Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 7 Физика: оптика; квантовая физика; физика атомного ядра (шифр дисциплины и ее название в строгомсоответствии с государственным образовательнымстандартом и учебным планом)
Скачать 1.6 Mb.
|
Световое давление давление, производимое светом на отражающие и поглощающие тела, частицы а также отдельные молекулы и атомы. Гипотеза о световом давлении впервые была высказана немецким ученым И. Кеплером (1619) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца. В 1873г. английский физик Д.К. Максвелл, исходя из электромагнитной теории, предсказал величину светового давления, которая оказалась исключительно малой даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга). Согласно электромагнитной теории, давление, которое оказывает на поверхность тела плоская электромагнитная волна, падающая перпендикулярно к поверхности, равно плотности электромагнитной энергии поверхности. Величина давления вычисляется по формуле: Р = Q * (1+k) / с, Дж/м3, где Q мощность электромагнитной волны, падающей на единицу поверхности тела, k коэффициент отражения. Существование светового давления показывает, что поток излучения обладает не только энергией (следовательно, и массой), но и импульсом. С точки зрения квантовой теории, световое давление результат передачи телам импульса фотонов в процессах поглощения или отражения света. Давление света Р на плоскую поверхность тела S равно численному значению нормальной составляющей суммарного импульса, передаваемого фотонами телу на единице площади рассматриваемой поверхности за единицу времени. Пусть монохроматический свет частоты падает на поверхность S под углом i; n число фотонов, падающих за 1с на единицу площади поверхности S (рисунок). Если k коэффициент отражения света от поверхности S, то из n фотонов: kn зеркально отражаются; (1k)n поглощаются. Каждый отраженный фотон передает поверхности импульс, направленный нормально к поверхности: 2Р = 2 * h * * сos i / c (т.к. при отражении импульс фотона изменится на Р). каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс, направленный нормально к поверхности: Р = h * * cos i / c. Тогда kn * 2h * cos i / c суммарный импульс отраженных фотонов. (1k)n * h * cos i / c суммарный импульс поглощенных фотонов. Таким образом давление света: Р = kn * 2h * cos i / c + (1k)n * h * cos i / c = (1+k)n * h * cos i / c. Если n0 концентрация фотонов падающего света, то n = n0 * c * cos i и n0 * h = <> среднее значение объемной плотности энергии света. Поэтому Р = (1+k)n0 * h * cos2 i = (1+k)<>* cos2 i. Если свет падает нормально на поверхность, то его давление Р = (1+k)<>. Учитывая, что <>*с = J интенсивность света, последняя формула примет вид: Р = J*(1+k) / с. Если тело зеркально отражает падающие на него лучи, то k = 1 и Р = 2J / c. Если тело полностью поглощает лучи (черное тело), то k = 0 и Р = J / с. Световое давление на черное тело в два раза меньше, чем на тело, зеркально отражающее свет. Т.о., давление света одинаково успешно объясняется как волновой теорией, так и квантовой. В земных условиях световое давление маскируется побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами), которые могут превышать величину светового давления в тысячи раз. Поэтому измерить величину светового давления было чрезвычайно трудно. Впервые экспериментально измерить световое давление удалось П.Н. Лебедеву в 1899г. Прибор Лебедева представлял собой очень чувствительные крутильные весы, помещенные внутри стеклянного сосуда. Подвижной частью прибора являлся легкий стержень с укрепленными на нём "крылышками" светлыми и черными дисками толщиной от 0,1 до 0,01 мм. На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги. Т.к. давление на черный диск почти вдвое меньше давления на светлый, то на подвижную систему будет действовать вращающий момент, который можно измерить по углу закручивания нити. Плотность энергии Лебедей измерял с помощью специально сконструированного миниатюрного калориметра, направляя на него пучок света на определенное время и регистрируя повышение температуры. Он пришел к выводу, что в пределах погрешности эксперимента величина светового давления согласуется с формулой, полученной на основе теории Максвелла. В 1907 1910гг. Лебедев исследовал световое давление на газы, что было еще труднее, т.к. оно в сотни раз меньше светового давления на твердые тела. Понятие о тепловом излучении. Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии. Все остальные виды свечения называются люминесценция. Тепловое излучение наблюдается при Т > 0К и имеет сплошной спектр. Это единственное излучение, которое может находиться в термодинамическом равновесии с веществом. Количественно тепловое излучение характеризуется следующими величинами:
