MINISTERUL EDUCATTEI NATIONALE

Cleopatra Gherbanovschi Nicolae Gherbanovschi

FIZICAmanual pentru Glasa a xll-a

\I

F1. filiera teoreticd, Protil real,

specializa rea matematico'informotka $ $ttnle ale naturiir filiera vocationald, profil milttarMApN,

specializa rea motemotico4nlormatica

NICUtESCU

Guprins

l. Teoria relativitlfii restr6nse

1. 1. Bazele experimentale ale teoriei relativititii.. restrdnse ....,...,.........................4

l.l.l, Relativitatea clasicd ............................ 4

1.1.2. Experimentul Micheison gi Morley ...61.2. Postulatele teoriei relativitilii restrdnse.

Transfonnlrile Lorent2.................................... 9

l.3.Elemente de cinematici gi dinamic[relativistd ..............................12

1.3.1. Cinematica relativisti. Consecinlele

cinematice ale transformdrilor

Lorentz ..................... 12

1.3.2. Compunerea vite2elor...........,........,... l51.3.3. Principiul fundamental al dinamicii 17

1.3.4. Relalia masE-energie ......................... l9

2. Elemente de fzici cuanticii

2.1. Efectul fotoelectric extern,............................ 28

2.1.1. Legile efectului fotoelectric extern .. 28

2.1.2. Interpretarea legilor efectului

fotoelectric extern........,..................... 30

2.1.3. Ipoleza lui Planck. lpoteza luiEinstein. Ecua{ia lui Einstein........... 3 I

2.1.4. Aplicalii ale dispozitivelor

optoelectronice. .,......342.2.Efecbil Compton* ................35

2.3. Dualismul undl-corpuscul............................. 39

2.4. lpoteza de Broglie. Difraclia elechon i lor.

Aplicalii ....-..:................................................... 40

3. Fizici atomlcl

3.1. Spectre .......,48

3.1.1. Spectroscopul cu prismi................... 48

3.2. Experimentul Rutherford.

Modelul planetar al atomului ....................... 5 1

3.2. 1. Experimentul Rutherford .................. 5 I

3.2.2. Modelul planetar al atomului ........... 52

3.3. Modelul Bohr ................................................. 54

3.3.1. Cuantificarea distanlelor elecffonului

fati de nucleu (r,), a vitezelor luipe orbita circular6 (tr,), aimpulsului (p,) $i a energiei

totale (E,) .................56

3.3.2. Seriile spectrale ale hidrogenului qi

ale atomilor hidrogenoizi .................. 59

3.4. Experimentul Franck-Hertz ........................... 62

3.5.Atomul cu mai muli elechoni* ............,......63

3.6. Radia{iile X .................................................... 56

3.7. Efectul LASER* .................. 68

4. Semiconductoare. Apticafii in electionicii

4. l. Conduclia electrici in metale.

Semiconductoare intrinseci gi extrinseci .. -..... 7 6

4. l. l. Semiconductoare intinseci ................. 79

4. 1.2. Semiconductoare extrinseci ................ 80

4.2. Dioda semiconductoare.

Redresarea curentului altemativ ...................... 82

4.2. l. Jonctiun ea p-n nepolaizati ................ 82

4.2.2. Dioda semiconductoare.

Definitie qi proprietdfi electicegenera1e............ .........83

4.2.3. Fenomene fizice in dioda

semiconductoare in regim

de conduc{ie..... ......... 88

4.2.4. Redresarea curentului altemativ ......... 90

4.2.5. Redresorul monoaltemanta ................. 9 I

4.2.6. Redresorul dubli altemanli ................ 93

4.2,7. Redresoare cu multiplicare, detensiune..........................................95

4.2.8. Stabilizatorde tensiune

cu diodi Zener ..... :.............................. 96

4.3. Tranzistorul cu efect de cdmp (TEq* .............gg

* Teme destinate claselor cu 3 ore pe siptimdni la disciplina Fizicd.

4.3.1. Tranzistorul cu efect de c6mp

cu joncliuni ( IEC-4* ..... ".............. ".. I 00

4.3.2. Tranzistoare cu efect de cdmp (TEC)

cupoartiizolatd .......102

4.3.3. PolarizareapentruTECin monaj amplifi cator* .,..,............... I 06

4.3.4. Tmnzistorul bipolar cu joncfiuni p-n* I 08

4,4. Circuite integrate* ............^........................... I I I

5. Fizictr nuclearii

5. 1. Proprietili generale ale nucleului ...,........... I 1 8

5,2. Energia de legdturi a nucleului.

Stabilitatea nucleului .........120

5.2.1. Fode nucleare. Energia de legdturi

a nucleului .............120

5.2.2. Stabilitatea nucleului ...................... 122

5.2.3. Modelarea structurii nucleului ......, 123

5'r3. Radioactivitatea. Legile dezintegrdrii, ' radioactive .........;................125

5.3. I . Radioactivitatea naturald ................. I 25

5.3.2. Legile dezintegririi radioactive ......l275.3.3. Reaqii nucleare............................... 130

5.3.4. Legi de conservare in reacliile

nucleare ..................132

5.4. Interaclia radiatiei nucleare cu substanla.

Detecfia radialiilor nucleare. Dozimetrie ... 137

5.4.1. Radiatii formate din particule

incircate electric............. ...,......,,,.. ". 137

5.4.2. lnterac;ia radialiilor formate din

particule neutre cu substanta.".""..... 139

5.4.3. Detectia radialiilor nucleare ........... l4l5.4.4. Do2imetrie.,...................................... 144

5.4.5. Iradierea naturali gi

iradierea artificiald .........................' 146

5.5.Fisiunea nucleari. Reactorul nuclear ....."... 150

5.5.1. Fisiunea ........'.....'.'.150

5.5.2. Reaclia in lanf. Masa criticd.......... 151

5.5.3. Reactorul nuclear ...........'....'.'."..":. 153

5.6,Fuziunea nucleari ...........,..158

5.6.1. Fu2iunea...................,....................... 158

5.6.2, Reactorul cu fuziune........."............. 159

5.7. Acceleratoare de particule* .."...,'.'....'..'..'"... 161

5.7.1. Acceleratorul liniar cu electroni

de accelerare (LINAC)'{' ....,,.,.......... I 6 I

5.7.2, Betatronulr "...^.,..............."................. 163

5.7.3. Ciclotronul* ...."..................,...,...,..... 166

5.8. Particule elementare* ............,.........."........... I 69

5.8. l. Interacliile fundamentale* ............... I 69

5.8.2. Caracteristicile oomune ale

particulelor elementare* .................. I 7 I

5.8.3. Scurt istoric* ............"...................... 174

5.8.4" Radialia cosmici* ........".............'.... 176

5.8.5. Radialia cosmici de fond* .............177

Anexe

Sistemul periodic al elementelor ................ I 84

Proprietitile particulelor elementare........... 190

Constante atomice u2uale........................"... 192

Prezentarea biografrcd a unor fizicienilaureali ai Premiului Nobel,

menlionali in manual ................................... 1 93

Indicalii gi rdspunsuri.".. .......,'..200

Bibliografie ,...."...........",............ 206

* Teme destinate claselor cu 3 ore pe siptimin6 la disciplina FizicI.

1Teorla relatlvitiftt restrinse1.1. Bazele experimentale ale teoriei relativitifii restrinse

1.1.1. Relativitatea clasiciIn teoria relativitatii clasice toate sistemele de referinld inerliale (sN) sun,

echivalente tntre ele tn raport cu fenomenele mecanice. Dup6 cum qtim din clasaIX-a, agest fapt se exprimd in cadrul teoriei respective prin aceea ci ecuafiilemecanicii clasice sttnt invariante, adicd rdm0n neschimbate faf[ de transform5rileGalilei (TG).

