Физика (лучшее)

Явление интерференции света используется для контроля качества обработки

поверхностей, просветления оптики, измерения показателей преломления

вещества и т.д.

Дифракция света. В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Об

этом свидетельствуют резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами

при освещении их точечными источниками света. Однако если размеры

препятствий становятся сравнимыми с длиной волны, то прямолинейность

распространения волн нарушается. Явление огибания волнами препятствий

называется дифракцией. Вследствие дифракции свет проникает в область

геометрической тени. Дифракционные явления в белом свете сопровождаются

появлением радужной окраски вследствие разложения света на составные цвета.

Например, окраска перламутра и жемчуга объясняется дифракцией белого света

на мельчайших его вкраплениях.

Широкое распространение в научном эксперименте и технике получили

дифракционные решётки, представляющие собой систему узких параллельных

щелей одинаковой ширины, расположенных на одинаковом расстоянии d друг от

друга. Это расстояние называют постоянной решётки. Дифракционные решётки

изготавливаются с помощью специальной машины, наносящей штрихи (царапины)

на стекле или другом прозрачном материале. Там, где проведена царапина,

материал становится непрозрачным, а промежутки между ними остаются

прозрачными и играют роль щелей. Это так называемые прозрачные решётки.

Существуют и отражательные решётки, которые получают нанесением штрихов на

металлическое зеркало. Действие обеих типов решёток практически не

отличается, поэтому рассмотрим явления, происходящие только в прозрачных

решётках. Пусть на дифракционную решётку ДР, перпендикулярно к ней, падает

параллельный пучок монохроматического света (плоская монохроматическая

световая волна). Для наблюдения дифракции за ней помещают собираюпхую линзу

Л, в фокальной плоскости которой располагают экран Э(рис. 84.1, на котором

приведён вид в плоскости, проведённой поперёк щелям перпендикулярно к

дифракционной решётке, а также показаны только лучи у краёв щелей).

Вследствие дифракции из щелей исходят световые волны во всех направлениях.

Выберем одно из них, составляющее угол ( с направлением падающего света.

Этот угол называют углом дифракции. Свет, идущий из щелей дифракционной

решётки под углом р, собирается линзой в точке Р (точнее в полосе,

проходящей через эту точку). Геометрическая разность хода (l между

соответствующими лучами, выходящими из соседних щелей, как видно из рис.

84.1, равна А! = d~siп9. Прохождение света через линзу не вносит

дополнительной разности хода. Поэтому если А! равна целому числу длин волн,

т.е.

[pic]

то в точке Р волны усиливают друг друга. Это соотношение является условием

так называемых главных максимумов. Целое число m называют порядком главных

максимумов.

Если на решётку падает белый свет, то для всех значений длин волн

положение максимумов нулевого порядка (m = О) совпадут; положение же

максимумов более высоких порядков различны: чем больше (,????// тем больше

( при данном значении m. Поэтому центральный максимум имеет вид узкой

белой полосы, а главные максимумы других порядков представляют разноцветные

полосы конечной ширины — дифракционный спектр. Наиболее интенсивными

являются спектры первого порядка (m = 1). Спектры более высоких порядков

менее ярки. Если решётку освещать немонохроматическим лучом, в составе

которого имеется дискретный набор длин волн [pic](такой свет даёт,

например, ртутная лампа), то дифракционный спектр представляет собой

совокупность отдельных цветных линий на тёмном фоне: каждой длине волны

соответствует своя линия. Таким образом, дифракционная решётка разлагает

сложный свет в спектр и поэтому с успехом используется в спектрометрах.

Спектрометр — прибор для точного измерения длин волн с помощью

дифракционной решётки (или призмы), которая разлагает свет в спектр, т.е.

на компоненты с различными длинами волн. Свет от источника(рис. 84.2) через

узкую щель направляется в коллиматор, который создаёт параллельный лучок

света. далее свет попадает на решётку. Наблюдатель поворачивает трубу и при

угле (, соответствующему дифракционному максимуму увидит яркую линию. Угол

может быть измерен с высокой точностью. По формуле (84.1) определяют длину

волны наблюдаемого света. Значение спектрометров в науке и промышленности

огромно, поскольку с их помощью осуществляется анализ элементов, входящих в

состав сплавов металлов, анализ газов, жидкостей, твёрдых тел, анализ

химического состава звёзд и т.д. Отметим, что элемент гелий впервые был

обнаружен спектрально на Солнце, откуда и пошло его название.

Дисперсия света. Явление зависимости показателя преломления вещества от

частоты света называется дисперсией света. Установлено, что с возрастанием

частоты света показатель преломления вещества увеличивается. Пусть на

трёхгранную призму падает узкий параллельный пучок белого света на котором

показано сечение призмы плоскостью чертежа и одни из лучей). При

прохождении через призму он разлагается на пучки света разного цвета от

фиолетового до красного. Цветную полосу на экране называют сплошным

спектром. Нагретые тела излучают световые волны со всевозможными частотами,

лежащими в интервале частот от [pic] до [pic] Гц. При разложении этого

света и наблюдается сплошной спектр. Возникновение сплошного спектра

объясняется дисперсией света. Наибольшее значение показатель преломления

имеет для фиолетового света, наименьшее — для красного. Это приводит к

тому, что сильнее всего будет преломляться фиолетовый свет и слабее всего

—красный. Разложение сложного света при прохождении через призму

используется в спектрометрах.

