Свойства световых лучей. Призматический и дифракционный спектры

Тщательные и всесторонние исследования прохождения световых лучей сквозь кристаллы убедили ученых, что световые колебания – это колебания поперечные, подобные колебаниям каучуковой трубки или поверхности моря.

Призматический спектр

Дифракционный спектр

Обращаясь к размерам световых волн и числу колебаний в секунду, мы погружаемся в область чисел, совершенно недоступных нашему воображению. Наблюдая над явлениями, происходящими при прохождении света сквозь узкие отверстия, именно над так называемой «дифракцией» световых лучей, ученые пришли к выводу, что длины волн в световом луче измеряются десятитысячными долями миллиметра или десятыми долями микрона (1 мкм = 0,001 мм).

Скорость света определяли разными способами. Впервые ее узнали из астрономических наблюдений, где было замечено время, нужное для того, чтобы луч света от спутника Юпитера пробежал расстояние, равное диаметру земной орбиты (способ Реомюра). Позднее – из непосредственного определения промежутков времени, в которое свет пробегал определенное расстояние на земной поверхности (способы Физо и Фуко). В результате ученые пришли к выводу, что эта скорость в круглых числах выражается 300 000 000 м/с.

По двум данным (скорости и длине волны) нетрудно вычислить число колебаний в секунду. Они измеряются сотнями биллионов (принимая биллион, по немецкому счислению, равным миллиону миллионов) или сотнями триллионов (принимая, по французскому счислению, 1 биллион = 1 миллиард = 1000 миллионов, а триллион = 1000 биллионов).

Световые лучи могут вызывать не только световое действие, но также тепловое и химическое. Свойства лучей были обнаружены при изучении их спектров: призматического и дифракционного. Разлагая пучок белых лучей света призмой, мы получаем «призматический» семицветный спектр. Растянутость спектра получается из-за различной способности лучей преломляться. Более всего преломляются фиолетовые, менее всего – красные лучи.

Оказывается, что каждому из различно преломленных лучей спектра, как и каждому тону в музыке, соответствуют определенное число колебаний в секунду и определенная величина длины волны и что наш глаз, подобно уху, чувствителен лишь к весьма ограниченному числу колебаний.

Дифракционный спектр получается при прохождении света сквозь большое число малых отверстий и щелей. Одно из отличий дифракционного спектра от призматического заключается в том, что в дифракционном спектре отклонение лучей строго пропорционально длине волны. Фиолетовые лучи, как обладающие наиболее короткими волнами, отклонены наименее, а красные, как обладающие наиболее длинными волнами, отклонены наиболее. В призматическом спектре, наоборот, наиболее отклонены фиолетовые лучи. Другое отличие заключается в том, что дифракционный спектр наиболее растянут в сторону красных лучей, а призматический в сторону фиолетовых.

Билет 65

Название диапазона

Длина волны,

Частота, v

Источники излучения

Низкочастотное излучение

свыше 10 000 м

менее 30 кГц

Электротехнические приборы. Переменные токи низкой частоты

	сверхдлинные
длинные
средние
короткие
ультракороткие

свыше 10 000 м

10 000 1000 м

1000 100 м

100 10 м

10 1 мм

менее 30 кГц

30 300 кГц

300 кГц 3 МГц

3 30 МГц

30 МГц 300 ГГц

Атмосферные явления. Переменные токи в проводниках и колебательных контурах

Инфракрасное излучение

1 мм 780 нм

300 ГГц 429 ТГц

Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических взаимодействиях

Видимый свет

780 380 нм

429 750 ТГц

Ультрафиолетовое излучение

380 10 нм

7.5 *10¹⁴ 3*10¹⁶ Гц

Излучение атомов под действием ускоренных электронов

Рентгеновское излучение

10 5 * 10^-3 нм

3 * 10¹⁶ 6 * 10¹⁹ Гц

Атомные процессы под действием ускоренных заряженных частиц

Гамма-излучение

менее 5 * 10^-3 нм

свыше 6 * 10¹⁹ Гц

Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад

Ультрафиоле́товое излуче́ние (ультрафиолет, УФ, UV) — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением (10 — 380 нм, 7,9·10¹⁴ — 3·10¹⁶ Герц).ъ

Инфракра́сное излуче́ние — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны^[1] λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).

Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приёмниками, а также специальными фотоматериалами^[2].

Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

· коротковолновая область: λ = 0,74—2,5 мкм;

· средневолновая область: λ = 2,5—50 мкм;

· длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм;

Последнее время длинноволновую окраину этого диапазона выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн — терагерцовое излучение (субмиллиметровое излучение).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

Рентге́новское излуче́ние — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн

от 10⁻² до 10³ Å (от 10⁻¹² до 10⁻⁷

билет 66

Теплово́е излуче́ние или лучеиспускание — передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн за счёт их тепловой энергии. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра, т.е на длины волн от 0,74 мкм до 1000 мкм. Отличительной особенностью лучистого теплообмена является то, что он может осуществляться между телами, находящимися не только в какой-либо среде, но и вакууме.

Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания.

Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно чёрного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.

Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.

Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции).

Равновесное излучение — тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом.

Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Свечение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым (температурным) излучением. Тепловое излуче­ние, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких — преимущественно длинные (инфракрасные).

Тепловое излучение — практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Предположим, что нагретое (излучающее) тело помещено в по­лость, ограниченную идеально отражающей оболочкой. С течением времени, в резуль­тате непрерывного обмена энергией между телом и излучением, наступит равновесие, т. е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать. Допустим, что равновесие между телом и излучением по какой-либо причине нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Если в единицу времени тело больше излучает, чем поглощает (или наоборот), то температура тела начнет понижаться (или повышаться). В результате будет ослабляться (или возрастать) количество излучаемой телом энергии, пока, наконец, не установится равновесие. Все другие виды излучения неравновесны.

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плот­ность энергетической светимости (излучательности) тела — мощность излучения с еди­ницы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

где d — энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n +d n.

Единица спектральной плотности энергетической светимости (R_n,T) — джоуль на метр в квадрате (Дж/м²).

Записанную формулу можно представить в виде функции длины волны:

Так как c=ln, то

где знак минус указывает на то, что с возрастанием одной из величин (n или l) другая величина убывает. Поэтому в дальнейшем знак минус будем опускать. Таким образом,

(197.1)

С помощью формулы (197.1) можно перейти от R_n,T к R_l,T и наоборот.

Зная спектральную плотность энергетической светимости, можно вычислить интег­ральную энергетическую светимость (интегральную излучательность) (ее называют про­сто энергетической светимостью тела), просуммировав по всем частотам:

(197.2)

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спект­ральной поглощательной способностью

показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от n до n +d n, поглощается телом. Спектральная поглощательная способность — величина безразмерная. Величины R_n,T и А_n,T зависят от природы тела, его термодинамической температуры и при этом различаются для излучений с различными частотами. Поэтому эти величины относят к определенным Т и n (вернее, к достаточно узкому интервалу частот от n до n +d n).

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты, называется черным. Следовательно, спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождественно равна единице (). Абсолютно черных тел в природе нет, однако такие тела, как сажа, платиновая чернь, черный бархат и некоторые другие, в определенном интервале частот по своим свойствам близки к ним.

Идеальной моделью черного тела является замкнутая полость с небольшим отвер­стием О, внутренняя поверхность которой зачернена (рис. 286). Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю. Опыт показывает, что при размере отверстия, меньшего 0,1 диаметра полости, пада­ющее излучение всех частот полностью поглощается. Вследствие этого открытые окна домов со стороны улицы кажутся черными, хотя внутри комнат достаточно светло из-за отражения света от стен.

Наряду с понятием черного тела используют понятие серого тела — тела, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела. Таким образом, для серого тела = A_T = const<l.

Исследование теплового излучения сыграло важную роль в создании квантовой теории света, поэтому необходимо рассмотреть законы, которым оно подчиняется.

Квантовая гипотеза Планка

День рождения квантовых представлений – 14.12.1900. Предварительные результаты были доложены немного раньше – 19 октября 1900 г., когда была доложена работа, в которой выведена новая формула для излучения. Эта работа была опубликована в 1901 г.

