конспекты по физикке. 15. 1 Упругие волны

• Название: 15. 1 Упругие волны
• Анкор: конспекты по физикке
• Дата: 22.01.2023
• Размер: 0.98 Mb.
• Имя файла: FIZIKA.docx
• Тип: Документы; #898940
• страница: 4 из 5

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом обладают известной инерционностью. Фототок не сразу достигает максимума при включении и не сразу спадает до темнового тока при выключении света.

18.5 Люминесценция

Люминесценция — это излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением и продолжающееся значительно дольше периода световых колебаний. Фотолюминесценция возникает при облучении вещества видимым светом, рентгеновским или гамма-излучением. Некоторые химические реакции в веществе сопровождаются хемилюминесценцией, которая длится все время, пока идет химическая реакция.

Причиной всех люминесцентныхявлений является переход источников люминесцентного свечения в возбужденное состояние.

Обычно в возбужденном состоянии частицы вещества (центры люминесценции) находятся 10 ⁸ с. Такая длительность возбужденного состояния характерна для флуоресценции

Люминесцентное свечение, которое сохраняется длительное время после прекращения действия возбудителя свечения, называют фосфоресценцией (от греч. «фос» — свет, «форос» — несущий). 

Фосфоресценцию наблюдают у некоторых твердых тел, например у кристаллического порошка сернистого цинка. Если покрыть таким порошком поверхность картона, получится фосфоресцирующий экран, сохраняющий люминесцентное свечение в течение нескольких минут после того, как прекратит свое действие источник, вызвавший люминесценцию.

Дж. Стокс установил экспериментально, что вещество испускает, как правило, свет с большей длиной волны, чем свет, который вызывает явление фотолюминесценции (правило Стокса).



Люминесцентное свечение лежит в основе качественного и количественного люминесцентного анализа состава вещества. По интенсивности спектральных линий люминесценции определяют ничтожные примеси (порядка 10^-11 г в 1 г исследуемого вещества). Люминесцентный анализ широко применяют в различных отраслях промышленности, в медицине, биологии и т. п.

На явлении люминесценции основана работа люминесцентных источников света. Обычные лампы накаливания имеют малую светоотдачу (12—20 лм/Вт), лишь несколько процентов расходуемой энергии приходится в них на излучение света в видимой области спектра. Люминесцентные источники являются очень экономичными и излучают свет в основном в узкой спектральной области видимого света. Они представляют собой ртутные лампы низкого давления в форме трубок с внутренней поверхностью, покрытой люминесцирующими веществами — люминофорами. Ртутные пары в таких лампах испускают ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминофорами. Люминесцентное свечение люминофоров по спектральному составу близко к дневному свету. Лампы дневного света широко применяют для освещения улиц, в промышленности и в быту.

18.6 Основы телевидения

Сущность телевидения заключается в том, что изображение предмета превращают в электрические сигналы, с помощью которых производят модуляцию высокочастотной электромагнитной волны 

Для преобразования изображения в электрический сигнал используют явление фотоэффекта

Основной частью передающей электронно-лучевой трубки — видикона (используют также и другие трубки — иконоскопы и суперортико - ны) — является полупроводниковый экран — мишень, на которой с помощью специальной оптической системы создают изображение некоторого объекта. За счет фотоэффекта полупроводник заряжается положительно, причем потенциал разных участков различен вследствие разницы в их освещенности. По этой мишени пробегает электронный пучок, «считывая» строка за строкой изображение. За секунду электронный пучок пробегает 625 строк, причем в процессе пробегания по строке сила тока в пучке меняется за счет изменения потенциала отдельных участков, имеющих разную освещенность

Цветной кинескоп имеет три «электронные пушки», которые посылают три электронных пучка на экран. У цветного кинескопа экран состоит из огромного числа (порядка миллиона) люми- несцирующнх ячеек, в каждой из которых есть три круглых зерна, испускающих соответственно красный, зеленый и синий свет. Каждое из этих зерен возбуждается своим пучком и светит с разной интенсивностью в зависимости от силы тока в пучке, что определяется характером его модуляции. Так на экране возникает цветное изображение.