Rearnintim cd prin transformirile Galilei se in{elege grupul de rela{ii detransformare a mirimilor cinematice (coordonate, viteze, accelerafii), carecatactenzeazd migcdrile particulelor, la trecerea dinh-un SRI (sistem de referinti

inerfial) in altulr in cadrul relativititii clasice.Se consider6 doui SRI (fig. 1.1) notate cu

^S

$i .S'. Orientarea axelor este aleasfl, spresimplificare, astfel inc6t vectorul t care defi-negte migcarea uniformd a lui ,S'in raport cu ,S

sd fie orientat in lungul axei Ox comune,tOtO,0); atunci TG se retranscriu ln urm6-toarele forme particulare (s-a ales ca origine atimpului mornentul c0nd O'trece prin O):

['ig. 1.1. Doui sisteme de referinfEine4iale S gi S'.

respectiv:

l*=x+VtLr=F'+f.t )Y=Y.t=t' lz=z'

It ={(1.1)

0 =$'+tf'* ='', *v1', = o',

Lr, =o',;

I In manualul de clasa a IX-a,. 0 era viteza absolut6 notat5 cu Oo, d'-viteza relativlnotatd cu d" - $i t - viteza de'transport notatd cu 8,.g

odatr cu apariria ":-' ";*;;,*T ^1, "?^o**ude r.c. Maxweu in

anul 1853, s-a constatat cE legile de bazd ale fenomenelor electromagnetice nu

sunt invariante fat6 de transforrn6rile Galilei, fapt susfinut prin urmdtorul argu-

rnent experimental.

S[ considerim dou[ SRI notate cu S gi S', cu axele paralele, S'migcdndu-se

faf[ de ,S cu viteza t (t4 a, 0); ca in figura l.l. O surs6 de lumin[ (in electro-

magnetism numitd undd electromagnetieil transversald), aflatd ln repaus in S,

emiie in vid un semnal luminos c{!re se propagd cu viteza u = c in lungul

axei Ox.

Viteza semnalului luminos fafi de iS'ar trebui sI fie calculati cu relafia de

transformare galileeand o*= o'"+ V avdnd forma c' = c - Z. Experientele de tipul

celor ale lui Michelson gi Morley, din anul 1887, au arltat insl cd viteza

semnalului luminos fafd de S'este tot c, adici c' : c.

Pentru a inlitura, in termeni relativigti clasici, contradicfia intre electrodina-

micl gi mecanici, la sfhrgitul secolului XIX au fost concepute doul teorii care

presupuneau c5:

- fenomenele electromagnetice au loc intr-un mediu deosebit, numit eter uni-

versal, care umple tot spatiul inclusiv interiorul corpurilor;

- la descrierea fenomenelor electromagnetice trebuie considerat, ca sistem de

referinf[, eterul universal.

1. Prima teorie, cea a lui Heinrich Hertz, afirma c6 eterul universal este total

antrenat de corpurile in miqcare astfel cd viteza de propagare a luminii in vid

este aceeagi fa{6 de orice corp, indiferent de sensul de migcare uniforml a acestuia.

Teoria lui Hertz rlmdnea insi in cadrul concep{iei clasice newtoniene despre

spafiu gi timp. Ca atare, Hertz a trebuit s[ rescrie legile cimpului electromag-

netic intr-o astfel de formi incflt, aplicflnd transformdrile lui Galilei, formularea

lor sd fie aceeagi in toate sistemele de referinti inerfiale.

2. A doua teorie, forrnulatd de Lorentz in anul 1904, presupune cE eterul este

imobil, constituind un sistem de referinfi deosebit, preferenfial, in care legile

electro.magnetismului au forma dati de Maxwell (in anul 1863). Astfel, numai in

acest sistem viteza luminii in vid are valoarea:

c : -7-l- : 3'1S m/s,{eoFo

aceeagi in toate direcfiile.Fizica experimentalI trebuia sI decidd care dintre aceste doud teorii era

valabill.in continuare se va descrie un experiment cu un rol crucial in elaborarea

teoriei relativitdfii einsteiniene.

r ',t:ir,'

: "'$til

' .,,,iiij. ::;E

_"rePentru a pune in evide!![ aceste viteze diferite de propagare a luminii pe

direcfii diferite falil de Pimdnt, pentru a dovedi migcarea p5mdntului fafd demediul ipotetic aflat in repaus - suport material al propagirii luminii - numiteter, Michelson gi Morley au folosit un interferometru. Schema instalaliei experi-

t S-a folosit pentru scrierea relafiei de compunere a vitezelor a lui Galilei, 6 : d, + trelalia scrisd cu simbolurile folosite de Michelson, adic6 il pentru D si il,pentru d,.