Напомню, что основной энергетической характеристикой равновесного теплового излучения является плотность энергии. Мы ограничимся излучением абсолютно чёрного тела, т.е. такого тела, которое полностью поглощает электромагнитное излучение, падающее на тело.

Величина содержит вклад электромагнитных волн всех частот, поэтому

, (1)

где - спектральная плотность энергии, - доля плотности энергии, приходящаяся на интервал частот в окрестности частоты, - абсолютная температура, при которой излучение находится в состоянии равновесия с веществом.

Если имеется тело в полости, ограниченной замкнутой оболочкой, стенки которой поддерживаются при, то внутри полости устанавливается равновесие между телом и электромагнитным излучением. Пусть оболочка имеет идеально отражающие стенки. Тело испускает электромагнитные волны, которые отражаются стенками оболочки, падают на тело и поглощаются им. В состоянии равновесия тело поглощает в единицу времени столько же энергии, сколько и отдаёт в виде электромагнитного излучения (теплового излучения).

В классической статистической физике доказывается теорема о равномерном распределении энергии молекул по степеням свободы в состоянии теплового равновесия: на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия, равная

(2)

(величина приходится на энергию электрического поля и столько же - на энергию магнитного поля). Основываясь на этой теореме, легко вывести следующую формулу:

. (3)

Это формула Релея-Джинса. Она даёт хорошее согласие с опытом при малых частотах (при, см. рис.).

Рис. Зависимость спектральной плотности энергии от частоты: пунктирная кривая отвечает формуле Релея-Джинса, а сплошная – описывает экспериментальные данные.

Однако подстановка (3) в (1) приводит к бесконечности:. Этот результат, называемый ультрафиолетовой катастрофой, означает, что классическая теория неспособна правильно описать тепловое излучение.

В поисках выхода из указанного затруднения Планк предположил, что электромагнитное излучение испускается и поглощается телом в виде отдельных порций с энергией:

. (4)

Используя распределение Больцмана для энергии электромагнитных колебаний (энергия колебания составляет,)

,

где - вероятность того, что энергия электромагнитного колебания равна, вычислим среднее значение энергии, приходящейся на одно колебание:

.

Расчет дает:

. (5)

Отметим, что формула (5) совпадает с (2) лишь в классическом пределе, т.е. при. Умножая на число электромагнитных колебаний в интервале и объёме,, получаем формулу Планка:

, (6)

где Дж - квант действия (постоянная Планка). Оказалось, что формула Планка хорошо описывает экспериментальные данные. Эта формула не приводит и к ультрафиолетовой катастрофе.

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света.Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамикесоответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. В физике фотоны обозначаются буквой γ. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны^[5] являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами.^[6] Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

Билет67

Внешний фотоэлектрический эффект, открытый в 1887 г. Герцем, был в том же году тщательно исследован А. Г. Столетовым, в работах которого были установлены важнейшие закономерности нового явления. [ 1 ]

Внешним фотоэлектрическим эффектом, или фотоэлектронной эмиссией, называют способность металлов эмитировать электроны под действием светового потока, падающего на них. Светочувствительные поверхности в передающих телевизионных трубках называются фотокатодами. [ 2 ]

Явления внешнего фотоэлектрического эффекта и вторичной электронной эмиссии составляют основу фотоэлектроники - области, получившей в наши дни широкое научное и техническое применение. [ 3 ]

В основе внешнего фотоэлектрического эффекта лежит эмиссия фотоэлектронов под действием падающего излучения. [ 4 ]

В рассмотренных фотоэлементах использован внешний фотоэлектрический эффект, о котором шла речь в этой главе. [ 5 ]

Вспышка свечения ватухающгго ZnS Мп-фосфора под действием электрического иоля напряженности 20000 в /.