Абсолютно черным телом называется тело, которое полностью поглощает все падающее на него излучение, ничего не отражая, и не пропуская: а* = 1. Закон Кирхгофа и его следствия. Рассмотрим тепловое излучение в полости между двумя плоскопараллельными пластинами одинаковой температуры, но из разных материалов. a2 r1 d - энергия, поглощаемая в единицу времени единицей площади пластины 2. a1 r2 d - энергия, поглощаемая в единицу времени единицей площади пластины 1. Так как излучение равновесное: a2 r1 d = a1 r2 d r1 / a1 = r2 / a2. Можно обобщить на систему из n-тел, т.е. чем больше испускательная способность тела, тем больше и его поглощательная способность. r1 / a - не зависит от природы излучающего тела, а является функцией от () и температуры. (; Т) - формула Кирхгофа. Для абсолютно черного тела: r* / a* = {a* =1} = (; Т) = r* Закон Кирхгофа: отношение испускательной способности тел к их поглощательной способности не зависит от природы излучающего тела, равно испускательной способности абсолютно черного тела и зависит от частоты температуры тела: r / a = r*. Испускательная способность тела всегда меньше испускательной способности черного тела при той же температуре r < r*. Если тело не поглощает эл/м волны, то оно их и не излучает. Закон Стефана-Больцмана. Излучательность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры. R*e = * Т4, где = 5,67 * 108 Вт/м2К4. Закон смещения Вина. m (m) - частота (длина волны), на которую приходится max энергии в спектре излучения. С ростом температуры m стремится в сторону больших частот, а m стремится в сторону более коротких длин волн. m, на которую приходится максимум энергии в спектре теплового излучения обратно пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела. m = b/T, где b = 2,9 * 10-3 мК. Квантование энергии излучения. Формула Планка. Впервые правильное выражение для функции Кирхгофа удалось Планку. Он также рассмотрел модель полости с зеркальными стенками. При этом он полагал, что стенки состоят из атомов. Атомы он рассматривал как электрические диполи, которые совершают колебания со всевозможными частотами. И на основе этой модели r* = 2 * * 2 * <> / c2 Связь между частотой и энтропией атома-осциллятора <> = j / e -j / RT - 1, где h = j r* = 2 * * 2 * h / (e -j / RT - 1) * c2 1. Фотоэлектрический эффект Фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Фотоэффект был открыт в 1887г. Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены А.Г. Столетовым (1888), а затем немецким физиком Ф. Ленардом (1899). Первое теоретическое объяснение законов фотоэффекта дал А. Эйнштейн (1905). Большой вклад в теоретические и экспериментальные исследования фотоэффекта внесли А.Ф. Иоффе (1907), П.И. Лукирский и C.С. Прилежаев (1928), И.Е. Тамм и C.Т. Шубин (1931). Фотоэффект наблюдается в газах и в конденсированных (твердых и жидких) телах. Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов и молекул газа под действием света и называется фотоионизацией. В конденсированных телах различают внешний и внутренний фотоэффекты. Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света. Он проявляется в изменении концентрации носителей тока в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта. Фотопроводимость – увеличение электрической проводимости вещества под действием света. Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называется возникновение под действием света ЭДС (фото-ЭДС) в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и металла или двух разнородных полупроводников (например: в p – n переходе). Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения в вакуум или другую среду. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фотопотоком.
