Оптика (Огурцов А.Н. - Физика для студентов), страница 6
Описание файла
Файл "Оптика" внутри архива находится в папке "Огурцов А.Н. - Физика для студентов". PDF-файл из архива "Огурцов А.Н. - Физика для студентов", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физика" из 3 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "физика" в общих файлах.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст 6 страницы из PDF
Взависимости от направления вращения, оптически активные веществаразделяются на право- и левовращающие. В первом случае плоскостьполяризации, если смотреть навстречу лучу, смещается по часовой стрелке, вовтором – против.Оптическая активность обусловливается: 1) строением молекул вещества(их асимметрией); 2) особенностями расположения частиц в кристаллическойрешетке.Эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации в оптическинеактивных телах помещенных во внешнее магнитное поле.
Угол поворотаплоскости поляризации ϕ = VHd , где H – напряженность внешнего магнитногополя, d – толщина образца, V – постоянная Верде, зависящая от природывещества и длины волны света.Квантовая природа излученияКвантовая оптика – раздел оптики, занимающийся изучением явлений,в которых проявляются квантовые свойства света.36. Виды оптических излучений.Колебания электрических зарядов, входящих в состав вещества,обусловливают электромагнитное излучение, которое сопровождается потерейэнергии веществом.При рассеянии и отражении света формирование вторичных световыхволн и продолжительность излучения веществом происходит за время,сравнимое с периодом световых колебаний.Если излучение продолжается в течение времени, значительнопревышающем период световых колебаний, то возможны два типа излучения:1) тепловое излучение и 2) люминесценция.Равновесным состоянием системы тело-излучение является состояние,при котором распределение энергии между телом и излучением остаетсянеизменным для каждой длины волны.
Единственным видом излучения,которое может находиться в равновесии с излучающим телом, являетсятепловое излучение – свечение тел, обусловленное нагреванием.Оптика6–266–27Люминесценцией называется неравновесное излучение, избыточное приданной температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность,большую периода световых колебаний.37. Тепловое излучение и его характеристики.Тепловое излучение совершается за счет энергии теплового движенияатомов и молекул вещества (внутренней энергии) и свойственно всем телампри температурах выше 0 K .
Тепловое излучение равновесно – тело вединицу времени поглощает столько же энергии, сколько и излучает.Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимостиd Wνизл,ν+ d ν(испускательная способность) тела Rν ,T – мощность Rν ,T =.dνизлучения с единицы площади поверхности тела в интеризлвале частот единичной ширины. ( dWν ,ν+ d ν – энергия электромагнитного излучения, испускаемого за 1с (мощность излучения) с площади 1м2 поверхноститела в интервале частот от ν до ν + d ν ). Её единица – джоуль на метр вквадрате. Испускательную способность можно представить в виде функциидлины волны: т.к. λ =c, тоνRν ,T = Rλ ,Tdλλ2= Rλ ,T.dνcИнтегральная по ν энергетическая светимость∞RT = ∫ Rν ,T d ν .Aν ,T =d Wνпогл,ν+ d νтельная способность) черного тела. Нахождение явной зависимости rν ,T отчастоты и температуры является важной задачей теории теплового излучения.40. Закон Стефана-Больцмана.Энергетическая светимость серого тела (интегральная по ν )∞∞RTс = ∫ Aν ,T rν ,T d ν = AT ∫ rν ,T d ν = AT Re ,d Wν ,ν+ dv∞∫где Re = rν ,T d ν –00cRe = σT 4.поглощается телом.38.
Абсолютно черное тело.Тело, способное поглощать при любой температуре всё падающее на негоизлучение любой частоты называется абсолютно черным телом.Спектральная поглощательная способность черноготела для всех частот и температур тождественно равначединице: Aν ,T ≡ 1 . Абсолютно черных тел в природе нет,однако такие тела, как сажа и черный бархат вопределенном интервале частот близки к ним.Идеальной моделью черного тела является замкнутаяполость с небольшим отверстием O , внутренняяповерхность которой зачернена.
Луч, попавший внутрь такой полости,полностью поглощается.Наряду с понятием черного тела используют понятие серого тела – тела,поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всехчастот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхностителаА.Н.Огурцов. Физика для студентовгофа rν ,T есть спектральная плотность энергетической светимости (испуска-энергетическая светимость черного тела, которая зависит только оттемпературы.
Эту зависимость описывает экспериментальный закон СтефанаБольцмана: Энергетическая светимость черного тела пропорциональначетвертой степени термодинамической температурыd Wν ,ν+d ν , приносимой за единицу времени на единицу площади тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от ν до ν + d ν ,Aνс,T = AT = const < 1 .чДля черного тела Aν ,T ≡ 1 , поэтому универсальная функция Кирх-00Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательнойспособностью Aν ,T , показывающей, какая доля энергии39. Закон Кирхгофа.Закон Кирхгофа определяет соотношение между испускательной ипоглощательной способностями тел.Отношениеиспускательнойипоглощательной Rν ,T= rν ,T .способностей тела не зависит от природы тела и является Aν ,Tуниверсальной для всех тел функцией частоты и температуры rν ,T .где σ = 5,67 ⋅ 10−84(следовательно RT = AT σT ),Вт/(м2·К4) – постоянная Стефана-Больцмана.41.