Опыты с электропроводностью и с внешним фотоэлектрическим эффектом заставляют связывать возбуждение фосфоресценции с полным отделением электрона от центра, поглотившего свет. [ 6 ]

В рассмотренных фотоэлементах использован так называемый внешний фотоэлектрический эффект, о котором шла речь в этой главе. [ 7 ]

Во всех передающих трубках, работающих с внешним фотоэлектрическим эффектом, используются полупрозрачные фотокатоды. Исключением является иконоскоп - трубка, в которой использован мозаичный фотокатод. [ 8 ]

Зависимость коэффициента пропускания интерференционного полосового фильтра (/ и двойного полосового фильтра (2 от длины волны 0-макс. 55 мкм. ПВ - полуширина полосы пропускания фильтра.

В фотоэлектрических приемниках поглощенная фотоэлементом энергия излучения вследствие внешнего фотоэлектрического эффекта выбивает электроны в окружающее пространство. У фоторезисторов, фотодиодов и фототранзисторов, благодаря внутреннему фотоэффекту, связанные в кристаллической решетке электроны переходят на более высокий энергетический уровень. [ 9 ]

Способность металлов испускать электроны под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом. При освещении веществ, являющихся изоляторами и полупроводниками, электроны не могут покинуть поверхность вещества, но они получают энергию, достаточную для отрыва от атомов и передвижения внутри вещества. Возрастание проводимости изоляторов и проводников при освещении их светом называется внутренним фотоэлектрическим эффектом. [ 10 ]

ЭОП основан на использовании, с одной стороны, внешнего фотоэлектрического эффекта, открытого Халлваксом в 1888 г., и, с другой стороны, на свойствах электронов, которые принято связывать с понятием электронная оптика. [ 11 ]

На эти поверхности проецируется оптическое изображение, и за счет внешнего фотоэлектрического эффекта происходит преобразование оптического изображения в электронное. [ 12 ]

В Внутренний фотоэлектрический эффект при возбуждении отсутствует.
Устройство диссектора 53. Внутренним фотоэлектрическим эффектом, или фотопроводимостью, называется изменение проводимости полупроводников при изменении интенсивности падающего на них светового потока.
Фоторезистивный эффект (внутренний фотоэлектрический эффект) - это изменение удельного сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием электромагнитного излучения (квантов света) и не связанное с нагреванием полупроводника. Сущность этого явления состоит в том, что при поглощении квантов света с энергией, достаточной для ионизации собственных атомов полупроводника или ионизации примесей, происходит увеличение концентрации носителей заряда. В результате увеличения концентрации носителей уменьшается удельное сопротивление полупроводника.
В ионных кристаллах также наблюдается внутренний фотоэлектрический эффект, причем энергия отрыва электрона равна ионизационному потенциалу. Без облучения ионные кристаллы, так же как и гомеополяр-ные, электрического тока не проводят. Но, в отличие от гомеополярных, ионные вещества проводят электрический ток в расплаве, где проводимость обусловлена передвижением самих ионов.
В ионных кристаллах также наблюдается внутренний фотоэлектрический эффект, причем энергия отрыва электрона раина ионизационному потенциалу. Без облучения ионные кристаллы, так же как и гомео-полярные, электрического тока не проводят. Но, в отличие от гомео-полярных веществ, ионные проводят электрический ток в расплаве; проводимость обусловлена переносом электрических зарядов ионами.
В передающих трубках, работающих с внутренним фотоэлектрическим эффектом, принцип накопления световой энергии является существенно отличным от рассмотренного выше. В качестве мишени используются специальные слои, обладающие высокой фотопроводимостью.
Форма полного телевизионного сигнала при чересстрочной развертке. В передающих телевизионных трубках используется внешний или внутренний фотоэлектрический эффект.
В передающих трубках в качестве поверхностей, обладающих внутренним фотоэлектрическим эффектом, используются слои селена, таллофида и серно-висмутовых соединений. Такие слои называются фотосопротивлениями.
Изменение электрического сопротивления полупроводника, обусловленное непосредственным действием излучения, называется фото-резистивным эффектом, или внутренним фотоэлектрическим эффектом. Изменение сопротивления, или проводимости, вызывается изменением концентрации носителей заряда.
Изменение электрического сопротивления полупроводника, обусловленное непосредственным действием излучения, называют фоторези-стивным эффектом, или внутренним фотоэлектрическим эффектом. Изменение сопротивления, или проводимости, вызывают изменением концентрации носителей заряда.
Исследовалась фотопроводимость слоев органических красителей толщиной 0.5 - 10 мкм в полях с напряженностью до 5000 в / см. Внутренний фотоэлектрический эффект в таких слоях наблюдался в области спектра поглощения раствора красителя. Темновая проводимость § 0 10 - 10 ом 1 и не изменяется до 80 С.
Изучение электрических свойств показало, что группа высокопроводящих халькогенидных стекол по ряду таких признаков, как температурная зависимость электропроводности, большие значения термоэлектродвижущей силы и в особенности внутренний фотоэлектрический эффект, являются типичными электронными полупроводниками с дырочным механизмом проводимости. Таким, образом, халькогенидные стекла являются весьма интересной группой веществ, в которой сочетаются свойства как стекол, так и кристаллических тел полупроводников. Это, несомненно, интересно как в научном, так и в практическом отношениях.

