Тема 2. Дуализм свойств электромагнитного излучения.
⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 8Следующая ⇒1. Двойственная природа электромагнитного излучения. Какие явления, связанные с поглощением и излучением электромагнитных волн невозможно объяснить на основе электромагнитной теории? Гипотезы о квантовой природе излучения и поглощения света. Фотоны. Энергия и импульс фотона; выразите эти величины через длину волны , частоту , циклическую частоту .
В одних явлениях (интерференция, дифракция, поляризация) свет проявляется себя как волны, в других (тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона) — как частицы (кванты, фотоны), поэтому говорят о двойственной, корпускулярно волновой природе света.
Если частота света и, следовательно, энергия фотона, велика, то свет проявляется себя как «частицы», при малых частотах — как волны.
Например, в области радиоволн квантовые свойства практически не проявляются, и волновая электромагнитная теория хорошо объясняет явления, связанные с радиоволнами.
В силу двойственности природы света, для его характеристики используются как квантовые, так и волновые величины.
— Свет как частицы (кванты, фотоны) характеризуется:
Энергия фотона:
Масса покоя фотона равна 0
Импульс фотона:
— Свет как электромагнитные волны характеризуются:
— длина волны (м), n — частота (Гц), w — циклическая частота (1/с), с — скорость света в вакууме.
k в скалярной форме называют волновым числом, в векторной форме называют волновым вектором, р — импульс фотона: , .
Тема 3. Фотоэффект.
1. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта.
Фотоэффектом называют электрические явления, происходящие под действием электромагнитного излучения (света). Различают следующие виды фотоэффекта:
1)Внешний фотоэффект. Он состоит в том, что под действием света происходит
испускание электронов из вещества. При этом на поверхности вещества появляется положительный заряд.
2)Внутренний фотоэффект. Выбитые светом электроны остаются в веществе.
Если к веществу приложена разность потенциалов, то при освещении светом
электропроводность вещества увеличивается.
3)Фотоэффект в запирающем слое (вентильный фотоэффект). Если привести в контакт два вещества с разным типом проводимости (электронной и дырочной), то на их границе возникает разность потенциалов. Если освещать границу контакта светом и цепь замкнуть, то в ней будет протекать ток. Таким образом, можно наблюдать непосредственное преобразование световой энергии в электрическую.
Эйнштейн показал, что закономерности внешнего фотоэффекта можно объяснить, если предположить, что свет поглощается порциями (квантами) такими же, как по предположению Планка свет излучается: — уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Красная граница фотоэффекта — это частота или длина волны, при которых начинается (или прекращается) фотоэффект.
2. Вакуумный фотоэлемент, его вольтамперная и световая характеристики. Инерционный ток и ток насыщения. Запирающий потенциал . Нарисуйте график от частоты падающего света . Что можно найти по графику?
Внутри стеклянного баллона, из которого откачен воздух, имеются два электрода: катод (К) и анод (А).
При освещении катода светом, из него будут вылетать электроны, образуя электронное облако. Часть электронов по инерции достигает анода. Если катод и анод замкнуть вне баллона и присоединить микроамперметр, то прибор покажет ток — инерционный ток ( ).
Зависимость фототока от напряжения называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента. Начиная с некоторых напряжений, ток перестает увеличиваться, если при этом световой поток остается постоянным. Максимальный ток называется током насыщения ( ).
Световой характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока насыщения от падающего светового потока. Квантовый подход приводит к прямой пропорциональности тока насыщения световому потоку ~ .
Уравнение Эйнштейна можно записать в виде: и выразить задерживающий потенциал: .
По графику можно найти работу выхода А, красную границу , а по наклону прямой можно определить величину постоянной Планка h.
Задерживающее напряжение (потенциал) — это обратное напряжение, которое нужно приложить между катодом и анодом фотоэлемента, чтобы прекратился фототок
3. Фотоэффект как взаимодействие фотона со связанным электроном. Покажите, что фотоэффект не может иметь места, если электрон является свободным, не связанным с атомом. Используйте релятивистские соотношения.
Тема 4. Эффект Комптона.
1. Эффект Комптона. На основе каких представлений можно объяснить эффект Комптона? Напишите закон сохранения энергии; поясните, почему надо использовать релятивистские формулы. Напишите закон сохранения импульса в векторном и скалярном виде; сделайте чертеж.
Эффектом Комптона называется рассеяние веществом электромагнитного излучения, при котором частота рассеянного излучения уменьшается по сравнению с первоначальной, и одновременно наблюдается вылет быстрых электронов. Изменение частоты оказывается различной в зависимости от угла наблюдения.
