Контрольные вопросы

1. Как развивались представления о природе света?

2. Какие явления подтверждают волновую природу света?

3. В чем заключается явление интерференции? Запишите условие максимума и минимума интерференции.

4. Какое излучение называется когерентным? Почему все источники излучения (кроме лазеров) дают некогерентное излучение?

5. В чем заключается явление дифракции света? Почему мы наблюдаем тени от предметов?

6. Где применяются явления интерференции и дифракции?

7. Какой свет называется естественным? Поляризованным?

8. В чем заключается явление двойного лучепреломления?

9. Почему все источники излучения (кроме лазеров) излучают естественный, а не поляризованный свет?

10. Опишите способы поляризации света.

Модуль 5 Квантовая физика. Физика атома и атомного ядра

Лекция № 14

Квантовые свойства электромагнитного излучения

1 Тепловое излучение. Гипотеза Планка

2 Фотоэффект и его применение

3 Давление света. Фотоны

4 Эффект Комптона

5 Единство волновых и корпускулярных свойств электромагнитного излучения

1 Тепловое излучение. Гипотеза Планка

Тепловое излучение – это явление испускания всеми телами, температура которых выше 0К, электромагнитных волн за счет энергии теплового движения их атомов и молекул. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При низких температурах излучаются преимущественно длинные (инфракрасные) волны, при высоких температурах – короткие (ультрафиолетовые).

Тепловое излучение – единственный вид излучения, который может быть равновесным: тело в единицу времени излучает столько же энергии, сколько и поглощает. Это связано с тем, что интенсивность теплового излучения зависит от температуры. Если равновесие по каким – либо причинам нарушается (например, тело начинает больше поглощать, чем излучать), то температура тела повышается и равновесие восстанавливается. Все остальные виды излучения (люминесценция) являются неравновесными.

Законы теплового излучения были установлены для т.н. абсолютно черного тела. Абсолютно черным телом (ачт) называется тело, поглощающее всю падающую на него энергию, коэффициент отражения ачт равен нулю. Абсолютно черных тел в природе не существует, однако сажа, платиновая чернь, черный бархат в определенном интервале частот близки к ачт. Идеальной моделью ачт являются замкнутая полость с небольшим отверстием, внутренняя поверхность которой зачернена. Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения практически равна нулю.

Количественно тепловое излучение описывается следующими параметрами и законами.

1 Энергетическая светимость R – физическая величина, численно равная энергии, излучаемой телом в единицу времени с единицы поверхности:

(14.1)

Согласно закону Стефана - Больцмана энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

R=σT⁴. (14.2)

2 Спектральная плотность энергетической светимости r_λ – энергия, излучаемая телом в единицу времени с единицы площади в узком интервале длин волн. Длина волны λ_max, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела (закон смещения Вина). Максимум спектральной плотности энергетической светимости пропорционален пятой степени абсолютной температуры тела (второй закон Вина).

λ_max=b₁/T; r_λ=b₂T⁵. (14.3)

Экспериментально наблюдаемые законы теплового излучения невозможно объяснить с позиций классической физики, предполагающей, что энергия излучается непрерывно. М. Планк (1900 г.) предположил, что атомы излучают электромагнитные волны в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых пропорциональна частоте излучения:

ε=hν. (14.4)

Выражение (14.4) называется гипотезой Планка.