18.7 Световое давление. Импульс фотона

1. Происхождение светового давления можно пояснить на примере воздействия электромагнитной волны на лист металла. Под действием электрической составляющей Е поля электромагнитной волны электрон со скоростью v движется в направлении, противоположном направлению вектора напряженности электрического поля; магнитная составляющая В поля действует на движущийся электрон с силой Лоренца F_m..

Средняя сила, действующая на электроны поверхности металла, определяет силу давления, а ее отношение к площади — световое давление.

* 2. Максвелл нашел формулу и показал, что давление электромагнитной волны





Рис. 18.7



Вывод Максвелла о наличии светового давления был встречен с недоверием со стороны ряда крупных ученых. Возникла необходимость в экспериментальной проверке данного результата. Решающий эксперимент поставил в 1900 г. П. И. Лебедев, сумевший обнаружить и измерить давление света на твердые тела. В 1907—1910 гг. он обнаружил также наличие светового давления на газы.

4. Наличие у фотона импульса позволяет объяснить причину светового давления по аналогии с давлением потока частиц (см. гл. 4). В самом деле, пусть на поверхность какого-либо тела в одном направлении, например перпендикулярно поверхности, падает свет. Предположим, что за 1 с на 1 м² поверхности тела падает п фотонов. Часть из них поглотится стенкой (неупругое соударение), и каждый из них передаст ей свой импульс р = — . Часть же фотонов отразится (упругое соударение). Отраженный фотон полетит от зеркальной стенки в противоположном направлении.

18.8 Эффект Комптона

Основным экспериментальным доказательством наличия у фотона импульса является эффект Комптона, открытый в 1922 г. при изучении рассеяния рентгеновского излучения в веществе. За открытие нового эффекта А. Комптон в 1927 г. был удостоен Нобелевской премии. В 1923 г. А. Комптон и независимо от него П. Дебай объяснили это явление с точки зрения квантовой теории. Рассмотрим кратко его сущность.

Согласно классической электромагнитной теории, рассеянное излучение должно иметь ту же частоту (и ту же длину волны), что и падающее на вещество излучение. Действительно, излучение, падая на вещество, вызывает вынужденные колебания электронов, которые за счет этого излучают электромагнитные волны. Но при этом частота волны меняться не должна, ибо частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы, в данном случае — частоте падающей на вещество электромагнитной волны.

 Эффект Комптона качественно можно объяснить, рассматривая упругое соударение фотона с неподвижным свободным (или слабо связанным) электроном (рис. 18.10). При соударении фотон передает электрону часть mv своего импульса. По закону сохранения импульса, p₀=p+mv; тогда р < р₀ или h И

hv < Лу₀ и — < — . Следовательно, X > А,₀, что и наблюдается в

X А, о

эксперименте. А так как электроны у всех веществ одинаковые, то и изменение длины волны не зависит от свойств вещества, а зависит только от угла рассеяния.



18.9 Корпускулярно-волновая двойственность свойств света

Развитие оптики, вся совокупность оптических явлений показали, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности (прерывистости), характерным для фотонов. Свет обладает одновременно и волновыми, и квантовыми свойствами. Для света характерны и волновые свойства непрерывных электромагнитных волн, и квантовые свойства дискретных фотонов. Двойственная природа света находит свое выражение в формулах, определяющих основные характеристики фотонов. Как видно из этих формул, корпускулярные характеристики фотона — энергия е и импульс р связаны с волновой характеристикой света — его частотой v |или длиной волны X = —J.

С квантовой точки зрения образование на экране дифракционной картины означает, что при прохождении фотонов через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве: в разные точки экрана попадает различное число фотонов. Освещенность Е экрана в данной точке тем больше, чем больше суммарная энергия фотонов, попадающих за 1 с в данную точку, т. е. освещенность прямо пропорциональна числу п₀ фотонов, доставивших эту энергию. Таким образом, Е п₀.