(написать из реферата)
Импульс и энергия электрона до столкновения пренебрежимо малы по сравнению с импульсом и энергией фотона ( ), т.е. электрон можно считать свободным. После столкновения фотон отклоняется от первоначального направления под углом q, а его энергия уменьшается и становится равной hn. Электрон получает импульс и кинетическую энергию и летит под углом j.
2. Опишите эффект Комптона. Напишите формулу для изменения длины волны падающего излучения. При каких углах рассеяния изменение максимально и минимально? Что такое комптоновская длина волны электрона? Почему эффект Комптона не наблюдается для видимого света?
Изменение длины волны при комптоновском рассеянии излучения (на свободном электроне).
Из формул следует, что комптоновское изменение длины волны не зависит от природы рассеивающего вещества, а определяется только углом наблюдения: .
Комптоновская длина волны электрона: .
| q=0° | Dl=0 |
| q=90° | Dl= |
| q=180° | Dl=2 |
Комптоновское рассеяние наблюдается только для рентгеновских и гамма-лучей. В этом случае изменение длины волны сравнимо с длиной волны падающего излучения, и может быть измерено экспериментально. Для видимого света обнаружить эффект Комптона невозможно, т.к. максимальное изменение Dl=0,48пм слишком мало по сравнению со средней длиной световой волны
l»500нм=500000пм (зеленый свет) и перекрывается тепловым уширением спектральных линий.
infopedia.su
34. Двойственная природа света и ее проявления. Механизм излученияэлектромагнитных волн.
Согласно соврем. представлениям, электромагнитная природа света-этолишь разновидность его проявления. Другая разн-ть характеризуется его квантовой природой. Осн. ценность волновой теории света предс-т принцип Гюйгенса-Френеля: каждая точка, до к-й дошло световое возбуждение, в свою очередь становится центром вторичных волн и передает их во все стороны сосоедним точкам.Наиболее наглядно волновые св-ва света проявл-ся в явл-х интерференции и дифракции. Интерференция света закл-ся в том, что при взаимном наложении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Необх, условием ее наблюдения явл-ся когерентность волн. Явл-е отклонения света от прямолинейного направления распространения называется дифракцией. Волновую природу света и поперечность когерентных волн доказывает и явл-е поляризации – это упорядочивания колебаний волн света, приводящее к его отклонению. Сней связан з-н Прюстера (изчезновение отраженной волны).Зависимость скорости света в среде от длины волны –дисперсия света(Ньютон).Квантовые св-ва света: фотоэффект-явление испускания электронов в-вом под действием электромагнитного излучения. Объяснение осн. законов фотоэффекта было дано в1905г. Эйнштейном на основании квантовых представлений. В 1900г. Планк высказал гипотезу, что излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. опр-ми порциями (квантами), энергия к-х опр-ся частотой :Е=hv, где h-постоянная Планка.В 1905 Эйнш-н создал квантовую теорию света: излуч-е и распространение света происходят в виде потока световых квантов-фотонов.Свет имеет сложную природу: он прд-т собой единство корпус-х и волн-х св-в, свет –единство дискретности и непрерывности.
Электромагн-е волны-распростарняющиеся в пространстве эл-магн-е поля. Они могут распрост-ся не only в жидкости, но и в вакууме. Элект. заряды порождают элек-е поле, а переменное маг-е поле –электрич-е поле. Т.об. поля порождают друг друга и при этом распространяются в пространстве с конечной скоростью(=vсвета).
35. Концепция корпускулярно-волнового дуализма. Гипотеза де Бройля.
Француз. Ученый Лиу де Бройль, осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности к-в дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами.
С каждым микрообъектом связывают: корпуск-е хар-ки-энергия Е и импульс р; волновые- частота и длина волны . Е=h , p=h/ .
По гипотезе де Бройля с любой частицейБ обладающей импульсом, сопоставляется
волновой процесс с длиной волны, опред-й формулой де Бройля: =h/p.Она справедлива для любой частицы с импульсом р. Вскоре гипотеза де Б. Была подтверждена Экспериментально девиссом и Джермером, к-е обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решетки – кристала никеля, дает отчетливую дифракционную картину.Подтвержденная экспер-но гипотеза де Б. О к-в дуализме св-в в-ва коренным образом изменила представления о св-вах микрообъектов7 Всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые св-ва: для них сущ-т потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.
