Вопросы экзамена по физике для вечерников МАИ (552436), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Оптика – учение о свете. Свет является микроскопическим объектом природы. Его характерный пространственный параметр – длина волны  - составляет доли микрометра. С этим связана непривычность и даже противоречивость свойств света с позиции обыденных, макроскопических человеческих представлений.

В истории оптики известны две конкурирующие концепции – волновая и корпускулярная, которые представляли свет либо в виде непрерывных волн, либо в виде частиц (корпускул²).
В XIX веке, в связи с разработкой Максвеллом классической электродинамики и обнаружением электромагнитной природы света, казалось, что победу одержала волновая концепция. Она
наглядно объясняла такие известные оптические эффекты, как интерференция, дифракция,
поляризация, поглощение света. Но к началу XX века выявились ограниченные возможности волновой концепции света в объяснении ряда других опытных оптических закономерностей и, в первую очередь, теплового излучения и фотоэффекта.

При анализе теплового излучения М. Планк в 1900 г. выдвинул гипотезу, сближавшую волновую и корпускулярную концепцию света. Суть ее в том, что свет, будучи электромагнитной волной, излучается элементарными, неделимыми далее порциями (квантами), энергия Е которых определяется только частотой  света:

Е = h, где h  6,610^-34 Джс - постоянная Планка³.

Эти элементарные энергетические порции света (электромагнитной волны) были впоследствии названы фотонами (фотос – с греческого – свет), частицами света. Интенсивность света при этом определяется числом фотонов, содержащихся в световой волне с данной частотой.

По формуле Эйнштейна Е = (m²с⁴ + с²р²), связывающей энергию Е с импульсом р, - для фотона, как безмассовой частицы с m = 0, получаем: Е = ср – закон дисперсии. Отсюда импульс фотона р = Е/c = h/с = h/. Формулы Е = h и р = h/ выражают взаимосвязь корпускулярных характеристик – энергии Е и импульса р с волновыми характеристиками – частотой  и длиной волны  применительно к фотону. Такое непривычное для макрообъектов сочетание волновых и корпускулярных характеристик и свойств в одном объекте получило название корпускулярно-волнового дуализма (дуализм – двойственность по французски).

В итоге, про свет можно сказать, что он имеет электромагнитную природу и двойственные – волновые и корпускулярные свойства. Сам же свет можно определить как энергетически квантованные электромагнитные волны определенного диапазона частот (длин волн).

Таким образом, с квантовой оптики в физику, в 1900 г. вошли две тесно взаимосвязанные
фундаментальные идеи, характеризующие физическую реальность на ее микроскопически - элементарном уровне:

1. Идея квантования (идея дискретности состава и квантования характеристик, мер движения).

2. Идея корпускулярно-волнового дуализма, то есть сочетания, сосуществования в элементар- ном объекте одновременно и волновых, и корпускулярных (“частичечных”) свойств.

Фотоны, будучи элементарными световыми (электромагнитными) волнами, являются,
в отличие от частиц, делокализованными⁴, то есть непрерывно распределенными в пространстве, но ведут себя как элементарное, неделимое целое образование.

Фотоны долгое время не признавали частицами, т. к. они обладают волновыми свойствами
(могут взаимно компенсировать друг друга), делокализованы, и легко рождаются и уничтожаются. Однако в XX веке выяснилось, что все эти особенности присущи и другим, вещественным частицам. Поэтому в настоящее время общепризнанным является понимание фотонов, как фундаментальных частиц, являющихся квантами свободного (распространяющегося) электромагнитного поля, переносящими электромагнитное взаимодействие.

Давление света.

Квантово - корпускулярная концепция света позволила легко и наглядно объяснить такое его опытное проявление как давление (именно давлением солнечного света объясняли, например, изгибание хвостов комет, при их приближении к Солнцу, в сторону от Солнца).

Если фотоэффект связан с передачей от фотонов энергии веществу, то давление света связано с передачей другой, векторной меры движения – импульса. Напомним, что фотон, как частица света, энергия которой пропорциональна частоте света Е_ф = h = hс/, обладает импульсом р_ф = Е_ф/с = h/. Быстрота изменения (передачи) импульса, согласно второму закону Ньютона, есть сила, а сила, приходящаяся на единицу площади, есть давление P: и .

Таким образом, давление света на вещество равно импульсу, передаваемому фотонами единице площади в единицу времени. Если поверхность полностью поглощает падающие на нее по нормали фотоны (свет), то каждый фотон передает ей импульс р_ф = h/с, а при полном отражении – удвоенный импульс 2р_ф. Если же поверхность частично отражает падающий на нее свет с коэффициентом отражения , то при падении в единицу времени на единицу площади n_о = /St фотонов, отразится от нее число фотонов, равное n_о, а поглотится n_о(1 – ) фотонов. Они окажут давление (передадут единице площади в единицу времени импульс), равное:

Р = n_о(1 - )h/ + 2n_оh/ = (n_оh/)(1 + ) = (n_оhс/с)(1 + ) = (n_оЕ_ф/с)(1 + ) = (W/с)(1 + ),

где W = n_оЕ_ф – энергия фотонов, падающих за единицу времени на единичную площадку, т. е. вектор Умова - Пойнтинга – плотность потока переносимой энергии. Из известной из теории волн формулы взаимосвязи плотности потока с объемной плотностью  энергии волны:
W = с, получаем формулу для давления света в виде:

Р = (1 + ), где  - объемная плотность энергии фотонов, то есть энергия фотонов

в единице объема.

