Барсуков О.А. Основы атомной физики

В книге обсуждается и анализируется микроструктура вещества на атомном и молекулярном уровне. Описывается развитие идей атомной физики, и рассматриваются эксперименты, сыгравшие фундаментальную роль в создании современной микрофизики. Приводится информация по квантовой механике, необходимая для последующего изложения. Рассматриваются вопросы микроструктуры и свойств атомов, молекул и кристаллов. Теория атомных и молекулярных систем излагается в сочетании с данными наблюдений; особенно большое внимание уделяется современной спектроскопической информации.

Книга предназначена для специалистов, работающих над различными проблемами структуры вещества и для студентов высших учебных заведений, в которых требуется углубленное знание атомной физики и спектроскопии.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ...........,................................................................................17
ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................19
§ 1. Этапы развития физики микромира....................................................19
§ 2. Типы взаимодействий между частицами ............................................19
§ 3. Типы атомных систем и их состав........................................................20
§ 4. Типичные значения расстояний, энергий и
времен жизни в атомной физике...........................................................21
§ 5. Деление частиц на релятивистские и нерелятивистские.................23
§ 6. Атомная физика как физика квантовых явлений ............................25
6.1. Отличие макроскопических и микроскопических явлений............25
6.2. Об общих характерных свойствах микрочастиц.............................27
Часть первая. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ И РАЗВИТИЕ
ИДЕЙ ФИЗИКИ МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ.....29
Глава 1. АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА.............29
§ 1.1. Формирование современных представлений
о корпускулярном строении вещества .............................................29
1.1.1. Истолкование химических и физических свойств тел
на основе атомистической гипотезы..............................................29
1.1.2. Химическая атомистика..................................................................30
1.1.3. Физическая атомистика...................................................................32
1.1.4. Число частиц как характеристика корпускулярного
строения вещества...........................................................................33
1.1.5. Массы и размеры атомов.................................................................34
§ 1.2. Периодический закон химических элементов.................................36
§ 1.3. Закономерности в атомных спектрах и комбинационный
принцип ..................................................................................................38
1.3.1. Оптические спектры простейших атомов......................................38
1.3.2. Комбинационный принцип .............................................................40
Глава 2. АТОМ КАК СИСТЕМА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.......................43
§ 2.1. Понятие об элементарном электрическом заряде
и открытие электрона..........................................................................43
2.1.1. Дискретность структуры электричества........................................43
2.1.2. Опыты Томсона по исследованию свойств катодных лучей .......44
§ 2.2. Рентгеновское и радиоактивное излучения .....................................49
2.2.1. Открытие рентгеновского и радиоактивного излучений .............49
2.2.2. Природа рентгеновского и радиоактивного излучений ...............50
2.2.3. Закон спонтанных превращений и его вероятностный характер 51
§ 2.3. Модели атома.........................................................................................54
2.3.1. Ранние модели атома ......................,................................................54
2.3.2. Исследования рассеяния а-частиц..................................................55
2.3.3. Ядерная модель ................................................................................57
2.3.4. Теория рассеяния а-частиц Резерфорда и
ее экспериментальная проверка .....................................................58
2.3.5. Понятие радиуса ядра и его определение из опытов
по рассеянию а-частиц....................................................................59
§ 2.4. Методы получения рентгеновского излучения и
исследования его свойств....................................................................60
2.4.1. Кристалл как естественная дифракционная решетка
для рентгеновского излучения .......................................................60
2.4.2. Методы Дебая -Шерера и Брэгга ..................................................62
§ 2.5. Заряд ядра. Экспериментальные методы его определения...........63
2.5.1. Гипотеза Ван ден Брука...................................................................63
