Электронная теория дисперсии света

В электронной теории дисперсия рассматривается как результат взаимодействия электромагнитных волн с заряженными частицами, входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания в переменном электромагнитном поле волны. . Для оптической области спектра: µ~1 и .

Диэлектрическая проницаемость, по определению, равна: . Следовательно

. Из этого следует что имеет место электронная поляризация – вынужденные колебания электронов под воздействием электрической составляющей поля волны. Можно считать что вынужденные колебания совершают только внешние (оптические) электроны. Если концентрация атомов равна , то P= p= ex. Тогда . Необходимо определить смещение электрона под действием поля волны. Уравнение вынужденных колебаний электрона: . Его решение: x=A , где A= . Подставляя в , получаем:

.

ВЫВОД ЗАКОНА ПРЕЛОМЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПРИНЦЕПА ГЮГЕНСА

; CB=AB·sinα; AD=AB·sinβ; ; = n;

РАЗЛОЖЕНИЕ БЕЛОГО СВЕТА В ПРИЗМЕ

Sinβ= . Белый свет не имеет длины волны, т.к. это набор из разных цветовсо своей длиной волны.

ВЫВОД ЗАВИСИМОСТИ ОТКЛОНЕНИЯ ЛУЧЕЙ В ПРИЗМЕ ОТ ПАРАМЕТРОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Закон преломления: n= , отсюда sinα=nsinβ. Для малых углов sinα~α; sinβ~β ;

; ; Вертикальные углы: => ; => ;

( ) = ; ;

ЗАКОН БУГЕРА (закон поглощения света): , где , I -интенсивности света на входе (х=0) и выходе из слоя среды толщины х, a-коэффициент поглощения

КОЭФИЦИЭНТЫ ПОГЛОЩЕНИЯ В РАЗНЫХ ФАЗАХ ВЕЩЕСТВА

1. Одноатомные газы и пары металлов. α~0, спектр поглощения линейчатый;

2. Молекулы и кристаллы. α≠0, спектр полосатый и очень мал;

3. Диэлектрики. α мал, спектр сплошной. В диэлектриках нет свободных электронов, поэтому в резонанс входят все электроны атомов.

4. Металлы. α велик, чем выше проводимость металла, тем сильнее поглощение света.

ЗАКОН РЭЛЕЯ

гласит, что интенсивность рассеиваемого средой света обратно пропорциональна 4-й степени длины волны падающего света в случае, когда среда состоит из частиц-диэлектриков, размеры которых много меньше длины волны.

ПРИМЕНЕНИЕ – НЕФЕЛОМЕТРИЯ, ТУРБИДИМЕТРИЯ

Нефелометрия — определение концентрации вещества по интенсивности светового потока, рассеиваемого взвешенными частицами. Нефелометрия позволяет, например, определять с помощью приборов нефелометров молекулярную массу полимеров. Турбидиметрия— метод количественного химического анализа. Принцип метода основан на измерении интенсивности света определённой длины волны, прошедшего через кювету содержащую коллоидный раствор, чаще всего через суспензию, образованную частицами определяемого вещества. Применение: в химии для определения кол-ва веществ выпавших в осадок, в биологии для подсчета количества клеток в растворе, в биохимии для изучения агрегации белков.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Спектр теплового излучения – сплошной. зависит от температуры. – энергетическая светимость. , r-спектральная плотность.

Поглощающая способность: ; А=1 => абсолютно чёрное тело; А≠1 => серое тело.

ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Закон Кирхгофа. Отношение спектральной плотности к поглощающей способности не зависит от природы тела, а является абсолютно универсальной функцией температуры.

Для чёрного: А=1 => Для серого: А≠1 =>

Закон Стефана-Больцмана. ; δ=5,67· .

Закон смещения Вина.

; ɓ=0,29· .

УЛЬТРАФИОЛЕТАВАЯ КАТАСТРОФА — физический термин, описывающий парадокс классической физики, состоящий в том, что полная мощность теплового излучения любого нагретого тела должна быть бесконечной. Название парадокс получил из-за того, что спектральная плотность мощности излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны.

КВАНТОВАЯ ГИПОТЕЗА ПЛАНКА — при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию ε, пропорциональной частоте ν излучения: , где h или — коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка.

ОПТИЧЕСКАЯ ПИРОМЕТРИЯ - совокупность методов определения высоких температур, основанных на измерении интенсивности излучения света нагретым телом. Методы пирометрии оптической не требуют непосредственного контакта аппаратуры с исследуемым телом, позволяют измерять высокие температуры, температуры удаленных тел.

ТЕПЛОВЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА, ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА.

Тепловые источники света используют свойство тел излучать при нагревании лучистую энергию. При достаточно большой температуре это излучение переходит в область видимого — тело начинает светиться. Световое излучение увеличивается с увеличением температуры тела (лампа накаливания, солнце и др.). Люминесцентная лампа: в результате разряда возникает ультрафиолетовое излучение.

Газовая среда —> У.Ф. —> Видимый свет. Лампы высокого давления- уличные; Низкого давления- помещен.

Светодиод- непосредственно преобразовывает электрическую энергию в свет.

СХЕМА НАБЛЮДЕНИЯ ФОТОЭФЕКТА

Законы:

1. Число вырываемых из вещества катода электронов обратно пропорциональна длинне волны света.

2. Максимальная скорость электронов также обратно пропорциональна длине волны.

3. Для каждого вещества существует максимальная длина волны для которой возможен фотоэфект.

ВАХ ФОТОЭФЕКТА

Зависимость силы фототока от приложенного напряжения между электродами (при неизменном световом потоке);

УРАВНЕНИЕ ЭЙЩТЕЙНА

Если энергия фотона равна или превышает работу выхода, то электрон вылетает из металла. При этом часть энергии фотона тратится на совершение работы выхода , а остальная часть переходит в кинетическую энергию фотоэлектрона: , — уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

ОПЫТ МИЛЛИКЕНА

Экспериментальная установка представляет собой большой и емкий плоский конденсатор из двух металлических пластин с камерой между ними. Этот опыт крайне трудоёмок. С помощью этого опыта удалось определить заряд электрона: он приблизительно равен кулонов.

ОПЫТ БОТЭ

В этом опыте тонкая металлическая фольга Ф освещалась рентгеновскими лучами малой интенсивности, вызывающими в фольге слабую рентгеновскую флюоресценцию. Рентгеновское излучение от фольги попадало на два счетчика ионизирующего излучения Сч1 и Сч2 (счетчики Гейгера). Чувствительность таких счетчиков настолько велика, что они могут регистрировать отдельные рентгеновские кванты. Срабатывая, счетчики приводили в действие механизмы самописцев М1 и М2, делающие отметки на движущейся ленте Л. В результате получено, что отметки на ленте от двух самописцев, связанные с моментами попадания в счетчики рентгеновских квантов, абсолютно случайны. Этот факт можно было объяснить лишь беспорядочным попаданием рентгеновских квантов, рассеиваемых фольгой то в одном, то в другом направлении, тогда как согласно волновым представлениям излучение от источника должно распространяться равномерно во все стороны.

ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы — приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую (вакуумный фотоэлемент, фотоэлектронные умножители, фотосопротивления, вентильные фотоэлементы).

СХЕМА НАБЛЮДЕНИЯ КОМПТОН-ЭФФЕКТА. ФОРМУЛЫ

Комптон-эффект — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами. , где θ — угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и после рассеяния). Перейдя к длинам волн: , где — комптоновская длина волны электрона. Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. Эффект Комптона подтверждает существование фотонов, а также является ещё одним доказательством справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц.

Эффектом, обратным эффекту Комптона, является увеличение частоты света, претерпевающего рассеяние на релятивистских электронах, имеющих энергию выше, чем энергия фотонов. То есть в процессе такого взаимодействия происходит передача энергии от электрона фотону. Энергия рассеянных фотонов определяется выражением: , где и — энергия рассеянного и падающего фотонов соответственно, K — кинетическая энергия электрона.

ЭФФЕКТ КОМПТОНА НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

; ;

- энергия налетающих фотонов; - энергия покоя электронов;

E- энергия электронов отдачи; - энергия рассеивания фотона.

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА НА ОСНОВЕ ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ

С точки зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность, электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА НА ОСНОВЕ КОРПУСКУЛЯРНОЙ…

Если рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами — оказывать давление.

ОПЫТ ЛЕБЕДЕВА, РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

Радиометрический эффект — проявление действия силы отталкивания между двумя поверхностями, поддерживаемыми при разных температурах и помещенными в разреженный газ.

Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов (платина, алюминий, никель) и слюды. Крылышки подвешивались на тонкой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного сосуда из которого выкачивался воздух. На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги. Перемещение зеркал давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрические силы и обнаружить давление света на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить.