Шпаргалка по "Физике"

16. Явление Тиндаля: Эффект Тиндаля, рассеяние Тиндаля — оптический эффект, рассеяние света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне.

Характерен для растворов коллоидных систем (например, золей, металлов, разбавленных латексов, табачного дыма), в которых частицы и окружающая их среда различаются по показателю преломления. На эффекте Тиндаля основан ряд оптических методов определения размеров, формы и концентрации коллоидных частиц и макромолекул.

Эффект  Тиндаля назван по имени открывшего его Джона Тиндаля.

 

 

17. Молекулярное  рассеивание:Особенный интерес представляют те случаи, когда мы не можем говорить о мутной среде в вышеупомянутом смысле слова, т. е. когда среда представляет собой жидкость (или газ), тщательно освобожденную от посторонних примесей или загрязнений. Обычная схема для наблюдения молекулярного рассеяния в газах и жидкостях, обеспечивающая устранение паразитного света, отраженного стенками сосуда, изображена на рис. 8.3.1. Здесь изображен источник интенсивного света, А-специальный сосуд, наполненный изу­чаемым веществом: свет, попавший в изогнутые в виде рогов зачерненные концы трубок, не может отразиться обратно к наблюдателю, а испытывает многократные отражения внутри трубок, постепенно поглощаясь в зачерненных стенках; W-призма Волластона, служащая для поляризационных измерений, О-фотокамера. Для опреде­ления интенсивности рассеянного света, т. е. определения того, какая часть световой энергии рассеивается в стороны, установка дополняется соответствующими приспособлениями.

При этом надо иметь в виду, что свет, вступающий в столб вещества, будет рассеиваться последовательно каждым слоем этого  вещества. А так как молекулярное рассеяние очень слабо, то световой поток, проникающий в более глубокие слои, практически не будет ослаблен, так что рассеяние будет пропорционально  толщине рассеивающего слоя, конечно, если последний не достигает очень  большой толщины, как это имеет  место, например, при рассеянии атмосферой.

 

 Рис. 8.3.1

 

18. Внешний фотоэффект:

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

 

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений  и эмитирующий электроны под  действием этого излучения.

 

Зависимость спектральной чувствительности от частоты  или длины волны электромагнитного  излучения называют спектральной характеристикой  фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта

Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения  пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально  интенсивности излучения):

  и 

Максимальная  начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего  света, а определяется только его  частотой.

Для каждого  вещества существует красная граница  фотоэффекта, то есть минимальная частота  ν0 света (зависящая от химической природы  вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Теория  Фаулера

 

Основные  закономерности внешнего фотоэффекта  для металлов хорошо описываются  теорией Фаулера. Согласно ей, после поглощения в металле фотона, его энергия переходит электронам проводимости, в результате чего электронный газ в металле состоит из смеси газов с нормальным распределением Ферми-Дирака и возбужденным (сдвинутым на hν) распределением по энергиям. Плотность фототока определяется формулой Фаулера:

 

Где , ,   — постоянные коэффициенты, зависящие от свойств облучаемого металла.

19. Корпускулярно-волновой дуализм

— принцип, согласно которому любой объект может  проявлять как волновые, так и  корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых  в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей  в квантовой теории поля.

Как классический пример, свет можно трактовать как  поток корпускул (фотонов), которые  во многих физических эффектах проявляют  свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в  явлениях дифракции и интерференции  при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные  фотоны, проходящие через двойную  щель, создают на экране интерференционную  картину, определяемую уравнениями  Максвелла.

Тем не менее, эксперимент показывает, что  фотон не есть короткий импульс электромагнитного  излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими  делителями лучей, что наглядно показал  эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

В настоящий  момент концепция корпускулярно-волнового  дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение  квантовых объектов, подбирая ему  аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими  частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.