2.5.2. Закон Мозли .....................................................................................63
2.5.3. Прямые опыты по определению заряда ядра................................64
§ 2.6. Масса ядра. Экспериментальные методы ее определения ...........65
2.6.1. Протон-электронная модель ...........................................................65
2.6.2. Протон-нейтронная модель.............................................................66
2.6.3. Единица измерения атомных масс .................................................67
2.6.4. Элементы масс-спектроскопии.......................................................67
Глава 3. КВАНТЫ, УРОВНИ ЭНЕРГИИ И КВАНТОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ .73
§ 3.1. Квантовая гипотеза ..............................................................................73
3.1.1. Равновесное излучение и его законы.............................................73
3.1.2. Квантовая гипотеза в применении к веществу. Закон Планка ....79
3.1.3. Универсальный характер закона Планка.......................................82
3.1.4. Квантовая гипотеза в применении к излучению...........................84
3.1.5. Квантование энергии вещества и его следствия ...........................85
3.1.6. Две формы квантования энергии
электромагнитного излучения........................................................87
§ 3.2. Постулаты Бора и объяснение
важнейших закономерностей атомных спектров...........................88
3.2.1. Постулаты Бора и объяснение комбинационного принципа.......88
3.2.2. Невырожденные и вырожденные стационарные состояния........92
3.2.3. Графическое изображение уровней энергии.................................93
§ 3.3. Экспериментальные доказательства существования
уровней энергии атомов ......................................................................94
3.3.1. Механизмы возбуждения свободных атомов и молекул .............94
3.3.2. Опыты Франка и Герца ...................................................................94
3.3.3. Энергия ионизации атомов и ионов ...............................................97
§ 3.4. Заселенности уровней энергии и
вероятности оптических переходов...................................................98
3.4.1. Заселенности уровней энергии и
термическое возбуждение...........................................................98
3.4.2. Спонтанное испускание, поглощение и
вынужденное испускание фотонов ..............................................101
3.4.3. Связь между коэффициентами Эйнштейна.................................103
§ 3.5. Квантовые усилители и генераторы ...............................................105
Глава 4. ПРИНЦИП СООТВЕТСТВИЯ И МОДЕЛЬ АТОМА БОРА.......110
§ 4.1. Модель атома Бора как промежуточный этап
в развитии квантовых представлений ...........................................ПО
§ 4.2. Принцип соответствия .......................................................................111
4.2.1. Связь классической и квантовой теории и
принцип соответствия ...................................................................111
4.2.2. Применение принципа соответствия к модели атома водорода
и вывод выражения постоянной Ридберга ..................................112
§ 4.3. Характеристики боровских круговых орбит.................................115
4.3.1. Радиус круговой орбиты и скорость орбитального электрона .. 115
4.3.2. Правило квантования орбитального момента импульса............118
Глава 5. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ..............................120
§ 5.1. Корпускулярно-волновой дуализм
как общее свойство микрообъектов................................................120
§ 5.2. Корпускулярные свойства излучения .........................................123
5.2.1. Флуктуации излучения ..................................................................123
5.2.2. Опыты Вавилова ............................................................................125
5.2.3. Опыты Комптона. Эффект Комптона ..........................................126
5.2.4. Передача импульса при процессах излучения ............................129
§ 5.3. Волновые свойства микрочастиц ....................................................132
5.3.1. Опыты Дэвиссона и Джермера.....................................................132
5.3.2. Опыты Тартаковского и Томсона.................................................134
5.3.3. Значения дебройлевских длин волн
для различных частиц и их волновые свойства..........................135
§ 5.4. Объяснение корпускулярно-волнового дуализма.........................136
Часть вторая. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ............................143
Глава 6. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ ..................143
§ 6.1. Создание квантовой теории..............................................................143
§ 6.2. Основные константы квантовой теории........................................144
§ 6.3. Соотношение неопределенностей.
