yavor2 (553175), страница 39
Текст из файла (страница 39)
На рис. 67.2 изображены кривые распределения энергии излучения по длинам волн абсолютно черного тела при различных температурах Площадь, ограниченная каждой кривой и осью абсцисс, определяет полную энергию всевозможных длин волн, испускаемую с единицы площади поверхности абсолютно черного тела за единицу времени. Эта площадь быстро растет с увеличением температуры, так как она возрастает пропорционально Т'. 3. Обратим внимание на форму кривых распределения при различных температурах. Все кривые име1от максимумы, причем с увеличением температуры ббльшая часть энергии приходится на более короткие волны.
Для каждой температуры существует такая длина волны )„,„„на которую приходится наибольшая часть энергии, испускаемой абсолютно черным телом. При повышении гв ,г ь 5 и гэвв всввлвоюовс 1еьрв л, и Л, нвн Рис. 67.2, Рис. 67.3. температуры длина волны Х„,„, становится все более короткой. Именно поэтому раскаленное тело с повышением температуры становится сначала красным, затем оранжевым и, наконец, желто- белым. Экспериментальные кривые, изображенные на рис. 67.2, указывают на простую зависимость от абсолютной температуры: ь (67.3) Формула (67.3) математически выражает закон смещения Вина: длина волны, накоторую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропориионалвна абсолютной температуре.
Значение постоянной Ь в формуле (67.3): Ь=2,898 (О ' м К. 192 Спектральный состав излучения Солнца очень близок по характеру к кривой излучения абсолютно черного тела. Это видно из рис. 67.3, на котором пунктиром даны спектры излучения абсолютно черного тела при температурах 6000 К и 6500 К. Максимум энергии излучения Солнца приходится примерно на 4700 А. Если рассматривать Солнце как абсолютно черное тело и воспользоваться законом смещения Вина, то можно рассчитать, что температура наружных слоев Солнца близка к 6200 К.
4. Законы излучения абсолютно черного тела не позволили отыскать уравнения кривых распределения энергии, изображенных на рис. 67.2. Все попытки найти теоретически зависимость з = ег() ), т. е. распределение по длинам волн энергии, излучаемой абсолютно черным телом, оказались безуспешными. Более того, эти попытки привели к принципиальным трудностям, значение которых пере. росло всю проблему теплового излучения. В задачу данной книги не входит детальное рассмотрение этих трудностей. Укажем только, что последовательное применение идей классической физики к исследованию спектрального состава излучения абсолютно черного тела приводит к абсурдным результатам, противоречащим закону сохранения энергии.
й 67.3. Идеи Планка. Формула Планка для теплового излучении 1. Выход из трудностей, возникших в проблеме теплового излучения абсолютно черного тела, нашел в 1900 г. выдающийся физик Макс Планк. В классической физике непускание света источником рассматривается как нспрерьмный процесс. Считается, что излучающее тело непрерывно посылает в пространство электромагнитные волны и энергия источника света непрерывно изменяется. Аналогично рассматривается и процесс поглощения света. Считается, что электромагнитные волны, падающие на некоторое тело, непрерывно им поглощаются. Планк пришел к выводу, что именно эти- представления ведут к противоречиям в теории теплового излучения и должны быть пересмотрены.
2. Планк высказал гипотезу, согласно которой абсолютно черное тело испускает и поглощает свет не непрерывно, а определенными конечными порциями энергии — квантами. Слово «квант» в переводе с латинского ппап(шп означает количество. Величина определенной порции энергии — кванта — оказалась по Планку прямо пропорциональной частоте света, т.
е. его важнейшей волновой характеристике. Энергия е, кванта„как теоретически показал Планк, должна быть равна ес =Й», (67. 4) где ч — частота света; й называется поспюянной Плпнка (см. 9 14.2). Она является универсальной постоянной величиной, равной Ь = =6,62 1О " Дж с. Согласно Планку, излучающее тело всегда 193 т В М Я»с»сии», А. А. Пинский, т.
2 испускает энергию 8, равную (для любой частоты) в-'=е, п, где п — любое целое положительное число. Формула (67.4) и универсальность постоянной Планка оказались необходимыми для того, чтобы термодинамические соотношения, установленные для теплового излучения абсолютно черного тела, не были нарушены. 3.
