- •Министерство образования и науки Российской федерации
- •Часть I. Механика
- •Тема 1. Кинематика поступательного и вращательного движения. Кинематика поступательного движения
- •Кинематика вращательного движения
- •Тема 2. Динамика поступательного движения. Законы Ньютона
- •Тема 3. Работа. Кинетическая, потенциальная и полная энергия
- •Тема 4. Момент инерции твердого тела. Теорема Штейнера
- •Тема 5. Кинетическая энергия и работа вращательного движения Уравнение динамики вращательного движения твердого тела
- •Тема 6. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса
- •Тема 7. Механические колебания. Пружинный маятник
- •Тема 8. Гармонические колебания физического маятника
- •Тема 9. Механические волны
- •Тема 10. Механика жидкости. Уравнение Бернулли
- •Часть II. Молекулярная физика и термодинамика
- •Тема 1. Уравнение состояния идеального газа.
- •Тема 2. Термодинамические процессы. Изопроцессы.
- •Тема 3. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.
- •Тема 4. Распределение молекул идеального газа по скоростям.
- •Тема 5. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
- •Тема 6. Явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость).
- •Тема 7. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Работа. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.
- •Тема 8. Теплоемкость газа при изопроцессах. Уравнение Майера.
- •Тема 9. Адиабатический процесс.
- •Тема 10. Обратимый и необратимый процессы. Круговой процесс. Тепловая машина и цикл Карно.
- •Часть III. Электричество и магнетизм
- •Тема 2. Работа сил электростатического поля. Потенциал
- •Циркуляцией вектора напряженности электростатического поляпо произвольному замкнутому контуру l называется интеграл
- •Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля
- •Тема 4. Действие магнитного поля на проводник с током (закон Ампера) и на движущийся заряд (сила Лоренца)
- •Тема. 5. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля
- •Теорема Гаусса для магнитного поля
- •Тема. 6. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея
- •Тема 7. Циркуляция вектора магнитной индукции
- •Тема 8. Уравнения Максвелла для стационарных электрического и магнитного полей
- •I. ; II. ;
- •III. ; IV. .
- •Тема 8.Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
- •I. ; II. ;
- •Тема 9. Электромагнитные колебания в колебательном контуре
- •Тема 10. Электромагнитные волны
- •Часть IV.Волновая и квантовая оптика
- •Тема 1. Волновая теория света. Интерференция света
- •Условия интерференционного максимума и минимума
- •Тема 2. Дифракция света. Дифракция Френеля
- •Тема 3. Дифракция Фраунгофера
- •Тема 4. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах
- •Глава 5. Дисперсия и поляризация света
- •Тема 6. Корпускулярная оптика
- •Тема7. Тепловое излучение
- •Тема 8. Квантовая физика атома. Постулаты Бора
- •По теории Бора полная энергия электрона на n-ой орбите атома водорода:
Тема 6. Корпускулярная оптика
Согласно квантовой гипотезе Планка-Эйнштейна свет частотой n испускается, распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых eо=hn (h – постоянная Планка). Эти локализованные в пространстве дискретные световые кванты, движущиеся со скоростью с распространения света в вакууме, получили название фотонов. Таким образом, распространение света можно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток частиц – фотонов. Доказательством этих квантовых (корпускулярных) представлений о свете, как о потоке частиц, являются фотоэффект и эффект Комптона.
Внешним фотоэффектомназывается испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Явление внешнего фотоэффекта и его закономерности объяснены на основе квантовой теории фотоэффекта, согласно которой каждый квант света поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов пропорционально интенсивности света.
Энергия hn падающего на металл фотона расходуется на совершение электроном работы выходаАиз металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии, то есть по закону сохранения энергии:
(уравнение Эйнштейнадлявнешнего фотоэффекта).
Из этого уравнения следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности, то есть от числа фотонов. Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, то при некоторой частоте n=n0кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и в этом случае энергия фотона hn0равна работе выходаА, из чего следует, чтоn0=А/h(частотаn0носит названиекрасной границы фотоэффекта). При частоте n<n0 фотоэффекта не будет.
Масса и импульс фотона. Согласно квантовой гипотезе Планка-Эйнштейна, распространение света можно рассматривать как поток частиц – фотонов, энергия которыхe0=hn . Тогда из уравнения Эйнштейна взаимосвязи массы и энергииE=mc2следует, что масса фотона:
.
Поскольку фотон движется со скоростью света с, то импульс фотонар :
.
Следовательно, фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом. Полученные выражения связывают корпускулярныехарактеристики фотона – массу, импульс и энергию – сволновойхарактеристикой света – его частотойn(или длиной волныl).
Корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона.
Эффектом Комптонаназывается увеличение длины волны коротковолнового электромагнитного излучения при его упругом рассеянии на свободных электронах вещества. Опыты Комптона показали, что разность длин волн рассеянного (l') и падающего (l) электромагнитного излучения, то есть величинаDl=l'–lне зависит от длины волныlпадающего излучения и природы рассеивающего вещества (РВ), а определяется только углом рассеянияq, то есть углом между направлениями лучей до и после рассеяния (рис. 11):
,
где – комптоновская длина волны.
(При рассеянии фотона на электроне = 2,426 пм).
Эффект Комптона не укладывается в рамки волновой теории света, и его объяснение дано на основе квантовых (корпускулярных) представлений о природе света. Если считать, что излучение имеет корпускулярную природу, то есть представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона – это результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с законами их сохранения, что ведет к уменьшению энергии (или увеличению длины волны) фотона при его соударении с электроном (эффект Комптона).
Исходя из законов сохранения импульса и энергии, для упругого столкновения двух частиц (рис. 11) – налетающего фотона, обладающего импульсом и энергиейe =hn, с покоящимся свободным
электроном, было получено следующее выражение для увеличения длины волны фотона при его рассеянии на свободных электронах:
.
(На рисунке 11 введены следующие обозначения: pи p'– импульсы фотона до и после рассеяния;pe – импульс электрона после рассеяния на нем фотона).
Полученное на основе корпускулярных свойств света, выражение для величины Dlоказалось аналогично приведенному выше выражению для величиныDl, полученному Комптоном экспериментально. Следовательно, эффект Комптона является экспериментальным доказательством проявления корпускулярных свойств света как потока частиц – фотонов.
Единство корпускулярных и волновых свойств света и вещества. С одной стороны, рассмотренные явления фотоэффекта и эффекта Комптона служат доказательством квантовых (корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов, а, с другойстороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света подтверждают волновую природу света. Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, проявляет так называемый корпускулярно-волновой дуализм.
Развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальностикорпускулярно-волнового дуализма.Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами.
Cогласно гипотезе де Бройля с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны,корпускулярныехарактеристики, такие как энергияe и импульсp , а с другой стороны –волновые характеристики, такие как частотаnи длина волныl .Количественные соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как и для фотонов:
, .
Согласно гипотезе де Бройля любой частице, обладающей импульсом p,ставится в соответствие волновой процесс с длиной волны, определяемой поформуле де Бройля:.