30. Фотоэффект

Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта: Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.

• частица (с квантовым числом L>0) имеет бесконечное число возбужденных состояний. Благодаря наличию переменного электромагнитного поля элементарные частицы обладают волновыми свойствами.

Как мы видим, полевая теория охватывает все элементарные частицы и объясняет их строение исходя из реально существующих в природе полей, действуя в рамках законов природы. Квантовая теория вынуждена была стать на путь игнорирования закона сохранения энергии, поскольку переносчики взаимодействий (постулированных квантовой теорией) в природе не существуют.

В свое время квантовая теория заполнила собой вакуум, возникший в физике в связи с временными трудностями полевой теории элементарных частиц. Теперь, когда полевой теории элементарных частиц удалось построить научную картину микромира - монопольному господству квантовой теории в физике пришел

Классификация элементарных частиц

Классификация элементарных частиц в квантовой теории

С точки зрения квантовой теории все элементарные частицы делятся на два класса:фермионы - элементарные частицы с полуцелым спином;бозоны - элементарные частицы с целым спином.

По видам взаимодействий квантовая теория разделяет элементарные частицы на следующие группы:

• адроны - элементарные частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий;

• лептоны - фермионы, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

• калибровочные бозоны - фотон, промежуточные векторные бозоны и предполагаемые переносчики взаимодействий.

Здесь указаны предполагаемые, но не найденные в природе: кварки, глюоны, гравитон, бозон Хиггса, но не указаны мезоны и барионы, поскольку квантовая теория не считает данные элементарные частицы истинно элементарными. Кроме того часть векторных мезонов квантовая теория отнесла к элементарным частицам поскольку она считает, что они являются переносчиками слабого взаимодействия (постулированного квантовой теорией) - это W- и Z-бозоны. Остальные векторные мезоны квантовая теория не считает элементарными частицами.

.

С точки зрения полевой теории элементарных частиц все элементарные частицы делятся на группы по квантовому числу L лежащему в основе спина. Из бесконечного

В отраженном свете оптическая разность хода (с учетом потери полуволны при отражении), согласно (32.9), при условии, что показатель преломления воздуха n = 1, а i = 0,

где d - ширина зазора. Из рис. 32.9 следует, что

R² = (R – d)² + r², где R - радиус кривизны линзы, r - радиус кривизны окружности, всем точкам которой соответствует одинаковый зазор d. Учитывая, что d мало, получим Следовательно,

(32.12)

Приравняв (32.12) к условиям максимума (32.3) и минимума (32.4), получим выражения для радиусов m-го светлого кольца и m-го темного кольца соответственно

(m = 0,1,2,...), - светлое кольцо,

(m = 0,1,2,…) – темное кольцо.

Измеряя радиусы соответствующих колец, можно (зная радиус кривизны линзы Л), определить _о и, наоборот, по известной _о найти радиус кривизны R линзы.

Как для полос равного наклона, так и для полос равной толщины положение максимумов зависит от длины волны _о. Поэтому система светлых и темных полос получается только при освещении монохроматическим светом. При наблюдении в белом свете получается совокупность смещенных друг относительно друга полос, образованных лучами разных длин волн, и интерференционная картина приобретает радужную окраску.

Все рассуждения параграфа были проведены для света, отраженного от оптически более плотной среды, с учетом изменения фазы отраженного колебания на , для чего и вводилась величина /2.

Интерференцию можно наблюдать и в проходящем свете, причем в данном случае не наблюдается потери полуволны. Следовательно, оптическая разность хода для проходящего и отраженного света отличается на _о, т.е. математические выражения максимумов и минимумов меняются местами: максимумам интерференции в отраженном свете соответствуют минимумы в проходящем и наоборот.

21. Электронный механизм возникновения ЭДС индукции.

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекратится. Для того чтобы поддерживать ток достаточно длительное время, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом ₂ (носители заряда предполагаются положительными) непрерывно отводить приносимые сюда током заряды, а к концу с большим потенциалом ₁ непрерывно их подводить (рис.20.1).