studfile.net
|
Впервые проблема корпускулярно-волнового дуализма проявила себя при исследовании природы света. В XVII веке Исаак Ньютон предложил считать свет потоком мельчайших корпускул. Это позволяло просто объяснить ряд наиболее характерных свойств света – например, прямолинейность световых лучей и закон отражения, согласно которому угол отражения света равен углу падения. Вообще, вся геометрическая оптика прекрасно согласуется с корпускулярной теорией света. Но явления интерференции и дифракции света никак в эту теорию не вписывались. Объяснить их ученым удалось лишь в XIX веке создателям волновой теории света. А теория электромагнитного поля и знаменитые уравнения Максвелла, казалось бы, вообще поставили точку в этой проблеме. Оказалось, что свет – это просто частный случай электромагнитных волн, то есть процесса распространения в пространстве электромагнитного поля. Мало того, волновая оптика объяснила не только те явления, которые не объяснялись с помощью корпускулярной теории, но и вообще все известные к XIX веку световые эффекты. И все законы геометрической оптики тоже оказалось возможным доказать в рамках волновой оптики. Однако уже в самом начале XX века опять возродилась корпускулярная теория света, так как были обнаружены явления, которые с помощью волновой теории объяснить не удавалось. Это – давление света, фотоэффект, Комптон-эффект и законы теплового излучения. В рамках корпускулярной теории эти явления прекрасно объяснялись, и корпускулы (частицы) света даже получили специальное название. Макс Планк назвал их световыми квантами (по-русски – порциями), а Альберт Эйнштейн – фотонами. Оба этих названия прижились и употребляются до сих пор. В итоге сложилась удивительная ситуация – сосуществование двух серьезных научных теорий, каждая из которых объясняла одни свойства света, но не могла объяснить другие. Вместе же эти две теории полностью дополняли друг друга. Только что мы рассмотрели ряд явлений, где свет ведет себя как поток частиц. Но явление интерференции и дифракции могут быть объяснены только с позиции волновой теории. Что же такое свет? В. Брегг писал: «неужели мы должны считать свет состоящим из корпускулов в понедельник, вторник и среду, когда проводим опыты с фотоэффектом и эффектом Комптона, и представлять себе его волнами в четверг, пятницу и субботу, когда работаем с явлениями дифракции и интерференции?» Выход из этой ситуации был найден следующий. Во-первых, электромагнитное излучение и его разновидность свет – это более сложный объект нашего мира, чем волна или корпускула. Во-вторых, нужна синтетезированная теория, объединяющая в себе и волновую, и корпускулярную теории. Она была создана и получила название квантовой физики. Очень важно, что квантовая физика не отвергает ни корпускулярную, ни волновую теории. Каждая из них имеет свои преимущества и свой, достаточно развитый математический аппарат. Свет – диалектическое единство противоположных свойств: он одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и дискретных фотонов. При уменьшении длины волны все явственнее проявляются корпускулярные свойства. Волновые свойства коротковолнового излучения проявляются слабо (например, рентгеновское излучение). Наоборот, у длинноволнового (инфракрасного) излучения квантовые свойства проявляются слабо. Взаимосвязь между корпускулярными и волновыми свойствами света находит простое толкование при статистическом подходе к распространению света. Взаимодействие фотонов с веществом (например, при прохождении света через дифракционную решетку) приводит к перераспределению фотонов в пространстве и возникновению дифракционной картины на экране. Очевидно, что освещенность в различных точках экрана прямо пропорциональна вероятности попадания фотонов в эти точки экрана. Но, с другой стороны, из волновых представлений видно, что освещенность пропорциональна интенсивности света J, а та, в свою очередь, пропорциональна квадрату амплитуды А2. Отсюда вывод: квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке есть мера вероятности попадания фотонов в эту точку. Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:Красная граница фотоэффекта. Фотоэффект. Распределение энергии в сплошном спектре. |
ens.tpu.ru
Двойственная природа света, ее проявления. Шкала электромагнитных волн
Государственная Академия Управления имени С. Орджоникидзе
Институт информационных систем управления
НА ТЕМУ:
Двойственная природа света, ее проявления. Шкала электромагнитных волн.
Студент группы ММиИОЭ 1-2 Булатов А.В.
Научный руководитель: Карпенков С.Х.
Москва, 1998 год.
Оглавление
1.Оглавление……………………………………………………….…. 2
2.Аннотация…………………………………………………………… 3
3.Введение…………………………………………………………….. 4
4.Основная часть……………………………………………………… 6
5.Дифракция………………………………………………………….. 7
6.Дифракционная решетка…………………………………………… 9
7.Дисперсия………………………………………………………..… 10
8.Поляризация……………………………………………………….. 11
9.Фотоэффект………………………………………………………… 14
10.Шкала электромагнитных волн…………………………………… 17
11.Радиоволны………………………………………………………… 18
12.Инфракрасное излучение…………………………………………. 25
13.Видимый свет………………………………………………………. 25
14.Ультрафиолетовое излучение…………………………………….. 26
15.Рентгеновские лучи……………………………………………….. 27
16.Гамма-излучение………………………………………………….. 28
17.Заключение………………………………………………………… 28
18.Список использованной литературы ……………………………. 30
Аннотация
Чувствительность нашего зрительного аппарата к свету чрезвычайно велика. По современным измерениям для получения светового ощущения достаточно, чтобы на глаз при благоприятных обстоятельствах попадало около 10-17 Дж световой энергии в секунду, т. е. мощность, достаточная для ощутимого светового раздражения, равны 10-17 Вт. Трудно переоценить значение света в продуктивной жизни человека, т. к. большинство информации поступает в мозг человека именно через зрительные нервы.