Связь квантовой механики с классической ..................................145
§ 6.4. Волновая функция ..............................................................................148
§ 6.5. Принцип суперпозиции......................................................................150
Глава 7. ЭЛЕМЕНТЫ НЕРЕЛЯТИВИСТСКОЙ
КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ ..............................................................151
§ 7.1. Допущения, при которых справедлива
волновая механика Шредингера .....................................................151
§ 7.2. Операторы физических величин,
их собственные функции и собственные значения .....................152
§ 7.3. Постулаты квантовой механики.....................................................156
§ 7.4. Конкретный вид важнейших операторов
квантовой механики..........................................................................157
§ 7.5. Уравнение Шредингера ....................................................................158
§ 7.6. Простейшие одномерные задачи квантовой механики..............160
7.6.1. Частица в прямоугольной потенциальной яме............................160
7.6.2. Туннельный переход......................................................................164
7.6.3. Уровни энергии при двух и больше минимумах потенциальной энергии.................................................................166
7.6.4. Гармонический осциллятор ..........................................................169
§ 7.7. Коммутативность операторов и их связь
с общей полной системой собственных функций .........................172
§ 7.8. Средние значения физических величин
и их изменение со временем..............................................................174
§ 7.9. Соотношение неопределенностей
между произвольными физическими величинами ......................176
§ 7.10. Чистые и смешанные состояния ....................................................178
§ 7.11. Симметрия микросистем ...........................................................179
7.11.1. Общая характеристика симметрии микросистем .....................179
7.11.2. Операции пространственной и перестановочной симметрии . 180
7.11.3. Четные и нечетные, симметричные и антисимметричные
состояния атомных систем .........................................................181
Глава 8. МОМЕНТЫ ИМПУЛЬСА И МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ
МИРОСИСТЕМ....................................................................................184
§ 8.1. Квантование квадрата момента импульса и
его проекции ........................................................................................184
8.1.1. Законы квантования квадрата момента импульса
и его проекции.............................................................................184
8.1.2. Уточнение понятия вырождения стационарных состояний
в квантования механике.............................................................190
§ 8.2. Сложение моментов импульса..........................................................191
§ 8.3. Магнитные моменты и их связь с механическими моментами . 197
§ 8.4. Пространственное квантование.
Опыты Штерна и Герлаха.................................................................201
§ 8.5. Прецессия и взаимодействие магнитных моментов ....................203
Глава 9. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ИЗЛУЧЕНИЯ.............................................211
§ 9.1. Дипольное излучение .........................................................................211
9.1.1. Излучение классического осциллятора и
классического диполя....................................................................211
9.1.2. Понятие электрического дипольного момента
в квантовой механике....................................................................213
9.1.3. Связь вероятностей излучательных переходов
с матричными элементами Djk.......................................................214
§ 9.2. Правила отбора и правила поляризации
для дипольного излучения ................................................................216
§ 9.3. Излучение атомных систем различной мультипольности..........219
9.3.1. Представление об излучении атомов
различной мультипольности ....................................................219
9.3.2. Учет запаздывания электромагнитной волны.............................220
§ 9.4. Правила отбора для атомных систем
различной мультипольности ............................................................222
9.4.1. Зависимость правил отбора от симметрии атомной системы ...222
9.4.2. Правила отбора для квантового числа/......................................224
§ 9.5. Естественная ширина уровней энергии и
спектральных линий..........................................................................225
Глава 10. ПРОБЛЕМА МНОГИХ ЧАСТИЦ
В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ .........................................................232
§ 10.1. Обменное вырождение .....................................................................232
§ 10.2. Принцип неразличимости частиц и принцип Паули.
