Характеристики (скорость, длина волны)

Длина волны lв, — кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 360°. Фаза — это состояние (стадия) периодического процесса

Скорость - Если волна пробегает в секунду 100 метров, при этом ее частота 50 Гц (50 колебаний в секунду), то в 100 метрах уложится 50 колебаний, и значит 1 колебание занимает 2 метра.

3.Принцип радиосвязи. Радиолокация. Телевидение.

Принцип радиосвязи - Радиосвязь - это разновидность беспроводной связи, у которой в качестве сигнала используются, распространяемые в пространстве, радиоволны. Принцип радиосвязи основан на передачи сигнала от передающего устройства, содержащего передатчик и передающую антенну, путем перемещения радиоволн в открытом пространстве, приемному устройству, содержащему приемную антенну и радиоприемник. Гармонические колебания с несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот, подвергаются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал. От передатчика радиосигнал поступает в антенну, с помощью которой в окружающем пространстве возбуждаются соответственно модулированные электромагнитные волны. Свободно перемещаясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. Принятый радиосигнал поступает в электронный усилитель, демодулируется, далее выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы колебания с несущей частотой в радиопередатчике. После этого, дополнительно усиленный сигнал, преобразуется при помощи соответствующего воспроизводящего устройства в сообщение, аналогичное исходному. В местах приёма на радиосигнал могут накладываться электромагнитные колебания от посторонних источников радиоизлучений, способные помешать качественному воспроизведению сообщений, называемые помехами радиоприёму. Влияние на качество радиосвязи могут оказывать изменение во времени затухания радиоволн на пути распространения от передающей антенны к приёмной и распространение радиоволн одновременно по двум или нескольким траекториям различной протяжённости. В последнем случае электромагнитное поле в месте приёма представляет собой сумму взаимно смещенных во времени радиоволн, интерференция которых также вызывает искажения радиосигнала. Поэтому и эти явления относят к категории помех радиоприёму. Принципы радиосвязи далеко не новы. За это время радиосредства прошли путь от первых передатчиков сигналов азбуки Морзе до систем спутниковой связи. Радиоэфир наполнился музыкой радиостанций, сигналами далеких галактик и нашими разговорами. Однако с тех пор не изменилось главное - радиоволны.

Радиолокация - область науки и техники, объединяющая методы и средства локации (обнаружения и измерения координат) и определения свойств различных объектов с помощью радиоволн. Близким и отчасти перекрывающимся термином является радионавигация, однако в радионавигации более активную роль играет объект, координаты которого измеряются, чаще всего это определение собственных координат. Основное техническое приспособление радиолокации — радиолокационная станция (РЛС, англ. radar).

Различают активную, полуактивную, активную с пассивным ответом и пассивную радиолокацию. Радиолокаторы различаются по используемому диапазону радиоволн, по виду зондирующего сигнала, числу применяемых каналов, числу и виду измеряемых координат, месту установки РЛС.

Телевидение - комплекс устройств для передачи движущегосяизображения и звука на расстояние. В обиходе используется также для обобщённого обозначения организаций, занимающихся производством и распространением телевизионных программ. Вместе с радиовещанием является наиболее массовым средством распространения информации (политической, культурной, научно-познавательной или учебной), а также одним из основных средств связи.

Блок 4 – «Световые волны»

1.Корпускулярно – волновой дуализм - принцип, согласно которому любой физический объект может быть описан как с использованием математического аппарата, основанного на волновых уравнениях, так и с помощью формализма, основанного на представлении об объекте как о частице или как о системе частиц. В частности, волновое уравнение Шрёдингера не накладывает ограничений на массу описываемых им частиц, и следовательно, любой частице, как микро-, так и макро-, может быть поставлена в соответствие волна де Бройля. В этом смысле любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные (квантовые) свойства^[1].

2. Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча.
Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света, он ничего не утверждает об интенсивности отражённого света.

3.Закон преломления света - Преломление света — явление, при котором луч света, переходя из одной среды в другую, изменяет направление на границе этих сред закон преломления света

Преломление света происходит по следующему закону:
Падающий и преломленный лучи и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред:
закон преломления света,
где α — угол падения,
β — угол преломления,
n — постоянная величина, не зависящая от угла падения.

При изменении угла падения изменяется и угол преломления. Чем больше угол падения, тем больше угол преломления.
Если свет идет из среды оптически менее плотной в более плотную среду, то угол преломления всегда меньше угла падения: β < α.
Луч света, направленный перпендикулярно к границе раздела двух сред, проходит из одной среды в другую без преломления.

4.Явление полного отражения света - Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

Полное отражение, это прохождение света из среды оптически более плотной в среду менее плотную. При этом может наблюдаться явление, при котором луч, падающий на границу раздела двух сред, полностью отражается, не проникая во вторую среду. Это явление называется полным отражением.
Угол падения, при котором преломленный луч идет по границе раздела двух сред (угол преломления равен 90 °), называется предельным углом полного отражения:
Sin a/sin 90 = N1/N2

5.Линзы: собирающие и рассеивающие

В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например пузырёк воздуха в воде — двояковыпуклая рассеивающая линза.

6.Формула тонкой линзы (оптическая сила линзы)

Оптическая сила линзы — величина, обратная к фокусному расстоянию линзы, выраженному в метрах.

В системе СИ — (Дптр) — диоптрии

Одна диоптрия — это оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой равно 1 м. Для собирающей линзы, оптическая сила будет положительной, а вот для рассеивающей линзы, она отрицательна.

