Coдержание предыдущей лекции Дисперсия света Понятие дисперсия света

Coдержание предыдущей лекции Дисперсия света Понятие «дисперсия света» . Дисперсия света. Природа радуги. Объяснение дисперсии света. Поглощение и рассеяние света Поглощение света. Закон Бугера. Рассеяние света. Закон Рэлея. Поляризация световых волн Поперечное строение световых волн. Неполяризованные и поляризованные волны света. Получение поляризованного света из неполяризованного света. Поляризация за счет избирательного поглощения. 1

Контрольный вопрос Преломление света в линзах фотокамеры используют для формирования изображения на пленке. Желательно, чтобы волны, соответствующие всем цветам, характерным для фотографируемого объекта, преломлялись одинаковым образом. Какой из материалов, свойства которых представлены на рис. , следовало бы выбрать в качестве материала для линз фотоаппарата? Стекло без свинца Акриловый полимер Расплавленный кварц Линзы идеальной камеры должны обладать одинаковым показателем преломления для всех длин волн. Излучение всех длин волн должно преломляться в линзах на один и тот же угол. Расплавленный кварц обладает наименьшей зависимостью показателя преломления в видимом спектре. 2

Coдержание сегодняшней лекции Квантовая физика Тепловое излучение. Спектральные характеристики теплового излучения. Закон Кирхгофа. Законы излучения абсолютно черного тела. Квантовая гипотеза Планка. Внешний фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна. Энергия, масса и импульс световых фотонов. Давление света. 3

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА 4

Тепловое излучение и люминесценция Испускание э-м волн за счет внутренней энергии тел Полость с идеально отражающими стенками Излучающее тело Все другие виды излучения, полученные за счет любых других вилов энергии, кроме внутренней (тепловой) энергии Хемилюминесценция - результат окисления фосфора на воздухе. Электролюминесценция – результат самостоятельного газового разряда. Катодолюминесценция – результат бомбардировки твердых тел электронами. Фотолюминесцения – результат поглощения телами э-м излучения. Равновесное излучение Неравновесные типы излучения 5

Спектральные характеристики теплового излучения Интенсивность теплового излучения - поток энергии [Вт]. Энергетическая светимость тела R – поток энергии, испущенный во всех возможных направлениях единицей поверхности излучающего тела. Излучение состоит из волн с различными частотами или длинами волн λ. Испущенный единицей поверхности тела при температуре Т поток энергии с частотами в интервале d d. R Т =r Т d , длинами волн в интервале dλ d. RλТ =rλТ dλ, где r Т и rλТ - лучеиспускательная способность тела - r Т = f (T, ), rλТ = f (T, λ). 6

Спектральные характеристики теплового излучения - энергетическая светимость тела при температуре T. 7

Спектральные характеристики теплового излучения - поток энергии излучения с частотой э-м волн в интервале d , падающий на элементарную площадку поверхности тела - соответствующий поток энергии, поглощенный телом - лучепоглощательная способность тела - абсолютно черное тело полностью поглощает падающее на него излучение всех частот. - серое тело. 8

Спектральные характеристики теплового излучения Тело в полости с температурой стенок T. Тело, поглощающее больше энергии, излучает больше энергии, тело, поглощающее меньше энергии, излучает меньше энергии посредством э-м волн с единицы поверхности тела в единицу времени. Установление состояния теплового равновесия между телом и полостью. 9

Закон Кирхгофа Немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824 -1887): Отношение лучеиспускательной способности к лучепоглощательной способности не зависит от природы тела. Это отношение – одинаковая универсальная функция частоты (длины волны) и температуры для всех тел: 10

Закон Кирхгофа Для абсолютно черного тела, по определению, Универсальная функция Кирхгофа равна лучеиспускательной способности абсолютно черного тела. Абсолютно черные тела в Природе не существуют!!! Искусственная конструкция абсолютно черного тела – почти полностью поглощающая излучение полость с маленьким отверстием Лучеиспускательная способность такого устройства очень близка к где T – температура стенок полости. 11

Равновесная плотность энергии излучения Равновесное излучение не зависит от природы стенок полости. Стенки абсолютно черного тела: поглощают весь поток энергии Φe, падающий на них и излучают такой же поток энергии Φe. Стенки серого тела: Поглощают часть aΦe потока Φe, падающего на них, отражают часть (1 -a)Φe и излучают часть aΦe. 12

Законы излучения абсолютно черного тела Закон Стефана-Больцмана лучеиспускательная способность абсолютно черного тела Интенсивность → Энергетическая светимость R* абсолютно черного тела Постоянная Стефан-Больцмана Длина волны, мкм 13

Законы излучения абсолютно черного тела Интенсивность → 1893: немецкий физик Вильгельм Вин (1864 -1928) Закон смещения Вина Длина волны, мкм 14

Законы излучения абсолютно черного тела Английские физики лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт) (1842 -1919) и Джеймс Джинс (1877 -1946): Расчет универсальной функции Кирхгофа - классический подход. Равновесное излучение в полости – система стоячих э-м волн. 15

Законы излучения абсолютно черного тела формула Рэлея-Джинса Энергия равновесной радиации experiment эксперимент Короткие волны: Длинные волны: неудовлетворительное согласие - + Ультрафиолетовая катастрофа: противоречие с экспериментальными данными - u(T) конечна 16

Квантовая гипотеза Планка Немецкий физик Макс Планк (1858 -1947) э-м волны излучаются отдельными порциями (квантами) Постоянная Планка 17