Химическое действие света можно наблюдать при выцветании различных красок.
Нагревание тел при поглощении света есть самый общий и наиболее легко осуществимый процесс, который может быть использован для обнаружения и использования световой энергии.
Освещение металлической поверхности может вызвать вырывание из нее электронов.
Из перечисленных примеров видно, сколь разнообразны могут быть действия света поэтому, в данной работе раскрывается природа света, и объясняются многие явления им вызываемые.
Введение
Первые научные гипотезы о природе света были высказаны в 17 веке. К этому времени были обнаружены два замечательных свойства света – прямолинейность распространения в однородной среде и независимость распространения световых пучков, т.е. отсутствие влияния одного пучка света на распространение другого светового пучка.
И. Ньютон в 1672 г. высказал предположение о корпускулярной природе света. Против корпускулярной теории света выступали современники Ньютона – Р. Гук и Х. Гюйгенс, разработавшие волновую теорию света.
Скорость света. Первым большим успехом в изучении природы света было измерение скорости света.
Самый простой способ измерения скорости света заключается в измерении времени распространения светового сигнала на известное расстояние. Например, можно встать с электрическим фонарем напротив зеркала, в момент включения фонаря запустить секундомер, а в момент времени, соответствующий возвращению света, отраженного зеркалом, остановить секундомер. По измеренному времени t и расстоянию 2 l , пройденному светом, находится скорость c света:
c=2l/t
Однако попытки осуществления такого рода опытов оканчивались неудачей, никакого запаздывания света даже при расстоянии до зеркала в несколько километров обнаружить не удалось.
Впервые экспериментально скорость света была определена астрономическим методом. Датский ученый Олаф Ремер (1644-1710) в 1676 г. обнаружил, что при изменении расстояния между Землёй и планетой Юпитер вследствие их обращения вокруг Солнца происходит изменение периодичности появления спутника Юпитера Ио из его тени. В том случае, когда Земля находится по другую сторону от Солнца по отношению к Юпитеру, спутник Ио появляется из-за Юпитера на 22минуты позже, чем это должно произойти по расчетам. Но спутники обращаются вокруг планет равномерно, — следовательно, это запаздывание кажущееся. Ремер догадался, что причиной запаздывания появления спутника Юпитера при увеличении расстояния между Землёй и Юпитером является конечность скорости света. При перемещении Земли на противоположную сторону ее орбиты расстояние между Землёй и Юпитером увеличилось на диаметр земной орбиты, т.е. на 300млн. км. Разделив это расстояние на кажущееся время запаздывания, Ремер нашел, что скорость света превышает 200 000 км/с.
Более точные измерения показывают, что скорость света равна 299 792 км/с или примерно 300 000 км/с.
Электромагнитная природа света. Одним из наиболее трудных для волновой теории света был вопрос о том, что же колеблется при распространении световых волн, в какой среде они распространяются.
На вопрос о природе света и механизме его распространения давала ответ гипотеза Максвелла. На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости света в вакууме со значением скорости распространения электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет – электромагнитные волны. Эта гипотеза подтверждается многими экспериментальными фактами. Представлениям электромагнитной теории света полностью соответствуют экспериментально открытые законы отражения и преломления света, явления интерференции, дифракции и поляризации света.
Корпускулярно-волновой дуализм. Законы фотоэффекта, явления взаимодействия света с веществом электромагнитная теория света объяснить не может. В 20 веке в физике утвердились представления о корпускулярно-волновом дуализме свойств света.
Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что природа света более сложна, чем природа привычных нам тел окружающего мира. Свет не является совокупностью частиц, подобных маленьким дробинкам, нельзя его представлять себе и подобным звуковым волнам или волнам на поверхности воды.
В любых световых явлениях при глубоком их изучении обнаруживается неразрывная связь корпускулярных и волновых свойств света.
Основная часть
Рассматривая двойственную природу света, следует понимать, что эта двойственность означает одновременное наличие у света молекулярных и волновых свойств. Так какие же свойства присущи свету и как их отличать друг от друга? Я предлогаю следущую таблицу:
Свойства света
Сначала напомню ключевые понятия.
Интерференция – физическое явление перераспределения волновой энергии в пространстве при наложении монохроматичных (одинаковой частоты колебаний) волн.
Поляризация – физический процесс создания определенного направления колебаний вектора напряженности в электромагнитной волне.
Дисперсия – зависимость показателя преломления вещества от длинны волны падающего излучения.
Дифракция (результат интерференции) – физическое явление нарушения прямолинейного распространения волн в неоднородных средах.
Фотоэффект — явление вырывания электронов с поверхности тел под действием света.
Эффект Комптона — явление изменения длины волны излучения при его рассеивании.
Легко заметить, что некоторые явления включены в обе колонки. Это означает, что их природу можно объяснить как с квантовых, так и с волновых позиций. Однако существуют как число волновые свойства света (поляризация, дисперсия, дифракция), так и квантовые(фотоэффект и эффект Комптона). Рассмотрим их чуточку подробнее.
Дифракция
Простейший случай нарушения законов геометрической оптики наблюдается в случае прохождения света через очень малое отверстие, при этом наблюдается несоблюдение правил прямолинейного распространения: свет на краях отверстия заметно отклоняется в стороны, огибая края.
Так, свет, идущий от небольшого яркого источника через круглое отверстие, должен по законам геометрической оптики дать на экране резко ограниченный светлый кружок на темном фоне. Такая картина и наблюдается при обычных условиях опыта. Но если расстояние от отверстия до экрана в несколько тысяч раз превосходит размеры отверстия, то удается наблюдать важные детали явления: образуется более сложная картина, которая состоит из совокупности светлых и темных концентрических колец, постепенно переходящих друг в друга. При другом соотношении между диаметром отверстия и расстоянием до экрана в центре картины может быть темное пятно. Этот случай совершенно необъясним с позиции геометрической оптики, однако он получает простое объяснение с точки зрения волновой теории и является естественным следствием этой теории.
Появление чередующихся колец или полос в области геометрической тени французский физик Френель объяснил тем, что световые волны, приходящие из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой.
Метод зон Френеля для объяснения дифракции на отверстии.
1) Разобьем волновой фронт, находящийся в пределах отверстия, из точки наблюдения на отдельные участки (зоны).
2) Если из данной точки отверстие разбивается на четное число зон, то в этой точке наблюдается дифракционный минимум, а если в отверстие укладывается нечетное число зон, то максимум.
В нашей жизни мы не встречаем дифракции на отверстии и это не удивительно, т. к. для этого необходимо чтобы размер отверстия был соизмерим с длинной волны.
mirznanii.com
Квантовая природа электромагнитного излучения
⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 27Следующая ⇒В начале XX столетия были открыты явления, описать которые с помощью волновой теории света оказалось невозможным. Для описания теплового излучения, фотоэффекта, эффекта Комптона, линейчатых спектров излучения и поглощения пришлось привлечь совершенно новые квантовые представления, нехарактерные для классической физики. Рассмотрим кратко эти явления.
Тепловое излучение
Тепловое излучение – это явление испускания всеми телами, температура которых выше 0 К, электромагнитных волн за счет энергии теплового движения их атомов и молекул. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При низких температурах излучаются преимущественно длинные (инфракрасные) волны, при высоких температурах – короткие (ультрафиолетовые).
Тепловое излучение – единственный вид излучения, который может быть равновесным: тело в единицу времени излучает столько же энергии, сколько и поглощает. Это связано с тем, что интенсивность теплового излучения зависит от температуры. Если равновесие по каким-либо причинам нарушается (например, тело начинает больше поглощать, чем излучать), то температура тела повышается и равновесие восстанавливается. Все остальные виды излучения (люминесценция) являются неравновесными.
Законы теплового излучения были установлены для т.н. абсолютно черного тела. Абсолютно черным телом называется тело, поглощающее всю падающую на него энергию, коэффициент отражения его равен нулю. Абсолютно черных тел в природе не существует, однако сажа, платиновая чернь, черный бархат в определенном интервале частот близки к этой модели. Идеальным вариантом является замкнутая полость с небольшим отверстием, внутренняя поверхность которой зачернена. Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения практически равна нулю.
Количественно тепловое излучение описывается следующими параметрами и законами.
1 Энергетическая светимость R – физическая величина, численно равная энергии, излучаемой телом в единицу времени с единицы поверхности:
(2.2.7)
Согласно закону Стефана–Больцмана энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:
R = σT4. (2.7.8)
2 Спектральная плотность энергетической светимости rλ – энергия, излучаемая телом в единицу времени с единицы площади в узком интервале длин волн. Длина волны λmax, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела (закон смещения Вина). Максимум спектральной плотности энергетической светимости пропорционален пятой степени абсолютной температуры тела (второйзакон Вина):
λmax=b1/T; rλ=b2T5. (2.7.9)
Экспериментально наблюдаемые законы теплового излучения невозможно объяснить с позиций классической физики, предполагающей, что энергия излучается непрерывно. М. Планк (1900 г.) предположил, что атомы излучают электромагнитные волны в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых пропорциональна частоте излучения:
ε=hν. (2.7.10)
Соотношение (2.7.10) называется гипотезой Планка. Используя эту гипотезу, удалось легко получить все количественное закономерности теплового излучения.