1.Поляризация света. Электромагнитная природа света. Свет представляет

собой электромагнитные волны, в которых происходит периодическое

изменение(колебание) напряжённости Е электрического и индукции В магнитного

полей. Направления колебаний векторов Е и В взаимно перпендикулярны

и перпендикулярны к направлению распространения волны. Поэтому световая

волна является поперечной. Плоскость, в которой колеблется вектор

электрической напряжённости, называют плоскостью поляризации.

Явление поляризации света. Явления интерференции и дифракции, выявлял

волновые свойства света, не отвечают на вопрос, являются ли волны

продольными или поперечными. Действительно, указанные явления наблюдаются

для общих видов волн любой природы. Доказательством поперечности световых

волн, а, следовательно, и любых электромагнитных волн, является поляризация

света. Выясним, в чём заключается это явление? Опытным путём установлено,

что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия

света обусловлены электрическим полем световой волны. Поэтому в дальнейшем

будет говориться лишь о напряжённости электрического поля, а об индукции

магнитного поля упоминаться не будет.

Световая волна, излучаемая светящимся телом, представляет собой наложение

огромного числа волн, испускаемых отдельными атомами. Атомы излучают свет

независимо друг от друга. Поэтому плоскости поляризация в таких волнах

имеют произвольную ориентацию в пространстве. Это приводит к тому, что в

такой световой волне колебания вектора Е происходят во всевозможных

плоскостях, пересекающихся на оси распростpaнения волны (рис.86.1, на

котором показаны колебания вектора Е в плоскости, перпендикулярной к

направлению распространения волны). Световая волна, в которой колебания

вектора Ё совершаются во всех плоскостях, называется естественной или

неполяризованной. Такой свет излучают солнце, электрические лампы, свечи и

т.д. Свет, в котором колебания напряжённости электрического, а

следовательно, и индукция магнитного полей упорядочены, называют

поляризованным. Если колебания вектора Ё происходят в одной плоскости (в

одном направлении), то такой свет называется плоскополяризованным (рис.

86.2). По сути дела на рис. 76.1 также изображена плоскополяризованная

волна.

Билет № 22

1. После открытия электрона Томсон предложил модель строения атома.

Согласно этой модели, атом представляет собой шар, заряженный положительно,

внутри которого находятся электроны. Резерфорд, усомнившись в этой модели,

провёл опыты по изучению рассеяния (-частиц. Его опыт состоял в следующем.

Радиоактивное вещество радий помещалось в контейнер, изготовленный из

свинца, в котором просверливался узкий канал. Из этого канала узкий пучок (-

частиц (ядер гелия) падал на тонкую металлическую фольгу, за которой

находился экран, покрытый люминесцентным составом. Всё это помещалось в

сосуд, из которого откачивался воздух. Проходя фольгу, (-частицы попадали

на экран, на котором наблюдались световые вспышки в месте попадания

частицы. Было обнаружено, что подавляющее большинство частиц пролетает

фольгу, не меняя своего направления. Однако некоторые из них отклонялись на

большие углы. Такое рассеяние (-частиц нельзя объяснить, исходя из модели

атома Томсона. Поэтому Резерфорд предложил другую модель строения атома,

названную ядерной. Согласно этой модели, атом состоит из ядра, в котором

сосредоточена почти вся масса атома и обладающего положительным зарядом,

вокруг которого вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. При этом

размеры ядра много меньше размеров атома и заряд ядра равен суммарному

заряду электронов по абсолютной величине.

Однако эта модель обладает двумя недостатками.

1. Согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся

заряженные частицы излучают электромагнитные волны. В атоме электроны,

двигаясь вокруг ядра, обладают центростремительным ускорением. Поэтому они

должны бы излучать энергию в виде электромагнитных волн. В результате этого

электроны будут двигаться по спиральным траекториям, приближаясь к ядру, и,

наконец, упасть на него. После этого атом прекращает своё существование. В

действительности же атомы являются устойчивыми образованиями.

2. Известно, что заряженные частицы, двигаясь по окружности, излучают

электромагнитные волны с частотой, равной частоте вращения частицы.

Электроны в атоме, двигаясь по спиральной траектории, меняют частоту

вращения. Поэтому частота излучаемых электромагнитных волн плавно

изменяется, и атом должен бы излучать электромагнитные волны в некотором

частотном интервале, т.е. спектр атома будет сплошным. В действительности

же он линейчатый. Для устранения указанных недостатков Бор пришёл к выводу,

что необходимо отказаться от классических представлений. Он постулировал

ряда принципов, которые получили название постулатов Бора.

3. Постулаты Бора. Первый постулат. Существуют стационарные состояния

атома, находясь в которых, он не излучает энергии. Постулат утверждает,

что, несмотря на наличие ускорения у электрона, излучения электромагнитных

волн нет. Этим постулатом устранён первый недостаток ядерной модели атома.

Второй постулат. В стационарных состояниях атом обладает определёнными

энергиями. Испускание света атомом происходит, когда электрон переходит из

одного стационарного состояния с энергией Wm в другое с меньшей энергией

Wn. При этом испускается одни световой фотон, энергия которого определяется

соотношением [pic]Если происходит переход из состояния с меньшей энергией в

состояние с большей энергией, то наблюдается поглощение энергии (света). Из

последней формулы следует, что частота излученного фотона равна [pic].

Поскольку энергии, которые принимает атом имеют дискретные (прерывные)

значения, то и частоты электромагнитных волн, испускаемых атомом будут

дискретными, т.е. атом излучает линейчатый спектр. Этим постулатом устранён

второй недостаток ядерной модели атома.

Линейчатый спектр. Если свет, испускаемый нагретым газом (например,

баллоном с водородом, через который пропускается электрический ток),

разложить с помощью дифракционной решётки (или призмы) в спектр, то

выяснится, что этот спектр состоит из ряда линий. Поэтому такой спектр

называется линейчатым. Линейчатость означает, что в спектре содержатся

только вполне определенные длины волн [pic]и т.д., а не все, как это имеет

место в случае света электрической лампочки.

Спектральный анализ. Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому

что их характер прямо связан со строением атома. Ведь эти спектры создаются

атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с

линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения

атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность «заглянуть»

внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или

частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств

атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения

свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий

на спектры всех других элементов: они способны излучать строго определенный

набор длин волн.

На этом основан спектральный анализ метод определения химического состава

вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей, линейчатые

спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже

пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря

индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав

тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в

составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10-10г. Это

очень чувствительный метод.

Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как

яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от

способа возбуждения свечения. Так, при не очень высоких температурах многие

спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных

условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный

анализ.

В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы

спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые

элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в

соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидий дает

темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это

цвет основных линий спектра цезия.

Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и

звезд. другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды

состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле.

Любопытно что гелии первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в

атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его

открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».

Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ

является основным методом контроля состава вещества в металлургии,

машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа

определяют химический состав руд и минералов.

Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их

молекулярным спектрам.

Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания,

но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и

звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко

светящаяся поверхность Солнца — фотосфера дает непрерывный спектр.

Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит

к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.

Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений,

когда солнечный диск закрыт Луной, происходит «обращение» линий спектра.

На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивает линии излучения.

В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение

химического состава звезд, газовых облаков и т.д., но и нахождение по

спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры,

давления, скорости движения, магнитной индукции.

Билет № 23 такой же как и Билет № 22.

Билет № 24

1.Фотоэлектрический эффект. Явление вырывания электронов из вещества под

действием электромагнитных излучений (в том числе и света) называют

фотоэффектом. Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний. При

внешнем фотоэффекте вырванные электроны покидают тело, а при внутреннем

—остаются внутри него. Необходимо отметить, что внутренний фотоэффект

наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках. Остановимся только на

внешнем фотоэффекте. для изучения внешнего фотоэффекта используется схема,

приведённая на рис. 87.1. Анод А и катод К помещаются в в сосуд, в котором

создаётся высокий вакуум. Такой прибор называется фотоэлементом. Если на

фотоэлемент свет не падает, то ток в цепи отсутствует, и амперметр

показывает ноль. При освещении его светом достаточно высокой частоты

амперметр показывает, что в цепи течёт ток. Опытным путём установлены

законы фотоэффекта:

1. Число электронов, вырываемых из вещества, пропорционально

интенсивности света.

2. Наибольшая кинетическая энергия вылетаю щах электронов

пропорциональна частоте света и не зависит ом его интенсивности.

З. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е..

наименьшая частота [pic] света, при которой ещё возможен фотоэффект.

Волновая теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта.

Трудности в объяснении этих законов привели Эйнштейна к созданию квантовой

теории света. Он пришёл к выводу, что свет представляет собой поток особых

частиц, называемых фотонами или квантами. Энергия фотонов ( равна (=h( ,

где ( — частота cвeтa, h - постоянная Планка.

Известно, что для вырывания электрона ему надо сообщить минимальную

энергию, называемую работой выхода А электрона. Если энергия фотона больше

или равна работе выхода, то электрон вырывается из вещества, т.е.

происходит фотоэффект. Вылетающие электроны имеют различные кинетические

энергии. Наибольшей энергией обладают электроны, вырываемые с поверхности

вещества. Электроны же, вырванные из глубины прежде, чем выйти на

поверхность теряют часть своей энергии при соударениях с атомами вещества.

Наибольшую кинетическую энергию Wк, которую приобретает электрон, найдём,

используя закон сохранения энергии,

[pic] или [pic]

где m и Vm – масса и наибольшая скорость электрона. Это соотношение можно

записать иначе:

[pic] или [pic]

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно

формулируется: энергия поглощённого фотона расходуется на работу выхода

электрона и приобретение им кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Пусть на

вещество падает монохроматический свет. Согласно квантовой теории,

интенсивность света пропорциональна энергии, которая переносится фотонами,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8