- •Федеральное агентство морского и речного транспорта
- •Предисловие
- •Лекция 1 Элементы геометрической оптики.
- •Основные законы геометрической оптики.
- •Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью собирающей линзы.
- •Лекция 2 Волновая оптика
- •Интерференция света.
- •Получение когерентных источников. Оптическая разность хода.
- •Расчет интерференции в опыте Юнга.
- •Лекция 3. Интерференция света
- •Интерференция в тонких пленках
- •2. Кольца Ньютона
- •3. Применение интерференции
- •Лекция 4. Дифракция света
- •Принцип Гюйгенса – Френеля.
- •Дифракция Френеля на круглом отверстии.
- •Дифракция Френеля на небольшом диске.
- •Лекция 5 Дифракция Фраунгофера
- •Дифракция от одной прямоугольной щели
- •Дифракционная решетка
- •Голография
- •Лекция 6 Поляризация света
- •Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация света при отражении. Закон Брюстера.
- •Явление двойного лучепреломления и его особенности. Дихроизм.
- •Природа двойного лучепреломления.
- •Применение поляризованного света.
- •Лекция 7 Распространение света в веществе
- •Дисперсия света.
- •Поглощение света.
- •Рассеяние света.
- •Лекция 8 Тепловое излучение
- •Характеристики теплового излучения.
- •2. Поглощательная и отражательная способности тел.
- •3. 3Аконы теплового излучения.
- •4. Оптическая пирометрия
- •Лекция 9 Фотоэффект
- •Законы внешнего фотоэффекта
- •Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
- •Фотон и его свойства
- •Эффект Комптона
- •Люминесценция, фотолюминесценция и ее основные закономерности
- •Физические принципы устройства приборов ночного видения
- •Лекция 10 Теория атома водорода по Бору
- •Линейчатый спектр атома водорода
- •Модели атома Томсона и Резерфорда
- •Постулаты Бора
- •Спектр атома водорода по Бору
- •Лекция 11 Элементы квантовой механики
- •Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Гипотеза де Бройля.
- •Природа волн де Бройля
- •Соотношение неопределенностей Гейзенберга
- •Уравнение Шредингера. Волновая функция.
- •Физический смысл волновой функции
- •Лекция 12 Атом водорода в квантовой механике
- •Уравнение Шредингера для атома водорода
- •Квантовые числа.
- •Спин электрона.
- •Лекция 13 Оптические квантовые генераторы
- •Физические основы работы окг. Спонтанное и индуцированное излучение.
- •Термодинамическое равновесие. Нормальная населенность уровней.
- •Неравновесное состояние. Инверсия населенности уровней.
- •Рубиновый лазер
- •Газовый лазер
- •Лекция 14 Атомное ядро и основы ядерной энергетики
- •Состав и характеристики ядра
- •Энергия связи и дефект масс
- •Ядерные силы
- •Радиоактивность
- •Лекция 15
- •Реакция деления тяжелых ядер
- •Цепная реакция деления
- •Управляемая цепная реакция. Ядерные реакторы.
- •Термоядерная реакция синтеза легких ядер
- •Принципиальная схема устройства термоядерной бомбы
- •Проблемы управления термоядерной реакцией
- •Лекция 16 Элементарные частицы
- •Космические лучи
- •Элементарные частицы
- •Основные свойства.
- •Характеристики элементарных частиц.
- •Мюоны и их свойства.
- •Мезоны и их свойства.
- •Частицы и античастицы
- •Классификация элементарных частиц. Кварки.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
В 1905 году Эйнштейн объяснил законы фотоэффекта с помощью предложенной им квантовой теории. Свет частотой не только излучается, как это предполагал Планк, но и поглощается веществом определенными порциями (квантами). Свет это поток дискретных световых квантов (фотонов), движущихся со скоростью света. Энергия кванта равна. Каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных электронов должно быть пропорционально интенсивности света (1 закон фотоэффекта).
Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии:
(2) |
Уравнение (2) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить второй и третий законы фотоэффекта. Из уравнения (2) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия возрастает с увеличением частоты падающего света. С уменьшением частоты кинетическая энергия уменьшается и при некоторой частоте она становиться равной нулю и фотоэффект прекращается (). Отсюда
, |
(3) |
- красная граница фотоэффекта, она зависит лишь от работы выхода электрона из металла (то есть от химической природы вещества).
Рассмотренный выше фотоэффект – однофотонный. С развитием лазерной техники был получен многофотонный фотоэффект.
При облучении катода мощным лазерным пучком, электрон поглощает несколько фотонов:
, |
(4) |
где - число поглощенных фотонов.
При этом красная граница фотоэффекта сдвигается в сторону меньших частот:
. |
(5) |
Кроме внешнего фотоэффекта известен еще и внутренний фотоэффект. При облучении твердых и жидких полупроводников и диэлектриков электроны из связанного состояния переходят в свободное, но при этом не вылетают наружу. Наличие свободных электронов приводит к возникновению фотопроводимости. Фотопроводимость это увеличение электропроводности вещества под действием света.
Фотон и его свойства
Явления интерференции, дифракции, поляризации можно объяснить только волновыми свойствами света. Однако фотоэффект и тепловое излучение – только корпускулярными (считая свет потоком фотонов). Волновое и квантовое описание свойств света дополняют друг друга. Свет одновременно волна и частица. Основные уравнения, устанавливающие связь между волновыми и корпускулярными свойствами следующие:
или |
(6) |
и
(7) |
и- величины характеризующие частицу,и- волну.
Массу фотона найдем из соотношения (6): .
Фотон – это частица, которая всегда движется со скоростью света и имеет массу покоя равную нулю. Импульс фотона равен: .
Эффект Комптона
Наиболее полно корпускулярные свойства проявляются в эффекте Комптона. В 1923 году американский физик Комптон исследовал рассеяние рентгеновских лучей на парафине, атомы которого легкие.
Рассеяние рентгеновских лучей с волновой точки зрения связано вынужденными колебаниями электронов вещества, так что частота рассеянного света должна совпадать с частотой падающего света. Однако в рассеянном свете обнаружилась большая длина волны .не зависит от длины волны рассеиваемых рентгеновских лучей и от материала рассеивающего вещества, но зависит от направления рассеивания. Пусть- угол между направлением первичного пучка и направлением рассеянного света, тогда, где(м).
Этот закон верен для легких атомов (,,,) имеющих электроны, слабо связанные с ядром. Процесс рассеяния можно объяснить упругим столкновением фотонов с электронами. Под действием рентгеновских лучей электроны легко отделяются от атома. Поэтому можно рассматривать рассеяние свободными электронами. Фотон, имеющий импульс, сталкивается с покоящимся электроном и отдает ему часть энергии, а сам приобретает импульс(рис.3).
Рис.3. |
Используя законы сохранения энергии и импульса для абсолютно упругого удара, получим для выражение:, которое совпадает с экспериментальным, при этом, что и доказывает корпускулярную теорию света.