Для объяснения влияния статического давления мы использовали общепринятые представления о природе и механизме образования скрытого изображения, развитые Герни и Моттом [5, 6] в 1930 г. Согласно этим авторам, фотохимический процесс состоит из двух раздельных стадий. Первая представляет внутренний фотоэлектрический эффект с последующей миграцией фотоэлектрона к центру светочувствительности, который захватывает этот электрон. Вторая стадия представляет процесс электролитической проводимости, при котором междуузельный ион серебра движется к центру светочувствительности и нейтрализует его, образуя атом серебра. Последняя стадия, повидимому, более чувствительна к внешним влияниям. Поэтому в качестве рабочей гипотезы мы предположили [4, 7, 8], что действие статического давления обусловлено обратимым влиянием давления на электролитическую проводимость бромистого серебра. Следовательно, с увеличением давления проводимость должна уменьшаться.
Смит, 1873) состоит из изменений проводимости полупроводника под воздействием излучения. В основе фотопроводимости лежит внутренний фотоэлектрический эффект - переход электронов из связанных состояний в свободные при поглощении квантов излучения.
Некоторые полупроводники и диэлектрики становятся проводниками или увеличивают свою проводимость при освещении. Причина фотопроводимости кроется во внутреннем фотоэлектрическом эффекте - электроны освобождаются не около поверхности освещаемого тела, прорываясь через нее наружу, а г о внутренних слоях, перенося электричество при своем движении.
Вольт-амперная характеристика варисто-ра в цепи тока повышенной частоты (20 кгц.| Основные характеристики фоторезисте-ров. Полупроводниковые приборы поликристаллической структуры, электрическое сопротивление которых зависит от освещенности, называются фоторезисторами. Их действие основано на эффекте фотопроводимости, или внутреннем фотоэлектрическом эффекте. Этот эффект заключается в переходе электронов из валентной зоны или с примесных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на примесные уровни за счет энергии фотонов, которая при этом должна равняться энергии активации ЕЛ соответствующего перехода или превосходить ее.
Основные характеристики фоторезисторов. Фоторезистором называется резистор, электрическое сопротивление которого зависит от освещенности. Действие полупроводниковых фоторезисторов основано на эффекте фотопроводимости, или внутреннем фотоэлектрическом эффекте.
Отметим здесь давно известную [119] фотокаталитическую реакцию разложения и синтеза перекиси водорода, протекающую на окиси цинка. Реакция существенно ускоряется при освещении видимым светом, поглощаемым катализатором и вызывающим в окиси цинка внутренний фотоэлектрический эффект.
Способность металлов испускать электроны под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом. При освещении веществ, являющихся изоляторами и полупроводниками, электроны не могут покинуть поверхность вещества, но они получают энергию, достаточную для отрыва от атомов и передвижения внутри вещества. Возрастание проводимости изоляторов и проводников при освещении их светом называется внутренним фотоэлектрическим эффектом.
При этом у нее хорошо выражены фотоэлектрические свойства. Поэтому вполне возможно, что проводимость во время освещения обязана своим происхождением электронам, возникшим при внутреннем фотоэлектрическом эффекте на частицах натрия.
Выше были описаны основные представления о развитии процессов свечения кристаллофосфоров в рамках зонной теории полупроводников. Общая принципиальная схема процессов свечения кристаллофосфорок на основании изложенных данных сводится к следующему: причиной появления свободных электронов в кристалле служит внутренний фотоэлектрический эффект, возникающий при возбуждении; далее следует локализация части выделившихся электронов в отдельных местах решетки, что является необходимым звеном для возникновения длительного послесвечения; наконец, освобождение локализованных электронов и их рекомбинация с ионизованными центрами составляют заключительный этап длительного свечения. Однако в настоящее время не существует еще установленной точки зрения на характер всех этих процессов, существенных для построения теории свечения.
Схема вакуумного фотоэлемента. Способность металлов испускать электроны под действием света называется внешним фотоэлектрически-м эффектом. При освещении веществ, являющихся изоляторами или полупроводниками, электроны не могут покинуть поверхность вещества, но они получают энергию, достаточную для отрыва от атомов и передвижения внутри вещества. Возрастание проводимости изоляторов и полупроводников при освещении их светом называется внутренним фотоэлектрическим эффектом.рассматриваемом типе вакуумных фотоэлементов используется, как известно, явление внешнего фотоэлектрического эффекта.