Интенсивность Квантовая гипотеза Планка Длина волны Длинноволновое излучение: • близкое расстояние между соседними энергетическими уровнями; • высокая вероятность появления возбужденных состояний; • частые переходы с верхних энергетических уровней на нижние Энергия Коротковолновое излучение: • большая разница между соседними энергетическими уровнями; • низкая вероятность появления возбужденных состояний; • редкие переходы с верхних энергетических уровней на нижние n = 0, 1, 2, … f - частота 18

Квантовая гипотеза Планка Гипотеза Планка - полное согласие с экспериментальными данными для всего интервала частот от 0 до . Гипотеза Планка – исчерпывающее описание равновесного теплового излучения. 19

Внешний фотоэффект и его законы 1887 - немецкий физик Генрих Герц: - облучение УФ волнами одного из двух электродов, между которыми поддерживается разность потенциалов, - значительное облегчение процесса проскакивания искры между этими электродами. 20

Внешний фотоэффект и его законы 1888 -1889 - русский физик Александр Столетов: 1) УФ лучи производят максимальный эффект; G + - 2) при увеличении интенсивности облучения сила тока растет; 3) носители тока, появившиеся в результате действия света, имеют отрицательный знак. 21

Внешний фотоэффект и его законы 1898 - немецкий физик Филипп Ленард (1862 -1947) и английский физик Джозеф Томсон (1856 -1940): электроды в вакуумированной колбе Эмитированные частицы являются электронами !!! 22

Внешний фотоэффект и его законы I Iн Vз 0 V Вольт-амперная характеристика (кривая зависимости фототока I от разности потенциалов V между электродами). 23

I Iн Vз Внешний фотоэффект и его законы 0 V Характерные особенности: • I = Iн - все электроны, испущенные катодом, достигают анода; • ток насыщения Iн зависит от числа электронов, эмитированных катодом в единицу времени под действием света; • наклон кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с разными скоростями; • I существует даже при V=0 - часть электронов обладает скоростями, достаточными для достижения анода без помощи ускоряющего напряжения; • для устранения тока необходимо приложить запирающее напряжение Vз. 24

Внешний фотоэффект и его законы Максимальное значение скорости электронов vm при вылете из катода можно определить из выражения До 1905 установлено, что: vm не зависит от интенсивности света, vm зависит только от частоты света. Классический подход: скорость фотоэлектронов должна расти с ростом амплитуды и интенсивности э-м волны. ? 25

Внешний фотоэффект и его законы 1905 - немецкий физик Альберт Эйнштейн: Поглощение света такими же одинаковыми порциями (квантами) энергии величины ħ , какими он и испускается. Полное поглощение электроном полученной энергии в форме кванта ħ . Работа выхода A* - минимальная величина энергии, которая должна быть сообщена электрону для того, чтобы удалить его из твердого тела или жидкости в вакуум. Возможность потери части энергии E’ в результате взаимодействия электрона с веществом (освобождение электрона не на самой поверхности, а на некоторой глубине). Остаток энергии - кинетическая энергия Ek электрона, покидающего вещество, максимальна, если E'=0. 26

Внешний фотоэффект и его законы Уравнение Эйнштейна: Если A > ħ , A = E´+A* то электроны не могут покинуть металл. Условия проявления фотоэффекта: 0 или λ 0 - граница фотоэффекта. 27

Внешний фотоэффект и его законы 1916 - американский физик Роберт Милликен: • очистка поверхности в вакууме, • измерение работы выхода электронов, • измерение зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света, • оценка величины ħ и обнаружение совпадения со значениями, полученными из спектрального распределения равновесного теплового излучения и коротковолновой границы спектра тормозного излучения. 28

Внешний фотоэффект и его законы Поток света Ф ~ числу квантов света, падающих на поверхность в единицу времени. Число электронов, освобожденных благодаря фотоэффекту, ~ Ф. Ток насыщения Iн ~ Ф. Больше света, больше фотоэлектронов. 29

Энергия, масса и импульс световых фотонов Планк: свет испускается порциями, равными ħ , - объяснение распределения энергии в спектре равновесного теплового излучения. Эйнштейн: свет поглощается порциями, равными ħ , - объяснение фотоэффекта. Гипотеза Эйнштейна (1926): свет распространяется дискретными порциями частицами (квантами света - фотонами). 30

Энергия, масса и импульс световых фотонов Немецкий физик Вальтер Боте (1891 -1957): Наиболее прямое и убедительное экспериментальное доказательство существования фотонов: F – тонкая фольга C – газоразрядный счетчик M – механизм T – движущаяся лента 31

Энергия, масса и импульс световых фотонов Рентгеновская флюоресценция: под действием рентгеновских лучей фольга становится источником вторичных рентгеновских лучей. Отметки на ленте расположены напротив друга – энергия испускается одновременно. Нет Абсолютно хаотическое распределение меток – акты испускания индивидуальны и случайны. Да 32

Энергия, масса и импульс световых фотонов Энергия фотона Импульс фотона k – волновое число Масса покоя фотона равна нулю. Фотон всегда движется со скоростью c. 33

Энергия, масса и импульс световых фотонов Давление света n – плотность фотонов, движущихся перпендикулярно светопоглощающей поверхности. nc фотонов попадает на единичную поверхность в единицу времени. При поглощении поверхностью каждый фотон передает поверхности импульс p = E / c. Импульс, передаваемый единице поверхности в единицу времени, равен давлению света Р. Р = E / c · nc = En Энергия фотонов в единице объема Плотность w э-м энергии Давление на светоотражающую поверхность равно 2 w. 34

Контрольный вопрос Универсальная функция Кирхгофа равна ………………………. . абсолютно черного тела. 35