Предположим, что на щель падает очень слабый световой поток, настолько слабый, что его можно было бы считать состоящим из очень небольшого числа фотонов. В пределе можно считать, что поток состоит из поочередно летящих фотонов. Каждый фотон должен проявить себя в той точке экрана, куда он попал. Однако опыты показывают, что если ослаблять световой поток, уменьшать интенсивность света, то дифракционная картина не изменится. Отношение интенсивностей светлых и темных пятен областей экрана, которое характерно для дифракции на данном препятствии, остается и при слабом световом потоке.

В реальном эксперименте создание светового потока, состоящего из поочередно летящих фотонов, невозможно. Чтобы можно было говорить о сопоставлении с экспериментом, необходимо вообразить, что опыт с попаданием фотона в какую-то точку экрана повторяется очень много раз. При каждом таком опыте фотон с определенной вероятностью может попадать в ту или иную точку. Результат «стрельбы фотонами по препятствиям», если наблюдать ее длительное время, окажется таким же, как если бы одновременно проходил световой поток, состоящий из большого числа фотонов. Дифракционная картина будет соответствовать тому реальному распределению светлых и темных мест на экране, которое характерно для дифракции на данном препятствии.

Сопоставив два выражения: ЕА² и Е п₀, — получим, что А²  п₀, т. е. квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в эту точку.



Задачи

18.4 Энергия фотона равна : ε=h*c/λ
ε₁=6.63*10⁻³⁴ *3*10⁸/6.8*10⁻⁷ = 2.925*10⁻¹⁹ Дж = 1,83 эВ
ε₂=6,63*10⁻³⁴ *3*10⁸/4,2*10⁻⁷ = 4,74*10⁻¹⁹ Дж = 2,96 эВ

20.1 Экспериментальные методы ядерной физики

Измеряя заряд, импульс, энергию, определяя характер поглощения и рассеяния регистрируемых при этом частиц, ученые научились делать выводы о строении и свойствах ядер.

В основе методов регистрации лежат ионизирующие, фотохимические и некоторые другие свойства изучаемых частиц. Рассмотрим некоторые методы и ознакомимся вкратце с принципом действия соответствующих приборов.

2. Трековые методы. Заряженная частица, двигаясь в газе, ионизирует его, создавая на своем пути цепочку ионов. Если создать в газе резкий скачок давления, то на этих ионах, как на центрах конденсации, оседает пересыщенный пар, образуя цепочку капелек жидкости — трек. Это явление используют в камере Вильсона (рис. 20.1). Камера Вильсона представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд 7, покрытый сверху стеклом



П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили поместить камеру в магнитное ноле. На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца (см. гл. 11), что приводит к искривлению трека. На рис. 20.3 показаны треки частиц в камере Вильсона. Пара рождается в свинцовой пластинке, которая облучается гамма-квантами. По форме трека и характеру его искривления можно вычислить импульс частицы и ее массу, а также определить знак заряда частицы

частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями, регистрируют с помощью пузырьковых камер. Здесь трек возникает в перегретой жидкости — водороде, пропане и т. п.

В рабочем состоянии пузырьковая камера, как и камера Вильсона, оказывается в момент резкого скачка давления. Пузырьковые камеры также помещают в сильное магнитное поле, искривляющее траектории частиц.

20.2 Радиоактивность

Естественной радиоактивностью называют самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие. Оно сопровождается испусканием определенных частиц и электромагнитного излучения. 

Однако имеются и легкие естественно-радиоактивные ядра: изотопы калия, углерода, рубидия, редкоземельных элементов — лантана, самария, лютеция, а также индия и рения. Явление это было открыто в 1896 г. А. Беккерелем. Он проводил опыты с солями урана, некоторые из них обладают свойством флуоресцировать, т. е. излучать после возбуждения атомов путем их облучения

Пьер и Мария Кюри обнаружили, что излучение урановой смоляной руды в четыре раза превосходит по интенсивности излучение урана. Это дало основание искать более мощный источник излучения, чем уран. В 1898 г. они открыли два новых радиоактивных элемента: полоний и радий.