Фермионы и бозоны...........................................................................234
§ 10.3. Конденсация Бозе - Эйнштейна.....................................................235
Глава 11. ЭЛЕМЕНТЫ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ КВАНТОВОЙ
МЕХАНИКИ И КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ............240
§ 11.1. Уравнение Дирака. Некоторые представления
релятивистской квантовой механики ..........................................240
11.1.1. Теория Дирака..............................................................................240
11.1.2. Физическая интерпретация состояний
с отрицательной энергией............................................................243
§ 11.2. Элементы квантовой электродинамики.......................................244
11.2.1. Электрон-позитрон-фотонное поле............................................244
11.2.2. Виртуальные состояния и виртуальные частицы .....................245
11.2.3. 5-матрица......................................................................................246
11.2.4. Диаграммы Фейнмана .................................................................247
11.2.5. Радиационные поправки к уровням энергии.............................248
11.2.6. Теория перенормировки..............................................................250
Часть третья. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АТОМОВ ............................253
Глава 12. ОДНОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ ..................................................253
§ 12.1. Нерелятивистская квантово-механическая
теория одноэлектронного атома.....................................................253
12.1.1. Классификация одноэлектронных атомных систем .................25 3
12.1.2. Решение уравнения Шредингера
для одноэлектронного атома ......................................................253
§ 12.2. Квантовые числа одноэлектронного атома
и степень вырождения его уровней...............................................259
§ 12.3. Характеристика стационарных состояний
одноэлектронного атома..................................................................262
§ 12.4. Квантовые переходы
между энергетическими уровнями одноэлектронных атомов..272
12.4.1. Правила отбора для одноэлектронных атомов..........................272
12.4.2. Спектральные серии атомарного водорода...............................274
12.4.3. Зависимость спектров одноэлектронных атомов
от заряда и массы ядра .................................................................276
§ 12.5. Тонкая структура уровней энергии и
спектральных линий........................................................................279
12.5.1. Спин-орбитальное взаимодействие............................................279
12.5.2. Релятивистская поправка
к основной структуре энергетических уровней........................281
§ 12.6. Лэмбовский сдвиг уровней..............................................................283
Глава 13. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ...............................................286
§ 13.1. Квантовые состояния электронов сложного атома....................286
13.1.1. Взаимодействие электронов в сложных атомах.
Понятие самосогласованного поля ............................................286
13.1.2. Зависимость энергии электрона сложного атома
от квантовых чисел......................................................................289
§ 13.2. Физическое объяснение периодического закона.........................290
13.2.1. Исходные положения периодической системы элементов. Принцип Паули .......290
13.2.2. Электронные слои и оболочки и их заполнение.......................292
13.2.3. Зависимость энергии электрона
от азимутального квантового числа...........................................296
13.2.4. Ход заполнения электронных слоев и оболочек.......................298
§ 13.3. Основы общей систематики сложных спектров.........................302
13.3.1. Сложение орбитальных и спиновых моментов и типы связи .. 302
13.3.2. Характеристика нормальной связи ............................................305
13.3.3. Термы конфигураций, состоящих
из эквивалентных электронов.....................................................312
13.3.4. Мультиплетное расщепление .....................................................315
13.3.5. Мультиплеты в спектрах.............................................................317
13.3.6. Типы оптических атомных спектров .........................................317
§ 13.4. Уровни энергии и спектры атомов щелочных металлов..........319
13.4.1. Теория атома щелочного металла ..............................................319
13.4.2. Уровни энергии атомов щелочных металлов............................321
13.4.3. Тонкая (дуплетная) структура
уровней атомов щелочных металлов .........................................321
13.4.4. Спектр атомов щелочных металлов...........................................322
§ 13.5. Уровни энергии и спектры атома гелия.......................................326
13.5.1. Теория атома гелия ......................................................................326
13.5.2. Энергия атома гелия в сингулетном и триплетном состояниях 331
13.5.3. Правила отбора для сложного атома...........................................332
13.5.4. Спектр атома гелия ......................................................................333
§ 13.6. Процессы образования рентгеновских спектров
испускания и поглощения и их основные свойства...................334
13.6.1. Особенности рентгеновских спектров .......................................334
13.6.2. Механизм возникновения
рентгеновских спектров испускания..........................................335
13.6.3. Оже-эффект...................................................................................336
