Контрольные вопросы к теме «Тепловое излучение»

1. Какова природа теплового излучения и люминесценции? Какое из этих излучений является равновесным? Объясните.

2. Дайте определения понятий: а) энергетической светимости тела ; б) испускательнойи поглощательнойспособностей нагретого тела.

3. Какое тело называется: а) абсолютно черным; б) серым?

4. Можно ли Солнце считать абсолютно черным телом?

5. Сформулируйте законы Стефана–Больцмана и Вина.

6. Изобразите график зависимости испускательной способности абсолютно черного тела от длины волны при нескольких постоянных значениях температуры.

7. Какую гипотезу выдвинул М. Планк при выводе формулы для испускательной способности абсолютно черного тела? Каков смысл постоянной Планка?

8. Объясните последовательность изменения цвета твердого тела при его нагревании.

2.6. Фотоэффект

При облучении металлов электромагнитным излучением может происходить вырывание электронов с их поверхности. Это явление называется внешним фотоэффектом. Основные наблюдаемые свойства фотоэффекта получили объяснение в законах Эйнштейна и Столетова.

Закон Эйнштейна связывает максимальную кинетическую энергию вырываемых электронов с энергией кванта света, падающего на поверхность металла,

(37)

где A – работа выхода электрона из металла.

Закон Столетова связывает фототок насыщения, пропорциональный числу вырванных электронов, с величиной светового потока Ф, который, в свою очередь, пропорционален числу падающих на поверхность металла квантов света (фотонов) N,

. (38)

Уравнение Эйнштейна (37), в частности, объяснило наблюдаемое свойство фотоэффекта: при частоте падающего на металл света (– «красная граница фотоэффекта») электроны не вырываются, а для прекращения фототока необходимо приложить задерживающую разность потенциалов, в которой электроны полностью теряют свою кинетическую энергию:

2.7. Эффект Комптона

Облучая различные вещества рентгеновскими лучами (электромагнитные волны, длина которых ). А.Комптон обнаружил, что в рассеянном излучении присутствуют всевозможные длины волн , причем эти длины волн связаны с направлением рассеяния. Обнаруженный эффект необъясним с точки зрения классической теории электромагнитных волн Максвелла. Комптон предположил, что в условиях эксперимента взаимодействие электромагнитной волны с веществом можно описать с помощью представления волны в виде потока квантов света – фотонов. Фактически каждый акт рассеяния рентгеновских лучей есть акт упругого столкновения двух частиц: свободного электрона и фотона.

Р

Рис. 19. Эффект Комптона

ассмотрим такое столкновение более подробно (рис. 19). Пусть на первоначально покоящийся электрон налетает фотон с энергиейи импульсом, где– частота фотона,– волновой вектор (число) фотона. Энергия электрона до столкновения равна, импульс равен нулю.

После столкновения электрон будет иметь энергию и импульс. Энергия и импульс фотона после столкновения равны соответственнои. Законы сохранения релятивистских энергии и импульса дают

Из второго уравнения находим

. (39)

Переписывая первое уравнение в виде: =, раскрывая квадрат и производя сокращения, находим (учитывая, что)

. (40)

Решая совместно уравнения (39) и (40), получаем . Переходя от волновых чиселk к длинам волн и вводя обозначение, приходим к формуле Комптона

. (41)

Величина называется комптоновской длиной волны для электрона. Наконец, рассмотрим задачу, иллюстрирующую эффект Комптона.

Задача 9. В результате эффекта Комптона фотон при соударении с электроном был рассеян на угол θ = 90º. Энергия рассеянного фотона . Определить энергию фотонадо рассеяния.

Анализ и решение. Для определения энергии первичного фотона воспользуемся формулой Комптона (41). Выразим в этой формуле изменение длины волны через энергииисоответствующих фотонов, воспользовавшись формулой. После простыхпреобразований находим: . Выразим из этой формулы искомую энергию. Вычисления удобно проделать во внесистемных единицах. Энергия покоя электрона, выраженная в электрон-вольтах, равна. Подставляя в конечную формулу численные значения известных величин, находим.