Современная физика

Элементы специальной теории относительности

Завершенность специальной теории относительности (или релятивистской механике, от «relative) придал Альберт Эйнштейн.

Принцип относительности Эйнштейна

Первая часть формулировки этого принципа – развитие принципа Галилея: вместо слов «механические опыты», «механические процессы и явления» нужно говорить «физические…». Эйнштейн дополнил обобщенную формулировку принципа следующим постулатом (утверждением без доказательства): скорость света в вакууме не зависит от скорости движения ни источника света, ни приемника, т.е. является константой ( ).

Относительность длины и времени

Пусть цилиндр, покоящийся в системе , движется с относительно . Тогда длина цилиндра , измеренная относительно («собственная» длина), и длина , измеренная относительно , не совпадают:

,

т.е. («собственная» длина максимальна).

Продольные размеры движущихся тел уменьшаются – лоренцевское сокращение длины.

Пусть в фиксированной точке системы произошло событие (например, зажгли и погасили спичку, лампу). Продолжительности этого события относительно ( - «собственное» время) и относительно

неодинаковы:

, т.е. («собственное» время минимально).

Релятивистский закон сложения скоростей

В классической механике все просто: вагон движется со скоростью , в нем идет в направлении движения вагона человек со скоростью . По отношению к перрону:

(т.е. ).

Если же и , и близки к , то их сумма получилась бы по классической формуле больше, чем , что невозможно. В этом случае используется формула:

,

получаемые с ее помощью значения всегда меньше, чем .

Взаимосвязь энергии и массы

Как показано в теории относительности, даже в состоянии относительного покоя тело (или частица) обладает энергией, которая называется энергией покоя и равна:

,

где - скорость света в вакууме.

Квантовая оптика

Этот раздел оптики изучает процессы и явления, обусловленные наличием у света квантовых свойств.

Фотоэффект и его законы

Внешний фотоэлектрический эффект – это испускание электронов веществами под действием света (т.е. это фотоэлектронная эмиссия).

Открыл его Генрих Герц, обнаружив, что для возникновения искрового разряда между ярко освещенными цинковыми шариками требуется меньше разность потенциалов, чем между неосвещенными.

Исследователи природы этого эффекта (Ф. Ленард, А.Г. Столетов, В. Гальвакс) установили закономерности, противоречащие предсказаниям волновой теории света, связать с вынужденными колебаниями электрона в переменном электрическом поле световой волны.

Противоречия были преодолены применением к свету новых (квантовых) представлений.

Эйнштейн, развивая гипотезу Планка, предположил, что свет не только испускается, но и распространяется, и поглощается веществом не сплошным потоком, а как совокупность квантов света (теперь называемых фотонами).

Уравнение, выражающее закон сохранения энергии в случае фотоэффекта (уравнение Эйнштейна):

,

где - предсказанное Планком выражение энергии фотона, в нем - постоянная Планка; - работа выхода электрона из вещества, т.е. работа по преодолению электроном удерживающих электрических сил; - масса электрона - максимальная скорость фотоэлектрона.

При рассмотрении света как совокупности множества фотоноф были объяснены закономерности фотоэффекта:

1) энергия пучка монохроматического света:

,

где - число фотонов в пучке. Электрон взаимодействует с одним фотоном из пучка, поэтому увеличение при неизменном не влияет на ;

2) с увеличением растет , а значит, и .

Экспериментаторы установили еще две закономерности.

а) Каждому веществу соответствует некоторое граничное значение длины волны, превышение которого ведет к исчезновению фотоэффекта. Это значение назвали «красной» (наиболее длинноволновой) границей фотоэффекта ( , или для частоты: ).

Уравнение Эйнштейна объясняет причину существования «красной» границы: ей соответствует граничная энергия:

.

При энергия фотона оказывается меньшей, чем .

б) Столетов установил еще одну закономерность фотоэффекта.

Закон Столетова: увеличение энергии света неизменной увеличивает силу фототока насыщения. Этот факт тоже объясним теорией Эйнштейна: увеличение энергии пучка света, имеющего длину волны , происходит за счет увеличения числа фотонов в пучке, что приводит к увеличению числа фотоэлектронов.