Фотоэффект и его применение
Фотоэффектом(внешним) называется явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
Явление фотоэффекта было открыто Г. Герцем, законы явления сформулировал Г. Столетов. Квантовую теорию фотоэффекта создал А. Эйнштейн. Эйнштейн распространил гипотезу Планка на поглощение света: свет не только испускается, но и поглощается отдельными квантами с энергией ε=hn. Уравнение Эйнштейна представляет собой закон сохранения энергии для элементарного акта фотоэффекта. Энергия кванта света, падающего на поверхность металла, расходуется на совершение работы выхода из металла и на сообщение электрону кинетической энергии:
hn = Авых + . (2.7.11)
Здесь Авых – работа выхода электрона из металла, m и V – масса и скорость фотоэлектронов.
Работой выхода электронов из металла Авых называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он сумел вылететь из металла. Работа выхода редко превышает несколько электронвольт, поэтому при больших энергиях фотона работой выхода можно пренебречь.
Опыт показывает, что фотоэффект наблюдается только при определенных частотах. Для каждого металла существует красная граница – предельная частота света νкр, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Величина красной границы νкр зависит от металла и состояния его поверхности. Существование красной границы может быть объяснено только с квантовых позиций. Фотоэффект наблюдается том случае, когда энергия падающего кванта света не менее работы выхода электрона из металла:
nкр= Авых / h ;lкр= hc / Aвых(2.7.12)
На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в науке и технике. Практически невозможно указать отрасли производства, где не использовались бы фотоэлементы, преобразующие энергию излучения в электрическую. Различные виды фотоэффекта используются в производстве для контроля, управления и автоматизации различных процессов, в технике звукового кино, в системах связи и т.д. Студентам предлагается разобраться в этом вопросе самостоятельно.
Давление света. Фотоны
Согласно идеям квантовой физики свет испускается, распространяется и поглощается дискретными порциями (квантами). Эти порции электромагнитного излучения называются фотонами. Фотон представляет собой элементарную частицу, которая в любой системе отсчета движется со скоростью света и имеет массу покоя, равную нулю.
Энергия ε, масса m и импульс p фотона зависят от его частоты и выражаются следующими соотношениями
ε = hn, m = hn /c, p = hn /c. (2.7.13)
Поскольку фотоны обладают импульсом, свет, падая на любую поверхность, оказывает на него давление. Давление света Р, производимое светом при нормальном падении на поверхность с коэффициентом отражения r, определяется формулой:
P = N hn (1 + ρ)/c. (2.7.14)
Здесь N – число фотонов, падающих на единицу поверхности за одну секунду, ρ – коэффициентотражения поверхности, E – ее энергетическая освещенность (мощность излучения, падающего на единицу поверхности). Давление света было экспериментально определено в опытах П.Н. Лебедева.
Эффект Комптона
Эффектом Комптона называется явление упругого рассеяния фотонов рентгеновского излучения на свободных и слабо связанных электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны излучения Dl:
Dl = 2lc sin2a/2. (2.7.15)
Здесь a – угол рассеяния, lc= h/mc = 0,243 нм – комптоновская длина волны электрона. Увеличение длины волны излучения объясняется тем, что фотон при рассеянии передает электрону часть своей энергии и импульса.
Эффект Комптона объясняется только квантовыми свойствами электромагнитного излучения.
Контрольные вопросы
1 Какое колебание называется гармоническим? Запишите уравнение гармонического колебания и дайте определения параметров колебаний
2 Что такое волны? Запишите уравнение волны и поясните смысл входящих в уравнение физических величин.
3 Какие типы волны Вы знаете?
4 Что такое электромагнитные волны? Опишите шкалу электромагнитных волн.
5 Какие явления подтверждают волновую природу света? Кратко опишите эти явления.
6 Где применяется явления интерференции и дифракции?
7 Почему все источники излучения (кроме лазеров) излучают естественный, а не поляризованный свет? Почему излучение всех источников (кроме лазеров) оказывается некогерентным?
8 Какие явления подтверждают корпускулярную природу света?
9 Какое излучение называется тепловым? Сформулируйте законы теплового излучения.
10 В чем заключается гипотеза М. Планка?
11 Что такое фотоэффект? Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Чем объясняется существование красной границы фотоэффекта?
12 Какими свойствами обладают фотоны?
13 Запишите закон сохранения энергии для эффекта Комптона. Объясните факт увеличения длины волны рассеянного фотона.
infopedia.su
Природа электромагнитных волн
Практически всё, что мы знаем о космосе (и микромире), известно нам благодаря электромагнитному излучению, то есть колебаниям электрического и магнитного полей, которые распространяются в вакууме со скоростью света. Собственно, свет — это и есть особый вид электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом.
Точное описание электромагнитных волн и их распространения дают уравнения Максвелла. Однако качественно этот процесс можно объяснить без всякой математики. Возьмем покоящийся электрон — почти точечный отрицательный электрический заряд. Вокруг себя он создает электростатическое поле, которое влияет на другие заряды. На отрицательные заряды действует сила отталкивания, на положительные — сила притяжения, причем все эти силы направлены строго по радиусам, идущим от нашего электрона. С расстоянием влияние электрона на другие заряды ослабевает, но никогда не падает до нуля. Иначе говоря, во всем бесконечном пространстве вокруг себя электрон создает радиальное силовое поле (это верно лишь для электрона, который вечно покоится в одной точке).
Допустим, некая сила (не будем уточнять ее природу) неожиданно нарушила покой электрона и заставила его сдвинуться немного в сторону. Теперь силовые линии должны расходиться из нового центра, куда переместился электрон. Но электрическое поле, окружающее заряд, мгновенно перестроиться не может. На достаточно большом расстоянии силовые линии еще долго будут указывать на первоначальное местоположение заряда. Так будет до тех пор, пока не подойдет волна перестройки электрического поля, которая распространяется со скоростью света. Это и есть электромагнитная волна, а ее скорость есть фундаментальное свойство пространства в нашей Вселенной. Конечно, это описание крайне упрощено, а кое-что в нем даже просто неверно, но оно дает первое впечатление о том, как распространяются электромагнитные волны.
Неверно же в этом описании вот что. Описанный процесс на самом деле не является волной, то есть распространяющимся периодическим колебательным процессом. Распространение у нас есть, а вот колебаний нет. Но этот недостаток очень легко поправить. Заставим ту же силу, которая вывела электрон из первоначального положения, сразу же вернуть его на место. Тогда за первой перестройкой радиального электрического поля сразу последует вторая, восстанавливающая исходное положение дел. Пусть теперь электрон периодически повторяет это движение, и тогда по радиальным силовым линиям электрического поля во все стороны побегут настоящие волны. Эта картина уже много лучше первой. Впрочем, она тоже не вполне верна — волны получаются чисто электрическими, а не электромагнитными.
Тут самое время вспомнить о законе электромагнитной индукции: изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное — электрическое. Эти два поля как бы сцеплены друг с другом. Как только мы создаем волнообразное изменение электрического поля, так сразу же к нему добавляется и магнитная волна. Разделить эту пару волн невозможно — это единое электромагнитное явление.
Можно и дальше уточнять описание, постепенно избавляясь от неточностей и грубых приближений. Если довести это дело до конца, мы как раз и получим уже упомянутые уравнения Максвелла. Но давайте остановимся на полпути, потому что для нас пока важно лишь качественное понимание вопроса, а все основные моменты уже ясны из нашей модели. Главный из них — независимость распространения электромагнитной волны от ее источника.
В самом деле, волны электрического и магнитного полей, хотя и возникли благодаря колебаниям заряда, но вдали от него распространяются совершенно самостоятельно. Что бы ни случилось с зарядом-источником, сигнал об этом не догонит уходящую электромагнитную волну — ведь он будет распространяться не быстрее света. Это позволяет нам рассматривать электромагнитные волны как самостоятельные физические явления наряду с зарядами, которые их порождают.
Далее: Частота и длина волны
elementy.ru
Двойственная природа света, ее проявления. Шкала электромагнитных волн
Он же выявил зависимость между энергией одной излученной порции и частотой излучения: E = ע * h ( где ע — частота излучения, h – постоянная Планка ).
В дальнейшем при изучении однофотонного поглощения (физическая модель в которой все кванты света поглощаются материалом) был опытным путем получен закон фотоэффекта:
ע * h = (mv2 )/2 + A выхода
A выхода – минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, для вырывания его с поверхности металла без сообщения кинетической энергии.
Данная формула смогла объяснить прошлые противоречия объяснения явления фотоэффекта:
1) Так как A выхода – величина постоянная для данного металла, то максимальная скорость электрона зависит от частоты излучения.
2) Если частота излучения меньше частоты излучения красной границы (ע * h красной границы = A выхода) , то явления фотоэффекта не наблюдается.
3) При увеличении интенсивности света возрастает число фотонов и возрастает количество вылетевших электронов, что ведет к увеличению силы тока.
Закон фотоэффекта вносит совершенно новые черты в представлении о свете. Он означает, что свет частоты ע сообщает электрону энергию, равную ע * h , какова бы ни была интенсивность света. При сильном свете большее количество электронов получает указанные порции энергии, при слабом – меньшее, но сами порции остаются неизменно равными ע * h .