13.6.4. Энергия рентгеновского излучения. Разделение атомов электронов по признаку прочности связи ..................................336
13.6.5. Механизм возникновения
рентгеновских спектров поглощения .........................................339
13.6.6. Дуплетный характер рентгеновских спектров ..........................340
§ 13.7. Методы рентгеновской спектроскопии ........................................342
13.7.1. Рентгеновская флуоресцентная спектроскопия .......................342
13.7.2. Рентгеновская абсорбционная спектроскопия ..........................343
§ 13.8. Методы электронной спектроскопии............................................345
13.8.1. Общие представления о методах
электронной спектроскопии........................................................345
13.8.2. Ультрафиолетовая электронная спектроскопия .......................345
13.8.3. Электронная спектроскопия для химического анализа............346
13.8.4. Электронная оже-спектроскопия................................................349
Глава 14. АТОМЫ ВО ВНЕШНИХ ПОЛЯХ..................................................352
§ 14.1. Эффект Зеемана.................................................................................352
14.1.1. Открытие эффекта Зеемана.........................................................352
14.1.2. Общая характеристика явления Зеемана ...................................353
14.1.3. Множитель Ланде в случае нормальной и (Д/)""связеи .............356
14.1.4. Явление Зеемана в слабых полях...............................................359
14.1.5. Явление Зеемана в сильных и промежуточных полях .............366
§ 14.2. Методы магнитного резонанса.......................................................372
14.2.1. Основные принципы....................................................................372
14.2.2. Метод Раби ...................................................................................373
14.2.3. Метод ЭПР....................................................................................375
14.2.4. Циклотронный резонанс..............................................................377
14.2.5. Двойной радиооптический резонанс..........................................378
§ 14.3. Эффект Штарка.................................................................................379
14.3.1. Открытие эффекта Штарка .........................................................379
14.3.2. Общая характеристика эффекта Штарка ...................................380
14.3.3. Явление Штарка для атома водорода..........................................383
Глава 15. СВЕРХТОНКАЯ СТРУКТУРА И
УШИРЕНИЕ АТОМНЫХ УРОВНЕЙ ЭНЕРГИИ......................388
§ 15.1. Общие представления о ядерных моментах ................................388
15.1.1. Спиновый момент ядра ...............................................................388
15.1.2. Электрические и магнитные моменты ядер ..............................389
15.1.3. Магнитный резонанс,
связанный с магнитными моментами ядер................................391
15.1.4. Ядерный квадрупольный резонанс.............................................393
§ 15.2. Уровни сверхтонкой структуры
и переходы между ними...................................................................393
Глава 17. ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ В МОЛЕКУЛЕ И
ЕЕ РАВНОВЕСНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ......................................431
§ 17.1. Виды движения в молекуле.............................................................431
17.1.1. Порядки величин электронной, колебательной и вращательной энергии..................................................................431
17.1.2. Адиабатическое приближение....................................................434
17.1.3. Равновесные конфигурации ядер молекул.
Кривые и поверхности потенциальной энергии .......................434
§ 17.2. Равновесная конфигурация молекулы и
ее свойства симметрии.....................................................................439
17.2.1. Форма и размеры молекул ..........................................................439
17.2.2. Симметрия равновесных конфигураций молекул ....................446
Глава 18. ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ МОЛЕКУЛ
И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ.............................................448
§ 18.1. Классификация электронных состояний молекул.....................448
18.1.1. Ионная и ковалентная связь........................................................448
18.1.2. Характеристики молекулярных электронов..............................449
18.1.3. Классификация состояний а- и тг-электронов
на положительные и отрицательные, четные и нечетные........450
18.1.4. Молекулярные электронные термы ...........................................451
§ 18.2. Теория молекулярных систем Hj и Н2.......................................453
18.2.1. Молекулярный ион Hj ...............................................................453
18.2.2. Молекула Н2 ...............................................................................456
§ 18.3. Химическая связь в двухатомных молекулах.............................461
18.3.1. Насыщение обменных сил и валентность атомов.....................461
18.3.2. Методы молекулярных орбиталей и валентных пар ................462
18.3.3. Электронные состояния двухатомных молекул
с центром симметрии...................................................................464
18.3.4. Электронные оболочки и химическая связь
в некоторых простейших двухатомных молекулах ..................467
§ 18.4. Химическая связь в многоатомных молекулах ..........................469
18.4.1. Общее представление о многоатомных молекулах..................469
18.4.2. Направленная валентность..........................................................470
