме»....... 155
§ 5.4. Гармонический осциллятор................ 166
§ 5.5. Принцип соответствия................... 170
§ 5.6. Излучение и поглощение................. 172
Задачи...............................177
Литература............................179
Глава 6. Строение атомов и атомные спектры.......... . 180
§ 6.1. Введение .........................180
§ 6.2. Атом водорода......................181
§ 6.3. Принцип исключения...................189
~§~SC4T Электронное строение атомов ..............192
§ 6.5. Оптические спектры...................200
§ 6.6. Рентгеновские линейчатые спектры............203
Задачи......................-...........208
Литература............................209
Глава 7. Молекулы.......................211
§ 7.1. Введение........................211
\/§ 7.2. Молекула КС1 и ионная связь..............211
§ 7.3. Ион молекулы водорода.................218
\J § 7.4. Молекула водорода и ковалентная связь.........222
\/§ 7.5. Энергетические уровни электронов в молекулах ......225
§ 7.6. Молекулярные спектры и диссоциация молекул......232
Задачи..............................238
Литература............................240
Глава 8. Связь и энергетические зоны в твердых телах.......241
§ 8.1. Введение........................241
§-8т2. Ионные и ковалентные кристаллы............ 242
§^8-3. Металлические кристаллы................247
§-Sv4. Энергетические зоны . Рассмотрение с помощью атомных
уровней энергии.....................250
§.„8.5. Энергетические зоны. Рассмотрение с помощью математиче-; ской модели.......................256
......... 264
Задачи . • . • •............
.... 26о Литература......................
Глава 9. Электрические, тепловые и магнитные свойства твердых тел..........................
/ § 9.1. Введение........................267
§ 9.2. Проводники и непроводники электричества........?0<
А. § 9.3. Распределение Ферми для энергий электронов.......274
М § 9.4. Электроны проводимости в металлах и сплавах.......278
/ § 9.5. Тепловые свойства твердых тел..............284
I § 9.6. Электропроводность металлов и сплавов..........293
• § 9.7. Магнитные свойства тв,ердых тел .............302
Задачи..............................312 .
Литература.............................314
Глава 10. Дефекты структуры твердых тел.............315
§ 10.1. Введение .....................• • 315
§ 10.2. Типы дефектов.....................315
§ 10.3. Поглощение света ..................."25
§ 10.4. Фотопроводимость...................328
§ 10.5. Люминесценция ....................334
§ 10.6. Скольжение и прочность металлов и сплавов...... . 341
Задачи...............................346
Литература............................348
Глава 11. Полупроводники...................350
I § 11.1. Введение . ......................350
/ § 11.2. Истинные полупроводники................351
/II § 11.3. Полупроводники п- и р-типов..............357
М § 11.4. р—п-переходы ....................364
\ § 11.5. Контактные транзисторы................375
Задачи...............................384
Литература............,...............387
Глава 12. Физическая электроника..........".......388
§ 12.1. Введение........................388
§ 12.2. Термоионная эмиссия........•.........388
§ 12.3. Контактная разность потенциалов............401
§ 12.4. Холодная эмиссия....................403
§ 12.5. Фотоэлектрическая эмиссия..............405
§ 12.6. Вторичная эмиссия ...................406
§ 12.7. Столкновения электронов с атомами...........416
§ 12.8. Электронная оптика..................426
Задачи................................434
, Литература............................437
Глава 13. Прикладная ядерная физика..............439
{ § 13.1. Введение .......................439
/ § 13.2. Радиоактивность ...................440
/
§ 13.3. Составные части ядра. Бета- и гамма-излучения .....447
§ 13.4. Ядерные реакции....................453
,' § 13.5. Деление ядер......................457
! § 13.6. Ядерные реакторы...................460
i § 13.7. Детекторы ядерных частиц...............468 ,
V § 13.8. Применения радиоактивных изотопов...........476
Задачи...............................480
Литература............................. 482
Приложения.............................484
A. Физические постоянные...................484
Б. Периодическая система элементов Д. И, Менделеева......484
B. Таблица атомных масс..........,.........487
Г. Перевод единиц МКС в единицы СГС.......... ... 488
Д. Спектры импульсов и принцип неопределенности ....... 490
Е. Энергия, импульс и волновые функции............493
Задачи..................................499
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Последние десятилетия ознаменовались особенно сильным проникновением физических представлений и современных физических методов исследования в самые различные области техни- , ки для установления оптимальных параметров производственных процессов при создании новой технологии и новых материалов.