₁ ₂

Рис. 20.1. К понятию ЭДС.

Иными словами, необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути. Циркуляция вектора электростатического поля к равна нулю . Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания , должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания , т. е. против сил электростатического поля (см. изображенную пунктиром часть цепи на рис.20.1). Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках. Они могут быть обусловлены силами механического происхождения, химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми меняющимися во времени магнитными полями, и т.д.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Величина, равная работе сторонних сил, отнесенной к единице положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) Е, действующей в цепи или на ее участке. Следовательно, если работа сторонних сил над зарядом q равна А, то по определению

Е = А/q. (20.6)

Из сопоставления формул для потенциала и ЭДС вытекает, что размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала. Поэтому Е измеряется в тех же единицах, что и  - в вольтах (В).

Стороннюю силу f_ст действующую на заряд q, можно представить в виде

велись работы по созданию квантовой теории поля, которые и вышли на передний план. В основе квантовой теории лежит утверждение, что взаимодействия носят дискретный характер и передаются с помощью переносчиков – квантов. Но реально в природе были обнаружены только фотон и другие элементарные частицы. Поэтому в качестве не обнаруженных переносчиков взаимодействий элементарных частиц были выбраны сами элементарные частицы, которым приписывалась возможность временного существования и в виртуальном состоянии в нарушение закона сохранения энергии. Ну а поскольку существование виртуальных частиц кратковременное то доказать или опровергнуть экспериментально данное утверждения не представляется возможным.

Так вот квантовая теория утверждает, что элементарные частицы имеют сложную структуру и состоят из кварков. В качестве математического обоснования гипотезы кварков была разработана унитарная симметрия. Но кварки в свободном виде не были обнаружены, ни при каких энергиях и тогда квантовой теории пришлось придумать механизм препятствующий появлению кварков в свободном виде. Для этого глюоны (предполагаемые переносчики сильных взаимодействий также не найденные в природе) были наделены уникальными свойствами (конфайнмент) – способностью создавать себе подобных при движении (такой способностью не обладает ни одна элементарная частица). Понятно, что закон сохранения энергии опять был проигнорирован.

Несмотря на определенный успех квантовой теории работы над полевой теорией элементарных частиц не прекращались. Прогресс в данном направлении наметился в середине 70-х годов прошлого века, когда была сделана попытка объединить классику с не противоречащей ей частью квантовой механики. Так в результате ввода квантовых чисел удалось получить правильный спектр основных состояний элементарных частиц (включающий фотон, лептоны без тау-лептона, мезоны, барионы, векторные мезоны). Стало ясно, что данное направление является перспективным. Дальнейшая работа, подкрепленная развитием вычислительной техники и появлением компьютеров позволяющих рассчитывать взаимодействия магнитных полейпривела к значительному продвижению полевой теории элементарных частиц.

Теперь полевая теория элементарных частиц описывает весь спектр элементарных частиц, в котором естественно не нашлось места для кварков с глюонами. Кроме того она объяснила откуда берется электрический заряд элементарных частиц и почему он квантуется, магнитные поля элементарных частиц и чем на самом деле являются ядерные силы. Но самое главное – это то, что все законы природы действуют, в том числе и такой нелюбимый квантовой теорией закон сохранения энергии.

Подведем итог:

• Квантовая теория утверждает, что каждая элементарная частица участвующая в сильных взаимодействиях (адрон), состоит из кварков – но кварков не нашли ни при каких энергиях..

Полевая теория утверждает, что элементарные частицы (с квантовым числом L>0) состоят из вращающегося поляризованного переменногоэлектромагнитного поля с постоянной составляющей – с электромагнитными полями мы сталкиваемся на каждом шагу. Число элементарных частицбесконечно и каждая элементарная

помощью векторной диаграммы (рис.16.6), вещественная ось которой (ось Х) совпадает с осью токов. Длина каждого вектора на этой диаграмме дает амплитуду соответствующего напряжения, а угол, который составляет данный вектор с осью токов – сдвиг фазы по отношению к изменению силы тока в цепи.