18.4.3. Образование химических связей
четырехвалентными атомами углерода .....................................475
18.4.4. Нелокализованные электроны ....................................................480
Глава 19. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВРАЩАТЕЛЬНЫЕ
СОСТОЯНИЯ МОЛЕКУЛ................................................................483
§ 19.1. Колебательные и вращательные степени свободы
и отделение колебаний от вращения..............................................483
§ 19.2. Колебательные состояния молекул...............................................485
19.2.1. Колебания и энергия диссоциации двухатомных молекул......485
19.2.2. Понятие о колебаниях двухатомных молекул
и их характеристичности ............................................................488
§ 19.3. Вращательные состояния молекул................................................492
19.3.1. Общая характеристика вращения молекул................................492
19.3.2. Вращательные уровни и вращательные переходы
в случае линейных молекул........................................................495
19.3.3. Вращательные уровни молекул типа сферического волчка ....497
19.3.4. Моменты инерции и вращательные постоянные молекул типа симметричных и асимметричных волчков................................498
19.3.5. Вращательные уровни и вращательные переходы
в случае молекул типа симметричного волчка..........................501
19.3.6. Вращательные уровни и вращательные переходы
в случае молекул типа асимметричного волчка .......................503
19.3.7. Вращательные спектры и структура молекул ...........................504
Глава 20. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ......................................................507
§ 20.1. Общая картина молекулярного спектра......................................507
§ 20.2. Дипольный момент молекулы и
процесс образования молекулярных спектров ...........................508
§ 20.3. Классификация молекулярных спектров ....................................509
20.3.1. Вращательные спектры ...............................................................509
20.3.2. Колебательно-вращательные спектры .......................................510
20.3.3. Электронно колебательно-вращательные спектры ..................510
20.3.4. Влияние изотопического состава элементов
на молекулярные спектры............................................................513
20.3.5. Сплошные спектры ......................................................................513
§ 20.4. Мультиплетная структура
электронных состояний молекул....................................................514
§ 20.5. Комбинационное рассеяние света..................................................519
§ 20.6. Применение метода электронной спектроскопии
в химических исследованиях...........................................................522
20.6.1. Сдвиг линий в спектре ЭСХА.....................................................522
20.6.2. Изучение валентных состояний атомов и
другие исследования методом ЭСХА........................................523
Часть пятая. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ ....................525
Глава 21. СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.............525
§ 21.1. Основные особенности твердого тела
в кристаллическом и аморфном состоянии.................................525
§ 21.2. Решетки Браве ...................................................................................528
§ 21.3. Типы связей в кристаллах ..............................................................530
21.3.1. Ионная связь.................................................................................531
21.3.2. Ковалентная связь........................................................................531
21.3.3. Металлическая связь....................................................................532
21.3.4. Молекулярная связь.....................................................................533
21.3.5. Водородная связь .........................................................................534
Глава 22. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА
СУЩЕСТВОВАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ....................................................................................535
§ 22.1. Развитие взглядов на строение кристаллов.................................535
§ 22.2. Индексы узловой прямой и узловой плоскости ..........................536
§ 22.3. Экспериментальные методы исследования
структуры кристаллов.....................................................................538
22.3.1. Рентгеноструктурный анализ......................................................538
22.3.2. Ионный микропроектор ..............................................................539
22.3.3. Нейтронография...........................................................................540
22.3.4. Эффект каналирования и эффект теней.....................................542
Глава 23. ЗОННАЯ СТРУКТУРА ТВЕРДЫХ ТЕЛ.......................................547
§ 23.1. Теоретические соображения, приводящие
к представлению о существовании зон ........................................547
23.1.1. Модель Кронига - Пенни............................................................547
23.1.2. Особенности прохождения электронной волны
через кристалл..............................................................................550
23.1.3. Физические соображения общего характера.............................551
§ 23.2. Экспериментальные доказательства
существования зон............................................................................552
23.2.1. Анализ рентгеновских спектров испускания ............................552
23.2.2. Изучение электронной структуры твердого тела методом ЭСХА.............................................................................................553