 

20. Опыт Столетова

«Два  металлических диска («арматуры», «электроды») в 22 см диаметром были установлены  вертикально и друг другу параллельно  перед электрическим фонарем  Дюбоска, из которого вынуты все стекла. В фонаре имелась лампа с вольтовой дугой А. Один из дисков, близлежащий к фонарю, сделан из тонкой металлической сетки, латунной или железной, иногда гальванопластически покрытой другим металлом, которая была натянута в круглом кольце; другой диск сплошной (металлическая пластинка)».

 

Измерения производились зеркальным гальванометром G, источником тока В служили гальванические батареи из разного числа элементов. В опытах ученый менял знак заряда на металлической пластине с отрицательного на положительный, на пути световых лучей помещал непрозрачный экран (пластинку из картона, металла и др.), стеклянную пластинку. При этих производимых друг за другом исследованиях фотоэффект не наблюдался. Экраны из кварца, льда вследствие поглощения длинноволновой части излучения только ослабляли наблюдаемый эффект. Отсюда ученый делает вывод, что фотоэффект вызывается главным образом ультрафиолетовыми лучами. При прочих равных условиях фототок возрастал при зачистке поверхности отрицательного электрода и повышении его температуры. Для изучения зависимости фотоэффекта от освещенности поверхности электрода Столетов использовал метод прерывистого освещения. К описанной ранее экспериментальной установке был добавлен картонный круг с вырезанными окошками. Круг помещался между источником света S и конденсатором G. Площади окошек и промежутков между ними были одинаковы. Когда круг приводился во вращение (скорость вращения можно было изменять), на конденсатор падало наполовину меньше света, чем при неподвижном круге. При этом сила фототока также уменьшалась в два раза. Следовательно, сила фототока прямо пропорциональна величине светового потока. Такой же результат ученый получил, изменяя площадь освещаемой части отрицательной пластины. Эксперименты, кроме того, позволили установить, что световые лучи действуют мгновенно: фототок возникал и прекращался практически одновременно с началом и прекращением освещения конденсатора. Увеличение напряжения вело к возрастанию силы фототока до определенного значения (ток насыщения), затем он оставался постоянным.

Выводы  Столетова А.Г.

 

В результате проведенных в воздухе экспериментов  Столетов пришел к следующим выводам:

 

1. «1. Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность  отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд...

 

2. Это действие лучей есть строго униполярное, положительный заряд лучами не уносится.

 

3. Разряжающим действием обладают — если не исключительно, то с громадным превосходством перед  прочими — лучи самой высокой  преломляемости, недостающие в солнечном  спектре (λ = 295•10–6 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.

 

4. Для разряда лучами необходимо, чтобы  лучи поглощались поверхностью тела...

 

5. Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения  и моментом соответственного разряда  не протекает заметного времени.

 

6. Разряжающее действие, при одинаковых условиях, пропорционально энергии активных лучей, падающих на разряжаемую поверхность.

 

7. Каков бы ни был механизм активно-электрического разряда, мы вправе рассматривать его  как некоторый ток электричества...

 

8. Активно-электрическое  действие усиливается с повышением температуры»

 

 

21. Формула фотоэффекта:

Фотоэффект  был объяснён в 1905 году Альбертом  Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря  номинации шведского физика Карла  Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

где — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества),

    — кинетическая энергия вылетающего электрона, — частота падающего фотона с энергией , h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

22. Законы фотоэффекта:

Фотоэффект  — 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: Сила фототока прямо пропорциональна плотности  светового потока.

 

• Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с  частотой света и не зависит от его интенсивности.

 

• 3-й  закон фотоэффекта: для каждого  вещества существует красная  граница фотоэффекта, то есть  минимальная частота света    (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит.

 

23. Опыт резерфорда:

Первая  попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных  данных (1903 г.) принадлежит Дж. Томсону. Он считал, что атом представляет собой  электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 6.1.1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.

Рисунок 6.1.1.Модель атома Дж. Томсона

Первые  прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены  Э. Резерфордом в 1909–1911 годах. Резерфорд  предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 6.1.2.