Для создания правильной теории теплового излучения, для теоретического вывода зависимости в=а„(Т), Планку оказалось достаточным исходить из того, что процесс испускания света происходит прерывно. При этом Планк пытался сохранить связь с электромагнитной теорией света, в которой предполагалось, что непускание, распространение и поглощение света происходят непрерывно и все явления, связанные с распространением и поглощением электромагнитных волн, должны подчиняться законам классической волновой оптики.
Эти явления были рассмотрены в гл. 63. На основе своих идей Планк получил формулу для лучеиспуска~ельной способности абсолютно черного тела: 2л~~ ьч (67.5) где с — скорость света в вакууме, Й вЂ” постоянная Планка, й— постоянная Больцмана (см. э" 26.9), Т вЂ” абсолютная температура тела, ч — частота. Формула Планка прекрасно согласуется с результатами измерений распределения энергии в спектрах излучения абсолютно черного тела при различных температурах. 4.
Идея Планка о прерывном характере процессов испускания и поглощения света оказала громадное влияние на все дальнейшее развитие физики. До Планка считалось, что энергия любого тела может изменяться непрерьино. Предполагалось, что тело может приобретать н терять энергию в любых произвольных количествах. Вообще в классической физике считалось незыблемым, что все физические процессы и явления должны быть непрерывными. Рассмотренные выше идеи Планка означали отказ от принятых ранее в классической физике представлений о непрерывном протекании процессов и явлений в природе. В этом заключается огромное значение этих идей для всего дальнейшего развития физики.
5. Формула Планка позволила теоретически вывести законы излучения абсолютно черного тела, рассмотренные в ~ 67.2, и связать постоянную й с постоянной Стефана о, постоянной закона Вина Ь н постоянной Больцмана А: й=пй ф~ —,,; 6=4,965 —. В этих формулах с — скорость света в вакууме. По этим формулам можно независимым путем подсчитать постоянную Планка. По первой из них Планк впервые определил величину постоянной й. Значение й, полученное по второй формуле, совпало со значением, полученным по первой формуле. Оба эти значения согласуются с величинами й, полученными другими способами Я 68.3).
194 ГЛАВА 68 основы квлнтовой оптики В 68.1. Фотоэлектрический эффект 1. В 1887 г. Генрих Герц обнаружил, что если осветить отрицательный электрод искрового разрядника ультрафиолетовыми лучами, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствие освещения. Герцу не удалось дать правильного объяснения этому явлению.
Опыты Гальвакса и в особенности тщательные исследования профессора й1осковского университета А. Г. Столетова, проведенные в 1888 — 1889 гг., выяснили сущность явления, обнаруженного Герцем. Выяснилось, что оно обусловлено выбиванием отрицательных за- ! рядов из металлического катода разряд- ! ника под действием света. На рис. 68.1 представлена схема опытов Столетова. В электрическую сеть включался конденсатор, положительной а обкладкой которого была медная сетка С, а отрицательной — цинковая пластина Б Р.
Когда от источника света Б лучи на- + ф!! правлялись на отрицательно заряженную пластину Р, в цепи возникал электрический ток. Когда пластина Р Рис. 68Л. заряжалась положительно, а сетка С отрицательно, гальванометр 6 не обнаруживал электрического тока. 2. Опыты Столетова доказали, что под действием света металл теряет отрицательно заряженные частицы. В дальнейшем измерения удельного заряда этих частиц (9 41.7) показали, что оии представляют собой электроны. Явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом 1внешним фотоэффектом или просто фотоэффектом).
Электрический ток, возникший в цепи на рнс. 68.1 при освещении пластины Р, называется фототоком. Кроме внешнего фотоэффекта существует внутренний фотоэффект, о котором будет сказано в 9 78.5. 3. Явление фотоэффекта можно попытаться объяснить с точки зрения электромагнитной теории света.
Если считать, что электромагнитная волна падает на металл и «раскачивает» его электроны, то они в конце концов отрываются от металла. Однако в этом случае из теории вынужденных колебаний следует, что чем больше амплитуда световой волны, тем больше будет скорость вылетевшего электрона. За счет этой энергии электрон сможет преодолеть силы, удерживающие его внутри металла, и покинуть металл. Тогда 7» 196 след1ет считать, что скорость электронов, покинувших металл, и их кинетическая энергия должны зависеть от амплитуды колебаний вектора напряженности электрического поля в электромагнитной волне, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