1.1.2. Experimentul Michelson gi Morley++u'=i-V -l/

--+'4-

-=->

u

u'

Fig. 1.2. Cele trei cazuri de compunere avitezelor pentru inlelegerea experien{ei lui

Michelson gi Morley.u':c+y(frg,l.Z,b).

in cazul 3, lumina care se propag[ in sistemui,s;pe direclia o'z'arevitezail'=il - V Siin modul (frg. 1.2, c):

. i=i-f valoare fa!6 de sistemul de referinldj=<=-- absolut - eterul -, atunci, falI de Pimdnt,- v ' sistem considerqt cd se deplaseazd, cuviteza

de translafie t n[de,,eter", vitezaluminii(il') va suferi mici varialii care depind desensul de deplasare a luminii gi aPimintului in spaliul absolut, conformrelafiei de compunerc a vitezelor in meca-nica clasiciti il =il'+ t. S5 considerimsistemul de referinlI ^S legat de eter qisistemul ,S', Pdmdntul, care se deplaseaz[cl viteza f fa[d de,! pe direclia Ox(frg.l.2, a), in trei cazuri:

in cazul 1, lumina care se propagi pedirecfia Ox, de la O spre x, are in sistemulS viteza d de modul c, iar in sistemul

^g'viteza d'=il - l, de modul u' : c - V.

in cazul 2, lumina se deplasea zd" pedirecfia Ox, delax la O,vitezade deplasarein sistemul O' este fr' =il - I gi in modul

Pentru inceput este necesar s[ efectudmcdteva calcule referitoare la ralionamentelepe care s-a bazat experienfa fizicianuiuiamerican A. A. Michelsonn (laureatulPremiului nobel pentru fiziid - 1907),realizatd in anul 1881 9i reluati in 1887

x impreund cu E. W. Morley.Dacd viteza luminii (il) are o anumiti

mentale este redatd in figura 1.3, a.

Experienla se face pe etape, in felulurmdtor: se aqazd interferometrul astfel

incdt braful 1 sd aibd orientarea indireclia gi sensul miqc6rii orbitale a

Pimdntului (fig. 1.3, D). Pe o porliunemici de arc migcarea se poate considera

rectilinie gi uniformi. Lurnina parcurge

braful 1 la ducere cu viteza c - V Silaintoarcere atvitezac * V, intr-un timptotal (cazurile I pi 2):

LL2Ltr:7i- ,*r=-l--v\'t r "l'-z)

Lumina parcurge bralul 2, avdnd

aceeagi lungime Z, dispus perpendi-

-vcular pe braful l, cu viteza ,1, - 7 ,

aceeaqi gi la ducere qi la intoarcere,intr-un timp total (cazul 3):

2L

-.

zlv2"^lt - -"11^

"'Cei doi timpi nu sunt egali (tt> tr)

gi depind de Z. intruc dt c >> V, tela[iilede mai sus se pot aproxima:

,,= +(1 - p)-, :':(l + F);Fig. 1.3.

"jo.rr.r,ru 1ui Michelson qi Morley.

a. Schema instala[iei experimentale.

b, c. Schemele de principiu pentru cele doui etape

ale experimentului.

:r' i,lr:ii:l*l.,ltriiri',:,

illlrril

t, : ?L0 - B,>-i

=+(,.iu, ),V

unde p : ;.Diferenla intre acegti doi timpi este:

Lt: tr- ,r= :P'.Acestei diferenle de timp ii corespunde o glumit6 diferenld, de fazd Si, ca

ufinare, apariliaunei figuri <le interferenli. in cdmpul lunetei de observare apdtea

li,i,'-'' +liEF,. / j'i$qffi