
- •Курс лекций
- •Содержание
- •Введение
- •1 Механическое движение и его виды
- •1 Механическое движение и его виды
- •2 Кинематика поступательного движения
- •3 Кинематика вращательного движения
- •4 Связь между угловыми и линейными величинами
- •Контрольные вопросы
- •1 Динамические характеристики поступательного движения
- •2 Законы Ньютона
- •3 Динамические характеристики вращательного движения
- •Моменты инерции некоторых тел
- •4 Основной закон динамики вращательного движения
- •5 Аналогия формул поступательного и вращательного движений
- •Основные характеристики и формулы кинематики
- •Контрольные вопросы
- •1 Понятие симметрии. Теорема Нетер
- •2 Закон сохранения импульса
- •3 Момент импульса. Закон сохранения момента импульса
- •4 Работа, мощность, энергия
- •5 Закон сохранения энергии
- •Контрольные вопросы
- •1 Принципы относительности Галилея и Эйнштейна
- •2 Понятие о специальной теории относительности
- •3 Основной закон релятивисткой динамики материальной точки
- •4 Закон взаимосвязи массы и энергии
- •Контрольные вопросы
- •Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов
- •1 Основные положения молекулярно – кинетической теории
- •2 Опытные законы идеального газа. Уравнение состояния
- •3 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов
- •4 Распределение Максвелла
- •5 Барометрическая формула. Распределение Больцмана
- •Контрольные вопросы
- •Основы равновесной термодинамики
- •1 Внутренняя энергия тела и идеального газа
- •2 Работа газа при изменении его объема
- •3 Первое начало термодинамики
- •4 Второе начало термодинамики
- •5 Тепловые двигатели и их кпд
- •Контрольные вопросы
- •Элементы неравновесной термодинамики
- •1 Энтропия как мера беспорядка в системе. Статистический смысл второго начала термодинамики
- •2 Третье начало термодинамики
- •3 Изменение энтропии в открытых системах
- •4 Понятие о самоорганизации
- •5 Примеры самоорганизации в природе
- •Контрольные вопросы
- •Сформулируйте расширенный вариант второго закона термодинамики для открытых систем.
- •Электростатическое поле
- •2 Электростатическое поле и его характеристики
- •3 Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме
- •4 Циркуляция вектора напряженности электростатического поля
- •6 Энергия электростатического поля
- •Контрольные вопросы
- •1 Магнитное поле
- •2 Силы Ампера и Лоренца
- •3 Закон Био – Савара – Лапласа. Простейшие случаи расчета магнитных полей
- •4 Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле
- •Контрольные вопросы
- •1 Явление электромагнитной индукции
- •Явления самоиндукции и взаимной индукции
- •3 Магнитное поле в веществе
- •4 Теорема о циркуляции для магнитного поля
- •5 Энергия магнитного поля
- •Контрольные вопросы
- •2 Ток смещения
- •3 Уравнение Максвелла для электромагнитного поля
- •Контрольные вопросы
- •1 Свободные гармонические колебания
- •1 Свободные гармонические колебания
- •2 Затухающие и вынужденные колебания
- •3 Волны
- •4 Электромагнитные волны
- •Контрольные вопросы
- •Волновые свойства электромагнитного излучения
- •1 Развитие представлений и природе света
- •2 Интерференция света и методы ее наблюдения
- •1 Метод Юнга
- •2 Зеркало Ллойда
- •3 Интерференция в тонких пленках
- •3 Дифракция электромагнитных волн
- •4 Поляризация света
- •Контрольные вопросы
- •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
- •Контрольные вопросы
- •1 Гипотеза де Бройля. Корпускулярно волновой дуализм как универсальное свойство материи
- •2 Соотношение неопределенностей
- •3 Волновая функция и ее статистический смысл
- •4 Уравнение Шредингера и его решения для ряда простейших случаев
- •1 Движение свободной частицы
- •2 Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими стенками
- •Контрольные вопросы
- •1 Развитие представлений о строении атома
- •2 Атом водорода в квантовой механике
- •3 Многоэлектронные атомы
- •4 Атомное ядро
- •5 Радиоактивность. Радиоактивные излучения
- •Контрольные вопросы
- •Современная физическая картина мира
- •1 Агрегатные состояния вещества
- •2 Кристаллы и их симметрия. Дефекты в кристаллах
- •3 Понятие о зонной теории твердых тел
- •4 Проводимость твердых тел. Проводники, полупроводники и диэлектрики
- •Контрольные вопросы
- •2 Частицы и античастицы
- •3 Элементарные частицы и их классификация. Понятие о кварках
- •1 Основные типы физических взаимодействий в природе
- •2 Частицы и античастицы
- •3 Элементарные частицы и их классификация. Понятие о кварках
- •4 Современная физическая картина мира
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Перечень ключевых слов
2 Фотоэффект и его применение
Фотоэффектом (внешним) называется явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Он был открыт Герцем в 1887 г. и исследован Столетовым в металлах. Электрическая схема для наблюдения внешнего фотоэффекта приведена на рисунке 25. Два электрода (катод и анод) помещены в вакуум, катод освещается светом. Потенциалы катода и анода можно было изменять по величине и знаку.