Практическое значение имеет внешний фотоэффект из твердых тел в вакуум. Опыт Столетова: Конденсатор, образованный проволочной сеткой и сплошной пластиной, был включен последовательно с гальванометром Г в цепь батареи. В результате в цепи возникал ток, регистрирующийся гальванометром. На основании опытов Столетов пришел к выводам: 1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи; 2) сила тока возрастает в увеличением освещенности пластины; 3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак. Спустя 10 лет (1898) Ленард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых под действием света частиц, установили, что эти частицы являются электронами. Ленард и др. исследователи усовершенствовали прибор Столетова, поместив электроды в эвакуированный баллон (рисунок). Свет падает через кварцевое окно Д на фотокатод К. Характер зависимости фототока J в трубке от разности потенциалов U анода А и катода К при постоянной энергетической освещенности катода монохроматическим светом (вольтамперная характеристика) изображен на рисунке. Существование фототока при отрицательных значениях U от 0 до U0 свидетельствует о том, что фотоэлектроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость и соответственно кинетическую энергию. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов Vmax связана с задерживающим потенциалом U0 соотношением: m0 * V2max / 2 = e * U0, где e и me – абсолютная величина заряда и масса электрона. Фототок увеличивается с ростом U лишь до определенного предельного значения Jн, называемого фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, вылетающие из катода под влиянием света, достигают анода. Если nСЕК – число фотоэлектронов, покидающих катод за 1 с, то Jн = е * nСЕК. Законы внешнего фотоэффекта:
Фотоэффект безынерционен, т.е. испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на фотокатод падает свет с частотой 0. 1.2. Невозможность объяснения фотоэффекта с точки зрения классической физики. Второй и третий законы Столетова, а также безынерционность фотоэффекта находились с резком противоречии с классическими представлениями о волновой природе света. С волновой точки зрения качественно фотоэффект можно было объяснить следующим образом. Электрический вектор электромагнитной волны ускоряет электроны в металле. Благодаря этому электроны в металле начинают "раскачиваться". Если эта "раскачка" носит резонансный характер, то амплитуда вынужденных колебаний электрона становится столь значительной, что электрон вырывается за пределы металла, т.е. происходит фотоэффект. Однако объяснить количественные закономерности фотоэффекта с волновой точки зрения оказалось невозможным. Амплитуда вынужденных колебаний электрона с волновой точки зрения пропорциональна амплитуде вектора электрической напряженности падающей электромагнитной волны. С другой стороны, интенсивность светового потока прямо пропорциональна квадрату амплитуды вектора электрической напряженности в световой волне. То есть, с волновой точки зрения скорость вылетающих фотоэлектронов должна увеличиваться с увеличением интенсивности падающего света. Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта. Т.к., по волновой теории, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, "красной границы" фотоэффекта не должно быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не могла объяснить безынерционность фотоэффекта. Вывод: второй и третий законы фотоэффекта не удается истолковать на основе классической электромагнитной теории света. Согласно этой теории вырывание электронов проводимости из металла является результатом их "раскачивания" в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света и пропорциональной ей энергетической освещенности фотокатода. Необъясним и факт безынерционности фотоэффекта. Согласно классическим волновым представлениям требуется довольно значительное время для того, чтобы электромагнитная волна заданной интенсивности могла передать электрону энергию, достаточную для совершения им работы выхода. Лишь квантовая теория света позволила успешно объяснить законы внешнего фотоэффекта. Развивая идеи Планка о квантовании энергии атомов-осцилляторов, Эйнштейн высказал гипотезу о том, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве, и поглощается веществом в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения – фотонов. 2. Фотоны. |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф 3 физика: оптика. Квантовая... ... | | Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 4 Физика (шифр дисциплины... ... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 4 Физика (шифр дисциплины... ... |  | Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 4 Физика (шифр дисциплины... ... |
| Основная образовательная программа подготовки специалиста по специальности(специальностям)... Шифр дисциплины и ее название в строгомсоответствии с государственным образовательнымстандартом и учебным планом | | Учебно-методический комплекс дисциплины дн(М). В 1 современный физический... ... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Ы программы традиционны: механика, молекулярная физика и термодинамика, электродинамика, квантовая физика (атомная физика и физика... | | Основная образовательная программа подготовки специалиста по специальности... Шифр дисциплины и ее название в строгомсоответствии с государственным образовательнымстандартом и учебным планом |
| Учебник по физике. Представлены разделы физики в теории, примерах... Открытого колледжа" "Физика". Включает прекрасно иллюстрированный учебник "Открытая физика 5" (все разделы, от Механики до Физики... | | Программа кандидатского экзамена по специальности 05. 27. 03 «Квантовая... В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: электродинамика; квантовая механика; физическая оптика; физика твердого... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине Оптика для специальности 010701 "Физика" Требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (специальность 010701 "Физика") к обязательному... | | Содержание программы. Введение. Актуальность компетентностного подхода... Составление алгоритма решения задач по разделам: кинематика, динамика, молекулярная физика, газовые законы, электрический ток, магнетизм,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Пияф, 2012 – 110 с. – Парал загл.: Физика атомного ядра и элементарных частиц. Теоретическая физика | | Учебно-методический комплекс дисциплины «физика» Маллабоев У. М. Физика. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 050100. 62 Педагогическое образование,... |
| Тест по физике 11 класса (4 четверть) Световые кванты. Атомная физика.... Гос впо по специальности 030501. 65 Юриспруденция, утвержденный Министерством образования РФ «27» марта 2000 г., №260 гум/сп | | Шаблон рабочей программы дисциплины Общий физический практикум Лекторы Общий Физический Практикум является неотъемлемой частью курса "Общая Физика". Основные разделы: механика; молекулярная физика; электродинамика;... |