Таким образом, световой энергии приписывается атомистический характер; энергия света данной частоты ע не может делиться на произвольные части, а проявляет себя в виде совершенно определенных равных порций – “атомов световой энергии”. Для этих порций энергии установлено специальное название; они именуются световыми квантами или фотонами. Представление о световых квантах было введено Эйнштейном в 1905 г.
То обстоятельство, что в большинстве оптических опытов не обнаруживается квантового характера световой энергии, не удивительно. Действительно, h – очень малая величина, равная 6,6*10-34 Дж *с. Вычислим энергию кванта зеленого цвета для
λ =500 нм. Соответствующее ע = с/ λ =3*108 /5*10-7 =
= 6*1014 Г ц и следовательно, ע* h =4*10-19 Дж ; это – очень маленькая величина. Энергия, с которой мы имеем дело в большинстве опытов, состоит из очень большого числа квантов; естественно, что при этом остается незамеченным, что энергия эта всегда равна целому числу квантов. Аналогично, большинство опытов с обычными порциями вещества всегда охватывает очень большое количество атомов вещества; поэтому мы не можем заметить в этих опытах, что данное вещество состоит из целого числа минимальных порций – атомов. Требуются специальные опыты, в которых атомистическое строение вещества выступает вполне отчетливо. Совершенно так же в большинстве обычных оптических опытов от нашего внимания ускользает то обстоятельство, что световая энергия состоит из отдельных световых квантов. В специальных же опытах, к которым и относятся вышеперечисленные опыты по фотоэффекту, с полной ясностью выступает квантовая природа световой энергии .
Представление о световых квантах позволяет легко понять смысл первого основного закона фотоэффекта – пропорциональность между световым потоком и фототоком ; световой поток, т. е. энергия, приносимая светом за единицу времени, определяется числом световых квантов , поступающих за единицу времени. Ясно, что чем больше это число, тем больше электронов приобретает дополнительную энергию, приносимую квантами, и тем больше электронов вылетит из освещенного металла за единицу времени, т. е. тем сильнее будет фототок. Конечно, это не означает, что число вылетевших электронов должно быть равно числу квантов, попавших за то же время в металл. Не всякий квант сообщает свою энергию отдельному электрону. Значительная часть энергии будет распределена между атомами металла и поведет к нагреванию его. Действительно, опыт показывает, что лишь малая часть (меньше 1%) световой энергии обычно переходит в энергию вылетевших электронов. Остальная часть поглощенных световых квантов ведет к нагреванию металлов.
Шкала электромагнитных волн
Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и да гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.
Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
Радиоволны
Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле (ток смещения) или соответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источника определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором переменное электромагнитное поле создается. Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное — внутри катушки индуктивности.
Рисунок 1
Герц в своих опытах, уменьшая число витков катушки и площадь пластин конденсатора, а, также раздвигая их (рис.1 а, б), совершил переход от закрытого колебательного контура к открытому колебательному контуру (вибратору Герца), представляющему собой два стержня, разделенных искровым промежутком (рис. 1, в). Если в закрытом колебательном контуре переменное электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора (рис. 1, с), то в открытом оно заполняет окружающее контур пространство (рис.1,а), что существенно повышает интенсивность электромагнитного излучения. Колебания в такой системе поддерживаются за счет источника э. д. с, подключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциалов, до которой первоначально заряжаются обкладки.
Рисунок 2
Для возбуждения электромагнитных волн вибратор Герца В подключался к индуктору (Индуктор – магнит или электромагнит, создающий магнитное поле) И (рис. 2). Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробивного значении, возникала искра, закорачивающая обе половины вибратора, и в нем возникали свободные затухающие колебания. При исчезновении искры контур размыкался и колебания прекращались. Затем индуктор снова заряжал конденсатор, возникала искра и в контуре опять наблюдались колебания и т. д. Для регистрации электромагнитных волн Герц пользовался вторым вибратором, называемым резонатором Р , имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и излучающий вибратор , т. е. настроенным в резонанс с вибратором. Когда электромагнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электрическая искра.
С помощью описанного вибратора Герц достиг частот порядка 100 МГц и получил волны, длина которых составляла примерно 3 м. П. Н. Лебедев, применяя миниатюрный вибратор из тонких платиновых стерженьков, получил миллиметровые электромагнитные волны 6-4мм.
Электромагнитные волны — электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. В вакууме скорость распространения электромагнитной волны 300 000 км/c (скорость света). В однородных изотропных средах направления напряжённостей электрических (Е) и магнитных (Н) полей электромагнитных волн перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, т. е. электромагнитные волны являются поперечными. В каждой точке пространства колебания Е и Н происходят в одной фазе. С увеличением расстояния R от источника Е и Н убывают к
mirznanii.com