Рисунок 25 – Электрическая схема опыта Столетова.
Фототок измеряется микроамперметром, напряжение между электродами измеряется вольтметром.
Столетов исследовал вольт – амперную характеристику фотоэффекта (зависимость фототока от напряжения между электродами, рисунок 26).
U0 0
Рисунок 26 - Вольт – амперная характеристика вакуумного фотоэлемента
На основе исследований Столетов сформулировал три закона:
1 Фототок насыщения пропорционален величине падающего светового потока.
2 Скорость вылетевших фотоэлектронов зависит от частоты падающего света и материала фотокатода и не зависит от интенсивности падающего светового потока.
3 Для каждого материала фотокатода существует красная граница фотоэффекта − наименьшая частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается.
Классическая
ф
изика
смогла объяснить только первый из
законов. Полное объяснение фотоэффекта
дал Эйнштейн в 1915году, развив идеи Планка
о квантовом характере излучения. Согласно
Эйнштейну свет не только испускается,
но и поглощается отдельными квантами
с энергией Е=h.
Уравнение Эйнштейна представляет собой
закон сохранения энергии для элементарного
акта фотоэффекта. Энергия кванта света,
падающего на поверхность металла,
расходуется на совершение работы выхода
электрона из металла и на сообщение
электрону кинетической энергии:
h
= Авых
+
, (14.5)
где Авых – работа выхода электрона из металла, m и Vmax – масса и максимальная скорость фотоэлектронов.
Работой выхода электронов из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он сумел вылететь из металла. Работа выхода редко превышает несколько электронвольт, поэтому при больших энергиях фотона работой выхода можно пренебречь.
Существование красной границы может быть объяснено только с квантовых позиций. Фотоэффект наблюдается том случае, когда энергия падающего кванта света не менее работы выхода электрона из металла.
кр= А вых / h ; кр= hc / A вых (14.6)
На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в науке и технике. Практически невозможно указать отрасли производства, где не использовались бы фотоэлементы, преобразующие энергию излучения в электрическую. Различные виды фотоэффекта используются в производстве для контроля, управления и автоматизации различных процессов, в технике звукового кино, в системах связи и т.д. Студентам предлагается разобраться в этом вопросе самостоятельно.
3 Давление света. Фотоны
Согласно идеям квантовой физики свет испускается, распространяется и поглощается дискретными порциями (квантами). Эти порции электромагнитного излучения называются фотонами.
Энергия, масса и импульс фотона зависят от его частоты и выражаются следующими соотношениями
Е = h, m = h /c, p = h /c. (14.7)
Фотон представляет собой элементарную частицу, которая в любой системе отсчета движется со скоростью света и имеет массу покоя, равную нулю.
Поскольку
фотоны обладают импульсом, свет, падая
на любую поверхность, оказывает на него
давление. Рассчитаем
с точки зрения квантовой теории световое
давление, оказываемое на поверхность
тела потоком монохроматического
излучения с частотой ν, падающего
перпендикулярно поверхности. Если в
единицу времени на единицу площади
поверхности тела падает N
фотонов, то при коэффициенте отражения
ρ света от поверхности тела ρN
фотонов отразится, а (1−ρ)N
фотонов поглотится. Каждый поглощенный
фотон передает поверхности импульс
,
а каждый отраженный передает импульс
.
Давление света на поверхность равно
импульсу, который передают поверхности
за одну секунду все N
фотонов:
.
,
есть энергия всех фотонов, падающих на
единицу поверхности в единицу времени,
т.е. энергетическая освещенность
поверхности,
— объемная плотность энергии излучения.
Поэтому давление, производимое светом
при нормальном падении на поверхность,
(14.8)
Формула (14.9), выведенная на основе квантовых представлений, совпадает с выражением, получаемым из электромагнитной (волновой) теории Максвелла. Из этой формулы, в частности, следует, что давление света на зеркальную поверхность (ρ=1) вдвое больше, чем на зачерненную (ρ=0).
Давление света было экспериментально определено в опытах П.Н. Лебедева.