конспекты по физикке. 15. 1 Упругие волны
![]()
|
п0, т. е. квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в эту точку.А2 и ЕФотоэлементы 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 Fm.. 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 |