Ответы на коллок по физике by sekvana

1) Фотоны. Масса и импульс. Тепловое излучение. З-н Кирхгофа.

Свет – поток частиц (корпускул) которые называются фотоны.

Формула Эйнштейна:

Масса покоя фотона = 0.

Свет распространяется и поглощается квантами – кратными hv.

Виды излучения:

1) Хемилюминесцентное – энергия излучения в рез-те хим реакции.

2) Электролюминесценция - энергия эл. поля.

3) Фотолюминесценция – энергия при освещении вещ-ва светом.

Эти излучения- не равновесные т.е. при прекращении действия причины излучения эти излучения – прекращаются.

4) Тепловое излучение – равновесное(не прекращается).

Основные характеристики теплового излучения:

а) энергетическая светимость(интегральная излучательная способность). Тепловое излучение занимает широкий диапазон длин волн(длин волны = 0 - бесконечность).

б) Спектральная излучательная способность тела:

в) Спектральная поглощательная способность тела:

Закон Кирхгофа:

Отношение спектральной излучательной способности тела к его спектральной поглощательной способности не зависит от свойств материала, одинаково для всех тел и представляет собой универсальную функцию от длины волны и температуры:

2) Законы излучения абсолютно черного тела:

Если тело поглощает всю падающую на него энергию, при данной температуре, то оно абсолютно черное.

Модель АЧТ(окна дома в светлый день)

Если спектральная поглощательная способность a(v,t) – не зависит от длины волны излучения то тело – серое.

Если зависит от длины волны, то этим и обусловлен цвет тела.

Основная задача теплового излучения - определение вида функции r(v,T) для абс. черного тела.

2-й закон термодинамики:

Невозможен такой процесс, при котором передача тепла будет идти от мене нагретого тела к более

нагретому.

Тела имеют разные материалы и разные температуры. Через некоторое время в системе образуется температурное равновесие. Тело которое больше излучает энергию будет больше поглощать.

Отношение спектральной излучательной способности тела к его спектральной поглощательной способности не зависит от свойств материала, одинаково для всех тел и представляет собой универсальную функцию от длины волы и температуры.

Опыт:

Опытная зависимость:

1) Закон Стефана Больцмана.

Существует такая длина волны(частота) энергия при которой, при данной температуре – максимальна.

2) Закон смещения Вина:

При уменьшении температуры максимальная энергия излучения (излучательная способность) смещается по оси частот вправо.

3) Формула Релея-Джинса:

Здесь добавлена электродинамика:

Эта теория описала излучательную способность в диапазоне больших длин волн.

4) Гипотеза Планка: свет испускается квантами энергии – фотонами, кратными hv. Кванты испускаются осцеляторами – колеблющимися заряженными частицами.

Формула Планка:

Вывод законов из формулы Планка:

1) Закон Стефана-Больцмана:

2) Закон смещения Вина:

3) Ф-ла Релея-Джинса:

3). Действие света: фотоэлектрический эффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучение переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

Законы фотоэффекта:

1) При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в ед. времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности катода)

(Каждый квант поглощается только 1 эл-ом => число вырванных эл-ов должно быть пропорционально скорости света)

2) Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

(Макс. кин. энергия фотоэлектрона линейно растет с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), т.к. ни А ни НЮ от интенсивности не зависят)

3) Для каждого вещества сущ. красная граница фотоэффекта, т.е. мин. частота света ниже которой фотоэффект невозможен.

(Т.к. с уменьшением частоты света кин. энерги фотоэлектронов уменьшается, то при некоторой достаточно малой частоте НЮ=НЮ0 кин. э. станет равной 0 и ф. прекратится(НЮ0=А/h))

4) Фотоэффект безинерционен, он начинается мгновенно после попадания света на материал.

(Упругие соударения => мгновенная передача энергии)

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии (ф-ла Энштейна):

4) Эффект Комптона – это явление, с точки зрения квантовой теории обьясняется тем, что рентгеновские фотоны рассеиваются при их упругом соударении со слабосвязанными электронами атомов вещества, при этом происходит изменение длины волны (частоты) рентгеновского излучения.

5) Теория Бора.

Закономерности в атомных спектрах: экспериментально было известно, что все вещ-ва при опред. условиях излучают магнитные волны. Простейший атом водород излучает «линейчатый спектр», причем все линии спектра могут быть разбиты на групы – серии. Каждая серия лежит в опред. области спектра и состоит из нескольких линий строго опред. (разной) длины волны:

Закономерности серий:

1) Чем меньше длина волны в серии, тем линии разположены ближе друг к другу.

2) Чем меньше длина волны в серии, тем менее яркой является линия.

3) Все формулы, которые описывают серии, обьед. в 1:

Любая система представленная сама себе и наход. в силовом поле стремится занять состояние с наименьшей энергией. Если заряд движется с ускорением, то он излучает энергию. Это показывает, что электрон рано или поздно должен упасть на ядро. Кроме того из кривой Е(r) видно, что при движении к ядру электрон излучает все длины волн – непр. спектр излучения, а экспериментально – дискретный.

6). Постулаты Бора.

1) Среди всевозможных орбит сущ. такие, находясь на которых электрон не излучает и не поглощает энергию – стационарные орбиты.

2) При переходе с одной стационарной орбиты на другую, электрон излучает или поглощает энергию.

Правило квантования круговых орбит в теории Бора: Электрон крутящийся по орбите вокруг атома можно представить ввиде гармонического осцилятора совершающего взаимно перпендикулярные колебания:

Энергия атома излучается и поглощается ввиде квантов (порций):

Недостатки теории Бора:

1) Наполовину классическая, наполовину квантовая

2) Невозможно описать спектры излучения более сложных, чем водород, атомов.

3) Невозможно обьяснить различия в интенсивности разных линий в спектре атома водорода.

4) Невозможно обьяснить наличие дублетов линий в спектре некоторых атомов.

7) Предпосылки возникновения квантовой механики.

Предпосылки:

1. Двойственная природа света.

2. Недостатки теории Бора.

Теория де Бройля:

Де Бройль предположил, что движение любого материального объекта сопровождается волновым процессом:

По этой формуле считая волну для человека получим порядок [-33 – -34] –невозможно измерить, а считая для электрона получим [-10 степень ] – рентгеновское излучение. Электромагнитная волна с такой длиной волны дает дифракцию на объемной кристаллической решетке.

Опыты Девисона и Джермера:

Если электрон проходит разность потенциалов U, то он приобретает энергию:

Схема опыта:

При отражении от кристалла наблюдается дифракция электронов.

Опыт проводят 2-мя способами:

1) U=const, а изменяют угол поворота кристалла.

здесь подтверждаются волновые св-ва электронов.

2) Угол постоянный, а напряжение меняют.

Движение электрона сопровождается волновым процессом:

а) Если частица свободная:

б) Частица в силовом поле:

8) Волновое уравнение:

Одномерный случай:

Суперпозиция плоских волн:

Волновой процесс, сопровождающий движение микрочастицы пытались объяснить следующими теориями:

а) С помощью монохромотичной волны. Это невозможно т.к. эта волна бесконечна в пространстве, а микрочастица занимает ограниченную область пространства, определенную ее размерами (след на экране осциллографа)

б) Суперпозиция монохроматических волн, омега и лямбда которых лежат в определенном диапазоне так, что складываясь эти волны дают амплитуду отличную от нуля. в ограниченной области пространства. Такая суперпозиция- волновой пакет.

S(x,t) – сложный волновой процесс.

Волновой пакет: