Магнитное вращение плоскости поляризации

Под действием магнитного поля оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации. Это явление называется эффектом Фарадея. Этот эффект наблюдается только в направлении намагниченности. Угол поворота j ~ l и Н;

V – постоянная Верде (уд. магнитного вращения)

Направление вращения определяется направлением магнитного поля. При обратном прохождении поворот плоскости поляризации удвоится. Эффект Фарадея объясняется прецессией эл. орбит под действием магнитного поля.

ЛЕКЦИЯ № 7

Квантовая природа излучения

1. Тепловое излучение. Основные понятия. Закон Кирхгофа

Под тепловым излучением понимают излучение, создаваемое всеми телами за счет их внутренней энергии. Это электромагнитное излучение, которое с повышением температуры тела возрастает. (существует еще хемилюминесцентная, фотолюминесцентная электроминесцентная и т.д.)

Тепловое излучение – единственное излучение, которое может находиться в равновесии с излучающими телами.

Если, например, излучающее тело окружить идеально отражающей оболочкой и откачать из нее воздух, то тепловое излучение, отражаясь от стенок, опять поглощается телом. В результате непрерывного обмена энергией между телом и заполняющим оболочку излучением установится равновесие между телом и излучением. Энергия, поглощенная телом за единицу времени, равна излученной им энергии. Тепловое излучение происходит непрерывно во всем диапазоне длин волн. Если распределение энергии между телом и излучением остается неизменным для каждой длины волны, то излучение называют равновесным. Достижение такого равновесия объясняется тем, что интенсивность теплового излучения возрастает с увеличением температуры тела.

Энергия, которую излучает единица поверхности тела за единицу времени по всем направлениям (в пределах телесного угла 2 p), во всем диапазоне длин волн называют энергетической светимостью. Обозначают R_Т (Зависит от температуры).

Так как на разные длины волн (частоты) приходится различная энергия, вводится понятие спектральной плотности излучения (испускательная способность). Это величина, которая показывает, какая энергия излучается единицей поверхности тела, за единицу времени в единичном интервале частот. Обозначается r(w, T).

Тогда энергия, излучаемая 1 поверхностью за 1 вр. в диапазоне частот от w до определяется как:

(1)

Тогда энергетическая светимость будет связана со спектральной плотностью излучения

(2)

Если на элементарную площадку за единицу времени падает энергия , обусловленная электромагнитными волнами, заключенными в интервале и часть её будет поглощена телом, то величина, показывающая долю поглощенной энергии от падающей в интервале частот называют поглощательной способностью тела.

(3)

Из зак.с.э. . Тело, у которого º1, называется абсолютно черным (поглощает излучение во всем диапазоне частот)

= const < 1 – серое тело.

Между и существует связь. Чем больше у тела r, тем больше a. Закон, устанавливающий эту связь, называется законом Кирхгофа:

Отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности для всех тел является универсальной функцией частоты и температуры:

- универсальная функция (4) Кирхгофа.

Если перейти от w к l и интервалусоответствует участок , то из соотношения следует:

Для теплового равновесия нескольких тел в полости с температурой Т справедливо равенство отношений

Какие лучи (каких часто) тело лучше излучает, такие лучше и поглощает.

2. Законы излучения абсолютно черного тела (Закон Вина, Стеф. – Больцмана, формула Планка)

Из (4) следует для абсолютно черного тела º1 следует

=

Таким образом, универсальная функция Кирхгофа по-другому излучательная способность абсолютно черного тела. В природе абсолютно черных тел нет. (Солнце, сажа, платиновая чернь).

Устройство, излучение которое близко к излучению абсолютно черного тела, представляет собой замкнутую полость с маленьким отверстием. Любое излучение за счет многократных отражений поглощается. Раскладывая в спектр с помощью дифракционной решетки излучение такой полости и измеряя интенсивность различных участков спектра, можно найти экспериментально вид - универсальную формулу Кирхгофа. При экспериментальных исследованиях форм. Кирхгофа обычно заменяют выраженную через длину волны .

Попытки теоретически получить или не венчались успехом из-за использования классических представлений.

1. Больцман (1884 г.), используя термодинамические соображения, получил, что энергетическая светимость абсолютно черных тел связана с абсолютной температурой соотношением

(5)

2. Закон Стефана-Больцмана

- экспериментальное значение

Используя кроме термодинамики и электромагнитную теорию, Вин (1893 г.) показал, что функция Кирхгофа имеет вид

или

(6)

Интегрируя последнее выражение по и приравнивая к 0

,

получим длину волны излучения , на которую приходится максимум излучательной способности:

3. Релеем и Джинсом на основании подсчета стоячих электромагнитных волн в замкнутой полости для всех частот и исходя из теоремы классической статистики о равнораспределении энергии по степеням свободы (на магнитную и электрическую энергию волны по на каждую) был проделан безупречный с точки зрения классической физики вывод выражения для , который согласовывался с (6) (Функцией Вина):

