3. Критерий Рэлея. Разрешающая сила дифракционной решётки

Одной из основных характеристик спектрального прибора (будь то дифракционная решётка или призма) является его разрешающая сила. Разрешающая сила спектрального прибора определяется безразмерной величиной

(9.12)

Здесь: δλ — минимальная разность длин волн двух спектральных линий, при которой спектральный аппарат разрешает эти линии, т.е. позволяет их рассмотреть на экране наблюдения раздельно.

Выясним, от чего зависит разрешающая сила дифракционной решётки.

Согласно критерию Рэлея спектральные линии с длинами волн λ и λ’ = λ+ δλ будут разрешены, если главный максимум для одной длины волны совпадает с первым дифракционным минимумом в том же порядке для другой длины волны (рис. 9.5.б).

Рис. 9.5

Условие m-го максимума для волны λ’ = λ + δλ:

d sin φ_max = m (λ + δλ) (9.13)

Условие первого минимума, ограничивающего m-ый максимум волны λ:

(9.14)

В случае минимальной разности длин волн δλ, условия (9.13) и (9.14) описывают одну и ту же точку экрана, т.е. dsin φ_max=dsin φ_{min .}

Иными словами, условие Рэлея позволяет записать следующее равенство:

или

Отсюда следует, что разрешающая сила дифракционной решётки зависит только от числа её щелей (N) и от номера (m) спектра, в котором разрешаются спектральные линии.

(9.15)

Итог лекции 9.

1. Распределение интенсивности за дифракционной решеткой:

.

Условие главных максимумов:

dsinφ = ±mλ, (m= 0, 1, 2, 3...),

.

Угловая ширина нулевого максимума:

.

2. Разрешающая сила спектрального прибора:

.

Разрешающая сила дифракционной решетки: .

Лекция 10 «Экспериментальные основы квантовой механики»

План лекций

1. Равновесное тепловое излучение.

1.1 Тепловое излучение абсолютно черного тела.

1.2 Классические теории Вина и Рэлея-Джинса. «Ультрафиолетовая катастрофа»

1.3 Гипотеза Планка.

2. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна.

2.1 Опыты Столетова.

2.2 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

К концу 19 века успехи классической механики и классической электродинамики были ошеломляющими. Казалось, что область применимости этих двух теорий безгранична.

На безоблачном горизонте физики оставалось только несколько легких облачков – нерешенных задач. Среди них – особенности теплового излучения черных тел, свойства фотоэффекта. Ждали своего объяснения и закономерности атомных спектров…

Мало кто сомневался, что эти загадки природы будут решены в ближайшее время. И уж, конечно, никто не мог предположить, что для решения этих задач придется создать принципиально новую физику – квантовую механику.

1. Равновесное тепловое излучение

0. Тепловое излучение абсолютно черного тела

Тепловое излучение — это испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии излучающих тел. Количественно этот процесс характеризуется энергетической светимостью, т.е. энергией, излучаемой в единицу времени единичной поверхностью излучающего тела. Энергетическую светимость измеряют в .

. (10.1)

Тепловое излучение происходит в широком диапазоне частот электромагнитных волн.

Энергия, излучаемая в диапазоне частот от ω до (ω +dω), пропорциональна ширине диапазонаdω:

.

Здесь: —испускательная способностьтела.

При заданной неизменной температуре Т, энергетическую светимость тела легко связать с его испускательной способностью

. (10.2)

Подобно испускательной способности, вводиться понятие поглощательная способность тела

. (10.3)

В этом определении dΦ_ω— поток лучистой энергии, падающий на элементарную площадкуdSповерхности тела (рис. 10.1). Эта энергия принесена электромагнитными волнами в диапазоне частот от ω до (ω+dω)

Часть этого потока отражается, а другая часть— поглотиться поверхностью.

Поглощательная способность a(ω,T), также как и излучательная —r(ω,T), является функцией температуры тела и частоты излучения.

Тела, поглощающие всё падающее на них излучение, называются абсолютно черными. Поглощательная способность таких тел равна, конечно, единице a_ч.т. = 1.

Рис. 10.1

Термин «абсолютно черное тело» ввел в 1860 году немецкий физик Кирхгоф. Он же установил, что в условиях термодинамического равновесия такое тело излучает столько же энергии, сколько и поглощает.

При этом отношение испускательной и поглощательной способностей тела не зависит от его природы и является для всех тел одной и той же функцией частоты и температуры (закон Кирхгофа).

(10.4)

Поскольку поглощательная способность абсолютно черного тела равна единице (a_ч.т. = 1), универсальная функция Кирхгофа совпадает с излучательной способностью такого тела.

Однако в природе не встречаются абсолютно черные тела. Даже сажа отражает некоторую часть падающего на неё излучения.

Удовлетворительной моделью абсолютно черного тела считается небольшое отверстие в полом предмете (рис. 10.2). Внутреннюю поверхность такого предмета нужно выкрасить в черный цвет. Излучение, падающее на поверхность отверстия, проникает в полость и в результате многократных отражений фактически нацело поглощается.

Рис. 10.2

Многие ученые в начале прошлого века экспериментально исследовали тепловое излучение абсолютно черных тел.

Опыты Люммера в видимой части излучения, исследования Бекмана и Пашена — в инфракрасной а Байша — в ультрафиолетовой области позволили установить универсальную функцию Кирхгофа при разных температурах и в разных областях излучаемого спектра.

Экспериментальные кривые излучения абсолютно черного тела при различных температурах приведены на рис. 10.3.

Рис.10.3

Обрабатывая эти экспериментальные результаты, профессор Венского университета Иозеф Стефан в 1883 году установил, что интегральная светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

Годом позже другой венский физик – Людвиг Больцман – доказал, что закон Стефана есть прямое следствие законов в классической термодинамики.

Закон Стефана-Больцмана:

. (10.5)

Как следует из графиков рис 10.3, с повышением температуры абсолютно черного тела, максимум его излучательной способности смещается в область более коротких волн (высоких частот).

Эту закономерность излучения черного тела Вильгельм Вин сформулировал в виде следующего закона:

Произведение абсолютной температуры черного тела на длину волны, соответствующую максимуму излучения, постоянно (Закон смещения Вина)

(10.6)

Таковы основные закономерности излучения абсолютно черного тела, экспериментально установленные в начале прошлого века.