§ 23.3. Несовершенства структуры кристаллов и соответствующие им уровни энергии..................................................................................555
Глава 24. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ 556
§ 24.1. Квазичастицы твердого тела - фононы .......................................556
24.1.1. Волны упругой деформации остова кристалла.........................556
24.1.2. Газ фононов ..................................................................................559
§ 24.2. Теплоемкость кристаллической решетки....................................560
Оглавление___________________________________________________________15
§ 24.3. Ангармонизм колебаний атомов кристаллической
решетки и фонон-фононные взаимодействия.............................564
§ 24.4. Тепловое расширение и теплопроводность кристаллов ...........566
24.4.1. Тепловое расширение твердого тела..........................................566
24.4.2. Теплопроводность твердого тела ...............................................567
§ 24.5. Квантовые эффекты в веществе
при сверхнизких температурах.....................................................568
Глава 25. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ..........................571
§ 25.1. Квазичастицы твердого тела - электроны
и электронные дырки......................................................................571
§ 25.2. Зонная структура твердых тел и их электропроводность..........574
§ 25.3. Заселенность электронных состояний в кристаллах.................577
§ 25.4. Электроны проводимости в металлах...........................................581
25.4.1. Уровень Ферми и энергия свободного электрона.....................581
25.4.2. Вырождение электронного газа..................................................583
25.4.3. Электрон-фононные взаимодействия ........................................584
25.4.4. Электронная теплоемкость металла...........................................586
25.4.5. Электронная теплопроводность и проводимость металла.......588
§ 25.5. Носители тока в примесных полупроводниках.
Электронный полупроводник (полупроводник п-типа)............589
§ 25.6. Экситоны и электронные возбуждения кристалла.....................592
25.6.1. Экситоны Ваннье - Мотта...........................................................592
25.6.2. Экситоны Френкеля.....................................................................594
25.6.3. Экситоны-переносчики энергии.................................................595
Глава 26. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ ..............................597
§ 26.1. Виды магнетизма ..............................................................................597
§ 26.2. Диамагнетизм и парамагнетизм.....................................................597
26.2.1. Диамагнетизм ...............................................................................597
26.2.2. Парамагнетизм .............................................................................599
§ 26.3. Ферромагнетизм и антиферромагнетизм.....................................602
26.3.1. Ферромагнетизм...........................................................................602
26.3.2. Антиферромагнетизм..................................................................608
Глава 27. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ ...............................................................611
§ 27.1. Основные свойства сверхпроводников.......................................611
§ 27.2. Низкотемпературные и высокотемпературные
сверхпроводники ..............................................................................614
§ 27.3. Элементы теории сверхпроводимости ..........................................616
27.3.1. Связывание свободных электронов в куперовские пары.........616
27.3.2. Теория БКШ .................................................................................618
27.3.3. О механизме высокотемпературной сверхпроводимости........620
§ 27.4. Квантовые эффекты, связанные
со сверхпроводимостью ...................................................................621
27.4.1. Эффекты Джозефсона .................................................................621
27.4.2. Квантование магнитного потока
(макроскопический квантовый эффект).....................................622
§ 27.5. Применение сверхпроводников......................................................623
27.5.1. Сильноточные сверхпроводниковые технологии.....................623
27.5.2. Слаботочная прикладная сверхпроводимость (сверхпроводниковая электроника).............................................626
27.5.3. Сверхпроводящие подвесы .........................................................627
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................629
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................................636
Справочная литература...............................................................................636
Литература к введению и части первой....................................................636
Литература к части второй..........................................................................637
Литература к части третьей.........................................................................638
Литература к части четвертой....................................................................638
Литература к части пятой............................................................................640
Литература к заключению...........................................................................641
ПРИЛОЖЕНИЕ. Фундаментальные физические постоянные...................642
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ...........................................................................643