- формула Релея-Джинса

Однако с экспериментальной зависимостью эта формула удовлетворительно согласовывалась только в области больших длин волн. В области коротких длин волн она приводила к.т.н. ультрафиолетовой катастрофе. Катастрофа заключалась в том, что тело, за короткое время излучая в области коротких длин волн, должно было остыть до абсолютного нуля. (см. рис. выше)

Выход из создавшегося положения был найден Максом Планком. В качестве «рабочей» гипотезы Планк предположил, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов) пропорциональных частоте излучения

где

h – постоянная Планка (квант действия)

h = 6,63 × 10^-34 Дж× с

= 1,05 × 10^-34 Дж × с

Такое предположение противоречило всем представлениям классической физики, но как оказалось, оно было единственно верным и оказало решающую роль на развитие представлений о природе излучения. Благодаря этому предположению, что энергия излучения кратна и подсчету числа квантов по распределению Больцмана Планком получено выражение для , носящее название формула Планка

Эта формула точно согласуется с экспериментальными данными во всем интервале частот от .

Для длин волн

;

Из формулы Планка вытекают и закон Стефана-Больцмана и закон Вина

Формула Планка дает исчерпывающее описание равновесного теплового излучения.

3. Внешний фотоэффект. Фотоны

Под внешним фотоэффектом понимается явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием электромагнитного излучения.

Это явление было обнаружено Герцем в 1887 году. И было обнаружено, что при освещении ультрафиолетовым светом одного из шариков разрядника проскакивание искры облегчается. Так же было обнаружено, что «-» заряженные тела быстро разряжаются при освещении.

В 1888-1889 году Столетовым при помощи установки, показанной на рисунке, было показано, что испускаемые под действием света частицы имеют отрицательный заряд, а в 1899 Ленард и Томсон показали, что это электроны.

Вид ВАХ и зависимость фототока от напряжением между А и К показан на рис

Законы фотоэффекта:

1. Количество электронов испускается катодом или ток насыщения при неизменном спектральном составе падающего излучения прямо пропорционально интенсивности излучения или освещенности катода (количеству квантов света)

2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности излучения, а зависит от частоты падающего излучения. Она определяется по задерживающей разности пот. Из.

3. Для каждого вещества, у которого есть фотоэффект, существует минимальная частота (или максимальная длина) волны излучения, при которой фотоэффект исчезает.

Максимальное значение кинети-ческой энергии фотоэлектронов определяется по обращению в ноль силы фототока при задерживающем напряжении на катоде-аноде.

Второй закон фотоэффекта противоречил классическим понятиям. В 1905 году Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта объясняются, если считать, что излучение поглощается также порциями. Если электрон освобождается светом у самой поверхности вещества, то

- формула Эйнштейна, доказана Милликеном

где А – работа выхода электрона из металла.

Фотоэффект и А сильно зависят от состояния поверхности металлов.

Если энергии кванта достаточно только на вырывание электрона, то

- красная граница

При фотоэффект не наблюдается

При создании лазеров стало возможным наблюдать многофотонный фотоэффект

Эйнштейн пошел дальше. Он предположил, что свет не только излучается и поглощается порциями, но и распространяется. Это доказал опыт Боте (1924г.)

5. Фотоны. Давление света

Существование коротковолновой границы рентгеновского излучения, законы теплового излучения, явление фотоэффекта, опыт Боте – доказывали существование особых световых частиц – фотонов.

Энергия фотона прямо пропорциональна частоте

.

Фотон – частица особого рода, так как масса покоя фотона равна 0, и фотон всегда движется со скоростью с. При движении в веществе время тратиться на переизлучение фотона атомами.

Между импульсом фотона и его энергией существует соотношение:

так как ,

то

- волновой вектор.

Давление света на поглощающую поверхность может быть теперь объяснено передачей импульса квантами света.

В случае поглощающей поверхности представительства нормальном падении фотонов с плотностью n на единицу площади за единицу времени падает - фотонов. Каждый, поглощаясь, передает импульс . Тогда импульс, передаваемый за единицу времени есть давление

- энергия фотонов в единице объема

w - объемная плотность электромагнитной энергии.

При отражении фотона им передается импульс 2Р.

Следовательно, давление для отражающей поверхности .

6. Эффект Комптона

Доказательством корпускулярных свойств света явилось увеличение длины волны света, рассеянного веществом. Изучая рассеяние рентгеновских лучей различными веществами Комптон (американский физик) в 1923 году обнаружил, что рассеянный свет имеет большую длину волны, чем падающее на вещество излучение.

Разность зависел от угла между первоначальным направлением рентгеновского луча и направлением рассматриваемого рассеянного излучения. От и вещества не зависит.

Явление Комптона можно объяснить упругим столкновением рентгеновских фотонов со свободными (слабо связанными) с атомом электронами.

Пусть на первоначально покоящейся свободный электрон падает фотон с энергией и импульсом .

После столкновения с электроном импульс и энергия фотона станут соответственно и . Электрон будет иметь импульс Р и энергию

Согласно законам с.и. и з.с.э.:

.

Из этих соотношений можно получить

где - комптоновская длина волны; q - угол рассеяния фотона.

m – масса электрона или той частицы, на которой происходит рассеяние.

ЛЕКЦИЯ № 8

Дата добавления: 2014-01-06