Вещества, испускающие излучения, были названы радиоактивными, а новое свойство вещества, связанное с наличием особых излучений, — радиоактивностью.



При радиоактивном распаде выполняются все законы сохранения — заряда, энергии, импульса. В ядерных реакциях принята определенная символика, связанная с законами сохранения.

20.3 Закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад происходит самопроизвольно, независимо от каких-либо внешних воздействий на ядро. В связи с этим невозможно заранее определить, какое именно ядро претерпит распад за данный промежуток времени Дт. Речь может идти лишь о числе ядер, которые распадаются в данном интервале времени от t до /+ Дт. Такое представление о радиоактивном распаде означает, что речь идет о статистическом процессе, т. е. распад каждого данного ядра является случайным событием, имеющим ту или иную вероятность.

Если за время Ат из общего числа N распалось А N ядер, то величина



представляет собой вероятность распада ядра данного радиоактивного изотопа. Она характеризует относительное уменьшение числа ядер за 1 с, на что указывает знак минус.

Вероятность распада не зависит ни от числа ядер, ни от времени наблюдения. Физически это означает, что для радиоактивного распада одного ядра несущественно, сколько времени «прожило» данное ядро, и что X является константой, характерной для данного изотопа. Поэтому X называют также постоянной распада. Отсюда выводят закон радиоактивного распада.

2. Закон радиоактивного распада имеет вид



где N₀ — число ядер в момент времени /₀ = 0; N — число ядер, не распавшихся за время t е — основание логарифма.

Опыты с разными радиоактивными веществами блестяще подтвердили правильность этого закона и тем самым наши представления о статистическом характере радиоактивного распада.



Периодом полураспада Т_х/2называют время, за которое распадается половина первоначального количества ядер

Ионизирующие излучения имеют широкую область применения в промышленности. Сконструирован ряд приборов, основанных на зависимости степени поглощения излучений от толщины поглощающего слоя вещества (см. § 17.8) и его плотности. На этой основе созданы толщиномеры, плотномеры, уровнемеры, дефектоскопы и т. п. В зависимости от плотности исследуемого вещества и толщины измеряемого слоя используют либо у-излучения (толстые слои металла), либо p-излучения (тонкая фольга, краска, пластмасса и т. п.).

20.4 Доза излучения

Создание ядерных реакторов, а также целого ряда приборов, в которых используют радиоактивные материалы, сделало весьма актуальной проблему защиты живых организмов от облучения радиоактивными излучениями. Воздействие у-излучения, а также других видов излучения на вещество определяется дозой излучения.

Поглощенной дозой излучения D называют величину, равную отношению энергии ионизирующею излучения, переданной облучаемому веществу, к массе этого вещества. Единицей служит грей (Гр): 1 Гр — это такая доза излучения, когда массе вещества в 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

Мощностью дозы излучения D называют величину, равную отношению дозы к времени облучения: Ь = -у. Единицей служит грей в секунду (Гр/с

Предельно допустимой дозой облучения (ПДД) считают дозу, по порядку величины совпадающую с естественным радиоактивным фоном, в котором живет человек. Этот фон возникает за счет космического излучения и радиоактивности Земли.

ПДД для рентгеновских у- и p-излучения составляет около 1 • 1(Г³ Гр (0,1 Р) в год. Для тепловых нейтронов эта доза ниже в 5 раз, для быстрых нейтронов, протонов и а-частиц — в 10 раз. Доза в 4—6 Гр безусловно смертельна. 

Для измерения дозы и мощности дозы излучения используют специальные приборы — дозиметры. Наиболее распространены дозиметры, датчиками которых служат ионизационные камеры, а иногда счетчики, фотопленки и сцинтилляторы. Выход датчика через специальную электронную схему соединяют с показывающим (или регистрирующим) прибором, шкала которого проградуирована в единицах дозы или мощности дозы.

Для защиты от особо мощных источников излучений используют бетонные стены, часто толщиной в несколько метров. Кроме того, эти источники обычно помещают в траншеи для того, чтобы излучение поглощалось еще и землей.