Важная роль физики в техническом прогрессе должна, конечно, отразиться и в расширении физико-математической подготовки инженерно-технических работников всех отраслей промышленности. В расширении этой подготовки должны помочь не только общие учебники физики и монографии по специальным проблемам, но и пособия, в которых инженеры различных специальностей и студенты старших курсов встретят достаточно полное систематическое и отвечающее уровню их математической подготовки изложение основных вопросов атомной и ядерной физики и электроники, а также их технических приложений.
Предлагаемая советским читателям в переводе на русский язык книга профессора Роберта Спроула ставит — говоря словами автора — задачу «ознакомления инженеров с теми разделами физики XX века, которые имеют наибольшее значение для техники».
Автор с 1949 г. состоял директором лаборатории физики твердого тела Корнельского университета (США), а в 1960 г. назначен директором вновь созданного центра материаловедения в том же университете.
Книга Р. Спроула охватывает такие вопросы, как свойства электронов и нуклонов, сведения об ускорителях, элементы кинетической теории газов, понятие о корпускулярно-волновом дуализме, элементы квантовой механики, строение атомов и молекул, их спектры, энергетические состояния электронов в твердых телах, электрические, тепловые и магнитные свойства последних, дефекты строения твердых тел, полупроводники, физическая электроника и прикладная ядерная физика. Автор не боится пользоваться
математическим аппаратом, оставаясь в рамках курса, преподаваемого в высшей технической школе. Каждая из 13 глав сопровождается умело подобранными интересными задачами.
Не все разделы одинаково удались автору. Более чем скромное место уделено механическим свойствам и прочности металлов. Полностью обойдена радиоспектроскопия, представляющая сейчас мощное средство изучения строения вещества.
Книга Р. Спроула с интересом и пользой будет прочитана всеми желающими познакомиться с основными представлениями современной физики и их важнейшими техническими приложениями.
Главы 1—8 и Приложения Д, Е переведены С. А. Коган, главы 9—13 и Приложения А — Г переведены В. И. Рыдником.
Б. Н. Финкелышпейн
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА
Настоящая книга написана с целью ознакомления инженеров с теми разделами физики XX века, которые имеют наибольшее значение для техники. Исследования последних пятидесяти лет не только существенно изменили наше понимание физики, но и привели к созданию приборов и осуществлению процессов, жизненно важных для техники нашего времени. В этой книге изложены основы современной физики электронов, атомов и ядер и показаны их приложения к задачам, представляющим интерес для техники. Наиболее «драматическими» являются приложения физики к транзисторам и ядерным реакторам, получившие развитие в течение последних десяти-двенадцати лет. Имеется большое число и других столь же важных технических приложений современной физики, например, к исследованиям электрических, тепловых, механических и магнитных свойств твердых тел и электрических и химических свойств поверхностей.
В основу книги положен односеместровый курс лекций по атомной физике, физике твердого тела и ядерной физике, читаемый с 1950 г. в Корнельском университете студентам старших курсов технических специальностей, а также неоднократно прочитанный вне стен Университета инженерам смежных специальностей. Цель курса — дать аналитическое введение в современную физику и ее приложения. Для части студентов настоящий курс служит подготовкой к специальным инженерным курсам; для других же он является «завершающим» курсом физики. В любом случае он служит основой, на которой должно строиться понимание современных технических устройств. Ознакомление с самими устройствами часто осуществляется непосредственно на промышленных пред-, приятиях, но изучение лежащих в их основе физических явлений должно быть неотъемлемой частью высшего технического образования. Например, инженер-химик или инженер-электрик, занятый на производстве люминесцентных ламп, может быть хо-Р°Шо знаком «в рабочем порядке» с техническим уровнем произ-водства, изготовлением и экономическими характеристиками
люминесцентных ламп. Но еще в процессе обучения в высшем учебном заведении он должен получить представление о термоэлектронной эмиссии, электронных процессах в газах и люминесценции в твердых телах.