Полученная формула для давления света, как потока фотонов, полностью аналогична таковой, получаемой в волновом подходе. Там физический механизм давления сводился к тому, что переменное электрическое поле световой волны приводило в колебательное движение электроны атомов вещества, а на эти движущиеся электроны действовало уже магнитное поле световой волны с силой Лоренца = q + q [ ], направленной вглубь вещества. Таким образом, давление света является таким эффектом, который в равной степени успешно объясняется как с волновых, так и с корпускулярных воззрений на природу света, его микроструктуру. Квантово - корпускулярная концепция получила окончательное признание после того, как успешно объяснила такой эффект, как эффект Комптона, в котором свет, взаимодействуя с веществом, передает ему одновременно и энергию, и импульс.

Вопрос № 4 Внешний фотоэффект. Вольтамперная характеристика. Законы внешнего фотоэффекта.

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект)

Фотоэлектрическим эффектом или просто фотоэффектом называют совокупность электрических процессов, происходящих в веществе под воздействием света и включающую в себя внешний фотоэффект, внутренний фотоэффект и вентильный фотоэффект.

Первое фотоэлектрическое явление – внешний фотоэффект, заключающееся в вырывании светом электронов из вещества, впервые экспериментально было обнаружено в 1887 г. Г. Герцем и детально исследовано в 1888 - 1889 гг. А. Г. Столетовым. Обобщенная схема экспериментальной устано­вки для изучения внешнего фотоэффекта (см. рис) представляла собой двухэлектродную стеклянную трубку, лампу (вакуумный диод - фотоэлемент), один из электродов (катод К) которой облучался пучком света. Между катодом и вторым электродом – анодом А прикладывалось напряжение U, которое можно было регулировать (как по величине, так и по знаку, полярности) с помощью потенциометра П. Амперметр А измерял силу I тока, протекающего через лампу, а вольтметр В измерял напряжение между анодом и катодом.

Х

арактерные особенности внешнего фотоэффекта наиболее полно вскры­ваются в его вольтамперной характеристике (ВАХ), представляющей собой зависимость силы фототока (тока электронов, попадающих на анод) от напряжения между катодом и анодом.

П

адающий на катод свет своим переменным электрическим полем раскачивает электроны вещества, и со временем происходит их отрыв и вылет их из катода. В силу имеющегося разброса начальных скоростей электронов, вылетающих из разных по глубине слоев вещества катода, до анода долетают лишь наиболее быстрые из них. С ростом положительного напряжения на аноде число таких электронов возрастает, и при некотором напряжении все, вырванные светом из катода электроны, достигают анода, образуя ток насыщения _нас.

Чтобы обратить фототок в ноль, необходимо между анодом и катодом приложить напряжение U_З обратной полярности, называемое запирающим или задерживающим.

Опыты выявили следующие основные закономерности внешнего фотоэффекта:

Сила тока насыщения _нас прямо пропорциональна световому потоку⁵ Ф: _нас  Ф (эта закономерность носит название закона Столетова).

Фотоэффект начинается с некоторой минимальной частоты света _мин (или _о), получившей название красной границы⁶ фотоэффекта.

Максимальные кинетическая энергия Е_{к макс} и скорость _{к макс} фотоэлектронов (а также и задерживающее напряжение U_з) пропорциональны частоте  света и не зависят от его интенсивности (светового потока).

Фотоэффект практически безынерционен, т. е. фототок возникает мгновенно после облучения светом вещества.

Согласно классической волновой электромагнитной теории света, вырывание электронов, связанных в веществе, происходит вследствие возрастающей во времени “раскачки” их переменным электрическим полем световой волны. В волновом подходе интенсивность света пропорциональна амплитуде световой волны, и именно эти характеристики должны были определять возможность самого фотоэффекта и его “силу”. Опыт же говорил о том, что определяющей характеристикой оказывается частота света. Волновой подход не смог объяснить основные закономерности внешнего фотоэффекта и, прежде всего, частотные закономерности (наличие красной границы, пропорциональность запирающего напряжения частоте света), а также его безынерционность и независимость запирающего напряжения от интенсивности света. Это несоответствие классической волновой теории и опыта было преодолено в 1905 г. А. Эйнштейном путем привлечения квантово-корпускулярных представлений о свете, предложенных в 1900 г. М. Планком при объяснении закономерностей теплового излучения.

А. Эйнштейн предположил, что свет не только излучается в виде дискретных энергетических порций, квантов, энергия которых, по Планку, пропорциональна частоте Е = h, но и поглощается веществом также этими неделимыми порциями света, названными впоследствии фотонами. Эйнштейн записал основное уравнение однофотонного фотоэффекта, представляющее собой фактически закон сохранения энергии при взаимодействии фотона со связанным в веществе электроном. Согласно этому уравнению, энергия фотона расходуется на совершение работы А_вых по вырыванию электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии Е_к, то есть:

h = А_вых + Е_{к макс.}

За работу А_вых в уравнении Эйнштейна принимают работу по вырыванию наименее связанных в веществе электронов, которые приобретают при вылете наибольшую скорость _м и кинетическую энергию⁷ Е_{к макс}.

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)