Рис.16.6. Векторная диаграмма для последовательного RLC-контура.

Амплитуда суммарного напряжения на всех элементах контура, равная амплитуде Е₀ действующей в контуре ЭДС, является результатом векторного сложения символических напряжений   и  . Этот вектор образует с осью токов угол  , показывающий разность фаз между током и ЭДС. Тангенс этого угла равен:

.

28 вопрос.

Элементарные частицы (англ. Elementary particles) - мельчайшие неделимые объекты в микромире (в атомном, ядерном и субъядерном масштабе). Из элементарных частиц состоят атомы и атомные ядра. Экспериментально установлено, что элементарные частицы одновременно обладают корпускулярными и волновыми свойствами (корпускулярно-волновой дуализм).

С открытием элементарных частиц физика задалась вопросом об их количестве и строении. Пока элементарных частиц было открыто порядка 10 – каждая элементарная частица считалась истинно элементарной, и делались попытки объяснить строение элементарных частиц исходя из электромагнитного поля.

Векторную величину Е_ст называют напряженностью поля сторонних сил. Работу сторонних сил над зарядом q на всем протяжении замкнутой цепи можно выразить следующим образом:

Разделив эту работу на q_пр = +1, получим ЭДС, действующую в цепи:

Е = (20.6)

Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

Электродвижущая сила, действующая на участке 1 - 2, очевидно, равна

Е₁₂ = (20.7)

Кроме сторонних сил на заряд действуют силы электростатического поля f_Е = qЕ. Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд q, равна

.

Работа, совершаемая этой силой над зарядом q на участке цепи 1 - 2, дается выражением

= qЕ₁₂ + q(₁ - ₂). (20.8)

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, так что A = qЕ..

Величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением U на данном участке цепи. В соответствии с формулой (20.8)

U₁₂ = ₁ - ₂ + Е₁₂. (20.9)

При отсутствии сторонних сил напряжение U совпадает с разностью потенциалов ₁ - ₂.

22. Дифракция Френеля.

Явление дифракции волн может быть объяснено с помощью принципа Гюйгенса. Однако принцип Гюйгенса не дает никаких указаний об амплитуде, а, следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся в различных направлениях. Этот недостаток был устранен Френелем, который дополнил принцип Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн. Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет найти амплитуду результирующей волны в любой точке пространства. С помощью усовершенствованного им принципа Френелю удалось дать удовлетворительное объяснение ряда дифракционных явлений, а также устранить одно из основных затруднений волновой теории света - показать, как согласуется волновая природа с наблюдающимся на опыте прямолинейным распространением света.

Пусть S на рис.33.1 представляет собой одну из волновых поверхностей света, распространяющегося от некоторого источника. Амплитуда светового колебания в точке Р, лежащей перед этой поверхностью, может быть согласно Френелю найдена из следующих соображений.

Р ис.33.1. К определению принципа Гюйгенса-Френеля.

Каждый элемент поверхности служит источником вторичной сферической волны, амплитуда которой пропорциональна величине элемента dS. Амплитуда сферической волны убывает с расстоянием r от источника по закону . Кроме того, с ростом r увеличивается угол , а так как амплитуда в т.Р меняется по закону А_Р~cos, то с ростом r и  наблюдается монотонное убывание амплитуды колебания в т.Р.

Вообще вычисления результатов дифракции в т.Р представляют чрезвычайно трудную задачу. Однако, как показал Френель, в симметричных случаях нахождение амплитуды результирующего колебания может быть осуществлено простым геометрическим или алгебраическим сложением.

Различают два случая дифракции. Если источник света и точка наблюдения Р расположены от препятствия настолько далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку Р, образуют практически параллельные пучки, говорят о дифракции Фраунгофера или о дифракции в параллельных лучах. В противном случае говорят о дифракции Френеля.