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: 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.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией h ν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода φ, покидает металл: где — максимальная кинетическая энергия, которую имеет электрон при вылете из металла.

Уравне́ния Эйнште́йна (иногда встречается название «уравнения Эйнштейна-Гильберта»^[1]) — уравнения гравитационного поля в общей теории относительности, связывающие между собой метрику искривлённого пространства-времени со свойствами заполняющей его материи. Термин используется и в единственном числе: «уравне́ние Эйнште́йна», так как в тензорной записи это одно уравнение, хотя в компонентах представляет собой систему уравнений.

Выглядят уравнения следующим образом:

где — тензор Риччи, получающийся из тензора кривизны пространства-времени посредством свёртки его по паре индексов, R — скалярная кривизна, то есть свёрнутый тензор Риччи, — метрический тензор, —космологическая постоянная, а представляет собой тензор энергии-импульса материи, (— число пи, c — скорость света в вакууме, G — гравитационная постоянная Ньютона). Так как все входящие в уравнения тензорысимметричны, то в четырёхмерном пространстве-времени эти уравнения равносильны 4·(4+1)/2=10 скалярным уравнениям.

Одним из существенных свойств уравнений Эйнштейна является их нелинейность, приводящая к невозможности использования при их решении принципа суперпозиции.

Билет 68

Атом (от греческого atomos - неделимый) — одноядерная, химически неделимая частица химического элемента, носитель свойства вещества. Из атомов состоят вещества. Сам атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного электронного облака. В целом атом электронейтрален. Размер атома полностью определяется размером его электронного облака, поскольку размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером электронного облака. Ядро состоит из Z положительно заряженных протонов (заряд протона соответствует +1 в условных единицах) и N нейтронов, которые не несут на себе заряда (протоны и нейтроны называют нуклонами). Таким образом заряд ядра определятся только количеством протонов и равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами (заряд электрона -1 в условных единицах), которые формируют электронное облако. Таким образом количество электронов равно количеству протонов. Массы протонов и нейтронов равны (соответственно 1 и 1 а.е.м.). Масса атома определятся массой его ядра, поскольку масса электрона примерно в 1850 раз меньше массы протона и нейтрона и в расчетах редко учитывается. Количество нейтронов можно узнать по разности между массой атома количеством протонов (N = A - Z).Вид атомов какого-либо химического элемента с ядром, состоящим из строго определённого числа протонов (Z) и нейтронов (N) называется нуклидом

элементарная частица	заряд (условные единицы)	заряд (Кл)	масса (а.е.м.)	масса (г)
протон	+1	1,6·10×10^-19		1,7·10×10^-24
нейтрон				1,7·10×10^-24
электрон	-1	-1,6·10×10^-19		9,1·10×10^-28

Поскольку в ядре атома сосредоточена практически вся масса, но его размеры ничтожно малы по сравнению с общим объемом атома, то ядро условно принимается материальной точкой покоящейся в центре атома, а сам атом рассматривается как система электронов. При химической реакции ядро атома не затрагивается (кроме ядерных реакций), как и внутренние электронные уровни, а участвуют только электроны внешней электронной оболочки. По этой причине необходимо знать свойства электрона и правила формирования электронных оболочек атомов.

Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильс Бора, в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров. Линейчатые спектры получаются при разложении света испускаемого раскаленными парами или газами. Каждому элементу отвечает свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает очень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе до 5000), но встречаются и сравнительно простые спектры. Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов. По теории Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание электромагнитных волн.

Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, в следствие чего нарушается равновесие между ним и ядром; для восстановления равновесия электрон должен постепенно передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им света. В конце концов, исчерпав всю энергию, электрон должен «упасть» на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение движения электрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный, а не с лучами определенной длины волны. Кроме того, «падение» электрона на ядро означало бы разрушение атома и прекращения его существования.

Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении линий спектра, ни и само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения атома, в которой ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями квантами энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант за квантом; дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать.

Величина кванта энергии зависит от частоты излучения: чем больше частота излучения, тем больше величина кванта. Обозначая квант энергии через, можно написать: = где - постоянная величина, так называемая константа Планка, равная 6, 625 10 эрг сек. Кванты лучистой энергии называются также фотонами. Применив квантовые представления к вращению электронов вокруг ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классической электродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими результатами и огромным числом экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в следующем: Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Обозначив запас энергии атома при положении электрона на более удаленной от ядра орбите через Е, а на более близкой через Е и разделив потерянную атомом энергию Е - Е на постоянную Планка, получим искомую частоту.

Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атом водорода; вокруг ядра которого вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1: 2: 3:. n Величина n получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0, 53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного спектра Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых орбит, а вместе с тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связанно с некоторыми трудностями из-за ее новизны.

Теория Бора позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако, иметь ввиду, что все эти схемы это лишь более или менее достоверная гипотеза, позволяющая объяснить многие физические и химические свойства элементов. Как раньше уже было сказано, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе.

Изображение атомов углерода на поверхности графита, полученное с помощью туннельного микроскопа. Оранжевые линии - изображение электронных орбит, черные области - положение ядер атомов графита.

Явления, свидетельствующие о сложной структуре атома
Слово "атом" означает "неделимый". В течение длительного времени атом считался наименьшей частице вещества. Но в начале 19 века наука открыла явление, обнаруживающие сложность строения и свойств "неделимой" частицы. Название же "атом" сохранилось в естествознании для описания химического состава молекул.
Какие же явления разрушили представления о "неделимости" атома?

	Изучение электропроводности металлов и газов, электролиза, термоэлектронной эмиссии привело к открытию отрицательно заряженной элементарной частицы электрона, входящей в состав любого атома. Поскольку в обычных условиях атомы являются электронейтральными, то естественно предположить, что в их состав входят и какие-то положительно заряженные частицы.
	В 1896 году французский ученый Беккерель обнаружил явление естественной радиоактивности солей урана. Это явление исследовали Пьер и Мария Кюри, доказав, что из атомов вылетают и электроны, и положительно заряженные частицы (впоследствии названные a-частицами).
	Изучение спектров излучения водорода показало, что все спектральные линии образуют определенные серии. Длины волн lспектральных линий водорода подчиняются закономерности, выражаемой простой формулой 1/l =R·(1/m^2-1/n^2) (1), где R -константа, называемая постоянной Ридберга (R=1.097·10^7 м^-1), m,n- целые числа, причем "m " изменяется от серии к серии, а "n" -от линии к линии. Например, для серии Бальмера, расположенной в видимой части спектра и состоящей из 25 спектральных линий, число m=2, а n=3,4,5,...27. Формула (1) запишется так: 1/l =R·(1/2^2-1/n^2).

Ясно, что возможность описания всех спектральных линий излучения атомарного водорода одной простой формулой не могла быть случайностью. Закономерности в спектре излучения атома обусловлены особенностями структуры атома водорода.

Дата добавления: 2014-01-04