ФИЗИКА. Электромагнетизм

• Название: Электромагнетизм
• Дата: 04.05.2023
• Размер: 2.73 Mb.
• Имя файла: ФИЗИКА.docx
• Тип: Закон; #1107384
• страница: 4 из 5

2)Закон Стефана - Больцмана: излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна температуре в четвертой степени: 

+ излучательная способность; С₀ – поглощающая способность;  температура.

Серое тело – это тело, имеющее непрерывный спектр излучения и отношение элективной интенсивности излучения серого тела к селективной интенсивности излучения абсолютно черного тела, для всех длин волн и температур величина постоянная: 

степень черноты;  коэффициент излучения серого тела.

3)Закон Кирхгофа: отношение излучающей способности тела к его поглощающей способности, равно излучающей способности абсолютно черного тела при данной температуре: .

Следствие: 

26. Для получения правильного вида  немецкий физик Макс Планк в 1900 году сформулировал квантовую гипотезу, согласно которой электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии квантов, величина которых пропорциональна частоте излучения:

.

Константа  называется постоянной Планка. Из гипотезы Планка может быть получено следующее выражение для средней энергии излучения с частотой :

,

что существенно отличается от  в классической теории.

Для универсальной функции Кирхгофа находим:

.

Соотношение называют формулой Планка. В области низких частот (2.3) переходит в формулу Рэлея-Джинса. В области высоких частот из (2.3) находим:

,

что хорошо согласуется с результатами эксперимента.

С ростом температуры максимум функции  смещается в область более высоких частот, .

Для энергетической светимости абсолютно черного тела получается выражение:

.

Константа  называется постоянной Стефана-Больцмана, а соотношение -законом Стефана-Больцмана.

Вычисляя производную  и приравнивая ее нулю, находим, что максимум излучательной способности абсолютно черного тела приходится на длину волны:

.

+Видно, что с ростом температуры  , максимум излучательной способности смещается в сторону более коротких волн. Соотношение называют законом смещения Вина.

Для измерения температуры раскаленных, а также самосветящихся тел, удаленных от наблюдателя (например, звезд), используются методыоптической пирометрии. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивно­сти их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называютпиромет­рами. Принцип действия этих приборов основан на использовании зависимости испускательной способности и энергетической светимости тел от температуры. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измере­нии температуры

27. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в тве­рдых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэффект обнаружен (1887 г.) Г. Герцем, наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка уль­трафиолетовым излучением.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А. Г. Столетовым. Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени: 1) на­иболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение; 2) под действи­ем света вещество теряет только отрицательные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

Внутренний фотоэффект— это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свобод­ные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости(повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникнове­нию э.д.с.

 три закона внешнего фотоэффекта.

I. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлект­ронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Ека­тода).

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энер­гия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой .

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. мини­мальная частота ₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта .Соглас­но Эйнштейну, свет частотой не только испускается, как это предполагал Планк (см. § 200), но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ₀=h.Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализован­ных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью рас­пространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили назва­ние фотонов.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы вы­хода Аиз металла (см. § 104) и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетичес­кой энергии mv²_max/2.По закону сохранения энергии,

Согласно Эйнштейну, свет частотой ν не только испускается, как предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε0 = hν .

h*ню = А_в + 

При этом энергия кванта:

hν = Wm – Wn,

где m и n – энергетические уровни.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии

	hν = A +	mυmax2		(41.3)
		2

28. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами.



Вольт-амперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям катода( частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке выше. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока - фототок насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:



Где n – число электронов, испускаемых катодом за 1 с.

Из вольт-амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным пулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₀. При U = U₀ ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью v_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,



Т.е., измерив, задерживающее напряжение U₀, можно определить максимальные значения скорости кинетической энергии фотоэлектронов.

Краткий итог: фототок насыщения зависит только от интенсивности, а запирающее напряжение U₀ зависит от кинетической энергии вырываемых светом электронов, в свою очередь кинетическая энергия зависит только от частоты света.

29. Эффект Комптона. Элементарная теория эффекта Комптона.

Эффект Комптона (Комптон-эффект) – явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами. При рассеянии фотона на покоящемся электроне частоты фотона ν и ν’ (до и после рассеяния соответственно) связаны соотношением:



где Θ – угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и после рассеяния).

Перейдя к длинам волн: λ’ – λ = λ_k(1 – cos Θ), где

λ_k = h/m_ec – комптоновская длина волны электрона.

Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. В классической электродинамике рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние) не сопровождается уменьшением её частоты.

+Объяснить эффект Комптона в рамках классической электродинамики невозможно. С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину волны не должна. Комптон дал теорию этого явления. Он рассматривал эффект как результат соударения фотонов с электронами атомов, на которых происходят рассеяние рентгеновских лучей. Элементарная теория эффекта Комптона основывается на применении к процессу соударения фотона с электроном закона сохранения энергии и закона сохранения импульса.

30. Масса и импульс фотона. Давление света.

Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами. Фотон – безмассовая нейтральная частица. Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях, описанных выше. Поэтому скорость фотона равна скорости света.

Если энергия фотона равна E, то импульс p связан с энергией соотношением E = cp, где c – скорость света (скорость, с которой в любой момент времени движется фотон как безмассовая частица). Для сравнения, для частиц с ненулевой массой покоя связь массы и импульса с энергией определяется формулой E² = c²p²+ m²c².

+В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты ν (или, что эквивалентно, от длины волны λ = c/ν): E = ħω = hν , p = ħk и следовательно, величина импульса есть: p = ħk = h/λ = hν/c, k – волновой вектор

Давление света – давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела. Давление электромагнитного излучения является следствием того, что оно, как и любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладает импульсом p = Ev/c². А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E/c.

Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм (или Ква́нтово-волново́й дуали́зм) — принцип, согласно которому любой физический объект может быть описан как с использованием математического аппарата, основанного на волновых уравнениях, так и с помощью формализма, основанного на представлении об объекте как частице или системе частиц. В частности, волновое уравнение Шрёдингера не накладывает ограничений на массу описываемых им частиц, и следовательно, любой частице, как микро-, так и макро-, может быть поставлена в соответствие волна де Бройля. В этом смысле любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства.

31 и 34. Линейчатый спектр атома водорода. Спектральные серии. Объяснение спектра атома водорода по Бору.

Спектр атома водорода линейчатый т.е. представляет собой совокупность отстоящих друг от друга на разное состояние спектральных линий. Все спектральные линии спектра атома водорода могут быть выражены обобщенной формулой Бальмера ν=R(1/n²-1/m²); R=3,29*10¹⁵ с^-1 –постоянная Риппера, 1/λ=R’(1/n²-1/m²); R’=R/c=1,1*10⁷ м^-1; m и n –номера энергетических состояний. n-приход m-уход. Все линии спектра атома водорода делятся на серии: ультрафиолетовый области света соответствует серия Леймана возникающая при переходе электронов на первый энергетический уровень. В видимой области соответствует серия Бальмера возникающая при переходе на 2й энергетический уровень. Инфа-красный-серия Пашена, Брэкета, Пфунта, Хэмфри, возникает при переходе электронов на 3й, 4й,5й,6й энергетические уровни соответственно. Каждая серия представляет собой совокупность спектральных линий и характеризует наибольшее и наименьшее значение частоты или длины волны. Минимальная частота(максимальная длина волны) соответствует переходу с соседнего энергетического уровня. Max частота(минимальная длина волны) переход с max удаленного энергетического уровня.

Согласно Бору линейчатость спектра связана с дискретностью энергетических состояний. ν_min (λ_max) m=n+1; . ν_max (λ_min) m→∞; hν=E_m-E_n ν=E_n-E_m/h; ν=m_eZ²e⁴(1/n²-1/m²)/8ε₀²n²h³; Z=1: m_ee⁴/8ε₀²n²h³=R.
32. Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную (планетарную) модель атома. По этой модели, вокруг положит ядра, имеющего заряд Zе (Z — порядковый номер элемента в системе Менделеева, е — элементарный заряд), размер 10^–15—10^–14 м и массу, почти равную массе атома, в обл с линейными размерами порядка 10^–10 м по замкнутым орбитам движутся е, образуя электрон оболочку атома.Т.к. атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарн заряду е, т. е. вокруг ядра должно вращаться Z е.

Предположим, что е движ вокруг ядра по круговой орбите радиуса r. При этом кулоновск сила взаимодействия между ядром и е сообщает е центростремит ускорение. 2 з-н Ньютона для е, движущ по окружности под действием кулоновск силы, имеет вид где т_e, и v — масса и скорость е на орбите радиуса r, ₀ — электрическая постоянная.