Многие эксперименты современной физики вызвали к жизни приборы и методы измерения, важные для техники. Развитие таких средств исследования, как масс-спектрометры, радиационные термометры и термометры сопротивления, детекторы ядерных частиц и установки для рентгеновского контроля и кристаллографии, оказало очень большое влияние на технику.
В этой книге сделана попытка везде, где возможно, показать связь современных физических опытов с техническими приборами. Например, излучение черного тела сначала рассматривается как один из основных экспериментальных фактов, лежащих в основе квантовой физики. Затем, после выяснения роли излучения черного тела в современной физике, обсуждается использование его законов в пирометрических приборах.
Порядок изложения материала требует некоторого объяснения. В первой главе рассматриваются частицы, входящие в состав атомов и ядер. Во второй главе вводится представление о статистической функции распределения, которой в ряде случаев приходится пользоваться в дальнейшем. Приводятся также данные о размерах атомов и показывается, что любая физическая система (как, например, атом или твердое тело) всегда находится вблизи наиболее низкого возможного энергетического состояния. В третьей главе показано, что изучение атомной физики можно разбить на две части: изучение строения электронной оболочки атома и изучение ядра. Раздельное рассмотрение этих двух областей возможно благодаря тому, что размеры ядра малы, а энергия связи относительно велика по сравнению с масштабами, существенными для явлений, обусловленных электронной оболочкой.
Основой современной физики является квантовая механика; ей посвящена центральная часть настоящей книги. В четвертой главе описаны опыты, которые показывают необходимость введения квантовой теории и дают ряд интересных сведений об атомах. В пятой главе изложена квантовая механика и приведены некоторые простые, хотя и несколько искусственные примеры, иллюстрирующие методы ее применения. Рассмотрение приложений квантовой механики начинается в шестой главе и продолжается до конца книги.
После шестой главы можно было бы вернуться к вопросам ядерной физики, но представляется более естественным рассмотреть физику молекул и физику твердого тела (главы 7—11). После двенадцатой главы, посвященной физической электронике, в тринадцатой главе возобновляется изложение ядерной физики, кото-
рое может теперь опираться не только на квантовую механику, но и на некоторые сведения, приведенные в десятой и двенадцатой главах и помогающие объяснить методику ядерных экспериментов. Преподаватель, который не согласен с таким разделением ядерной физики, может дать изложение тринадцатой главы между шестой и седьмой главами.
Подробное представление о построении этой книги можно получить, познакомившись с введением к каждой главе. Можно рекомендовать студенту прочитать эти введения до изучения книги и перечитать их вновь после ее изучения.
В течение многих лет квантовую механику считали слишком сложной для включения в основной курс физики, но теперь квалифицированный инженер уже не может обходиться без нее. Она является частью его миропонимания почти в такой же степени, как термодинамика или теория электромагнитной индукции. Преподаванию квантовой механики можно противопоставить только изложение современной физики как науки чисто описательной, а не аналитической. Я считаю, что неразумно избегать квантовой механики, тем более, что математический аппарат, необходимый для разъяснения ее основных положений, не сложнее большинства разделов математики, изучаемых в высших технических учебных заведениях.
Изложение современной физики в этой книге является не только описательным, но и, где только возможно, аналитическим. При этом степень трудности повышается постепенно: от легкой первой главы к более трудной восьмой. После восьмой главы степень трудности остается примерно неизменной. В конце каждой главы даны ссылки на литературу для помощи студенту в его самостоятельной работе и на тот случай, если в специальных курсах будут изучаться дополнительные темы.
На протяжении всей книги используются рационализированные единицы МКС, принятые в большинстве высших технических учебных заведений; исключение составляет только применение электроновольта в качестве единицы энергии и ангстрема в качестве единицы длины, что дает более наглядное представление о величинах атомных масштабов. В приложении «Г» даны правила перевода единиц из системы МКС в систему СГС, примеры такого перевода и таблица переводных множителей.
Январь 1956 г. Р°беРт Л- СПР°УЛ
Цена: 300руб.