Закон смещения Вина.Закон Стефана-Больцмана ничего не говорит о спектральном составеизлучения черного тела. Положение максимума в спектре его излученияописываетсяэкспериментальнымзакономформуласмещения Вина:РелеяДжинсаλ max , при которойДлинаволныизлучательная способность rλ ,T черного теламаксимальна, обратно пропорциональна еготермодинамической температуреλ max =где b = 2,9 ⋅ 10−3b,Tм·К – постоянная Вина.42. Формулы Рэлея-Джинса и Вина.Применяя к тепловому излучению классический закон равнораспределения энергии по степеням свободы Рэлей и Джинс получили выражение длязависимости испускательной способности черного тела rν ,T от частоты светаrν ,T =2πν 22πν 2ε=kT ,c2c2где ε = kT – средняя энергия осциллятора с собственной частотой ν .Оптика6–286–29Однако попытка получить закон Стефана-Больцмана из этой формулыприводит к абсурдному результату – Re неограниченно растет, достигаячрезвычайно больших значений в ультрафиолете, – который получил название"ультрафиолетовая катастрофа"∞Re = ∫ rν ,T d ν =0∞2πkT 2ν dν = ∞.c 2 ∫0Формула Рэлея-Джинса согласуется с экспериментом только в областималых частот и больших температур.
В области больших частот хорошоописывает эксперимент формула Вина (закон излучения Вина)Rν ,T = C1ν3 exp(−C2 ν T ) ,где C1 и C 2 – константы.43. Квантовая гипотеза Планка.Макс Планк предположил, что теория классического гармоническогоосциллятора неприменима к атомным осцилляторам; атомные осцилляторыизлучают энергию не непрерывно, а определенными порциями – квантами.ε0 = hν = hЭнергия квантаc= ω,λ−34где h = 2π = 6,626 ⋅ 10 Дж·с – постоянная Планка.В механике есть имеющая размерность "энергия×время" величина, котораяназывается действием. Поэтому постоянную Планка иногда называютквантом действия. Размерность h совпадает с размерностью моментаимпульса.Поскольку энергия излучается порциями, то энергия осциллятора можетпринимать лишь определенные дискретные значения, кратные целому числуквантовε = nhν(n = 1, 2, …) .Среднюю энергию осцилляторов ε нельзя принимать равной kT .
Планкиспользовал распределение Больцмана частиц по энергиям. Тогда вероятностьpi того, что энергия колебания осциллятора частоты ν имеет значение εi определяется выражением (1), где N i – числоосцилляторов с энергией εi , N – полноечислоосцилляторов.Отсюдаможнополучить выражение для средней энергииосцилляторов (2).ТогдауниверсальнаяфункцияКирхгофа rν ,T будет иметь вид (3) –формула Планка.Или в виде (4) rλ ,T – функции длиныpi =ε =2ВобластималыхчастотиформулаhνkTПланкаrλ ,Tε0⎛εexp ⎜ 0⎝ kT⎞⎟ −1⎠(2)2πhν31(3)2⎛ hν ⎞cexp ⎜−1⎟⎝ kT ⎠2πc 2 h1(4)=λ5 exp ⎛ hc ⎞ − 1⎜⎟⎝ kT λ ⎠rν ,T =волны (учитывая c = λν , rλ ,T = rν ,T c λ ).hν⎛ hν ⎞exp ⎜⎟ ≈1+kT⎝ kT ⎠exp ( −εi kT )Ni=(1)N ∑ i exp ( −εi kT )переходит в формулу Рэлея-Джинса.А.Н.Огурцов.
Физика для студентовЗакон Стефана-Больцмана Re = σTинтегрированием по частотам.4получается из формулы Планка еёПри этом постоянная Стефана-Больцмана равнаσ=2π5k 4.15c 2 h3Закон смещения Вина получается при анализе формулы Планка наэкстремумT λ max = hc (4,965k ) = b .Таким образом формула Планка обобщает все законы тепловогоизлучения и является полным решением основной задачи теории тепловогоизлучения.44. Фотоэффект.Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называетсявысвобождение электронов под действием электромагнитного излучения.Различают фотоэффект внутренний, вентильный и внешний.Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитнымизлучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика изсвязанных состояний в свободные без вылета наружу.
В результатеконцентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит квозникновению фотопроводимости – повышению электропроводностиполупроводника или диэлектрика при его освещении.Вентильный фотоэффект (разновидность внутреннего фотоэффекта)– возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разныхполупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнегоэлектрического поля). Вентильный фотоэффект используется в солнечныхбатареях для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.Внешним фотоэффектом (фотоэлектроннойэмиссией)называетсяиспусканиеэлектроноввеществом под действием электромагнитного излучения.Схема для исследования внешнего фотоэффекта.
Два электрода (катод K из исследуемогометалла и анод A ) в вакуумной трубке подключены кбатарее так, что можно изменять не только значение, нои знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом(через кварцевое окошко) измеряется включенным вцепь миллиамперметром. Зависимость фототока I ,образуемого потоком электронов, испускаемых катодомпод действием света, от напряжения U между катодом ианодом называется вольт-амперной характеристикой фотоэффекта.По мере увеличения U фототок постепенно возрастает пока не выходит нанасыщение.