Для нахождения оптической силы линзы, необходимо знать её фокусное расстояние, которое находится по формуле:

Например, если нам дано, что линза имеет фокусное расстояние (F) 50 сантиметров, то ее оптическая сила будет равняться 2. Фокусное расстояние должно быть в метрах.

В Формуле мы использовали:

— Оптическая сила линзы

— Фокусное расстояние линзы

— Расстояние от предмета, до линзы

— Расстояние от линзы, до изображения

7.Дисперсия света(опыт Ньютона) - Дисперсия света предоставила возможность впервые достаточно достоверно обосновать составную сущность белого света. Так же этот феномен можно увидеть, к примеру, при преломлении света в частицах воды, на траве или в атмосфере при формировании радуги или же около фонарей в тумане.

Один из наиболее убедительных маркеров дисперсии — разложение белого света при пропускании его сквозь призму (опыт Ньютона). Ньютон устремил луч солнечного света сквозь небольшой просвет на стеклянную призму.

Попадая на призму, луч преломлялся и образовывал на противостоящей стене растянутый рисунок радужной последовательности цветов – спектр.

Запомнить полученную последовательность не сложно: " К аждый О хотник Ж елает З нать, Г де С идит Ф азан".

Далее ученый, наоборот, сконцентрировал исходящие из призмы цветные лучи, применив собирающие линзы, и получил на белой стене вместо окрашенной полосы белое изображение просвета.

Ньютоном были сделан ряд заключений:

- призма не изменяет свет, а только разделяет его на составляющие;

- световые лучи, различающиеся по цвету, различаются по степени преломляемости;

.

- у света красного цвета фазовая скорость распространения в среде наибольшая, а степень преломления — наименьшая;

- у света фиолетового цвета фазовая скорость распространения в среде наименьшая, а степень преломления — наибольшая.

Взаимосвязь значения преломления света от его цвета обозначается дисперсией.

И все же в отдельных средах (к примеру в парах йода) проявляется феномен аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от человека скрыты. Вообще, аномальная дисперсия обширно представлена, к примеру, она имеет место фактически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, и все же у паров йода она достаточно благоприятна для мониторинга в оптическом диапазоне, где они чрезвычайно интенсивно поглощают свет.

8. Интерференция света - Когда два источника излучают синусоидальныеволны одинаковой частоты, то в месте встречи возникает интерференционная картина. Однако если попытаться поставить такой же опыт с помощью двух независимых источников света, излучающих одинаковый свет, то никакой интерференционной картины не возникнет — в месте встречи обеих волн мы будем наблюдать просто суммирование интенсивностей света.

В 1675 г. Ньютон создал специальную установку «кольца Ньютона», что позволило ему наблюдать интерференцию, но он не нашел объяснения происхождению световых максимумов и минимумов.

В 1801 г. Томас Юнг смог наблюдать интерференцию света при помощи установки:

.

-

9.Дифракция света. Дифракционная решётка (условия дифракционного min и max)

Дифра́кция све́та — явление, наблюдаемое при распространении света в среде с резкими неоднородностями. Свет отклоняется от прямолинейного распространения при прохождении его через малое отверстие или узкие щели (0,1—1,0 мм). В этом случае лучи света распространяются не только прямо, но и в стороны, отчего вокруг светлого кружка или светлой полосы появляется цветная кайма — дифракционные кольца или полосы. Первые легко наблюдать, если смотреть сквозь малое отверстие на стоящий недалеко источник света. Чем меньше отверстие, тем больше диаметр первого кольца дифракции. С увеличением отверстия его диаметр уменьшается. Дифракция ухудшает резкость изображения при очень сильном диафрагмировании объектива. Она начинает сказываться с относительного отверстия 1:8—1:11

Вследствие дифракции при освещении непрозрачных экранов на границе тени, где, согласно законам геометрической оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд светлых и тёмных дифракционных полос.

Дифракция света - явление огибания светом препятствия вследствие интерференции вторичных волн от источников на краях препятствия. Условие дифракции: Размеры препятствий должны быть меньше или равны размеру волн.

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЁТКА - оптич. элемент, представляющий собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (канавок, щелей, выступов), нанесённых тем или иным способом на плоскую или вогнутую оптич. поверхность. Д. р. используется в спектральных приборах в качестве диспергирующей системы для пространственного разложения эл--магн. излучения в спектр. Фронт световой волны, падающей на Д. р., разбивается её штрихами на отдельные когерентные пучки, к-рые, претерпев дифракцию на штрихах, интерферируют (см. Интерференция света), образуя результирующее пространственное распределение интенсивности света - спектр излучения.

Блок 5 – «Излучение и спектры»

1.Источники Света. Виды излучений

Виды излучений - Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.
Тепловое излучение Наиболее простой и распространенный вид излучения – это тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет. Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник. Лишь около 12% всей энергии, выделяемой в нити лампы электрическим током, преобразуется в энергию света. Наконец, тепловым источником света является пламя. Крупинки сажи (не успевшие сгореть частицы топлива) раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет.

Источник света - любой объект, излучающий электромагнитную энергию в видимой области спектра^[1]. По своей природе подразделяются на искусственные и естественные.

В физике идеализированы моделями точечных и непрерывных источников света.

2.Виды спектров (сплошной, линейчатый, полосатый)

Линейчатый - Линейчатые спектры представляют собой набор цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. Изолированные атомы химического элемента излучают строго определенные длины волн.
Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Полосатый - Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

Сплошной - непрерывный спектр, спектр электромагнитного излучения, распределение энергии в котором характеризуется непрерывной функцией частоты излучения [φ(ν)] или длины его волны [f(λ),
Согласно квантовой теории, С. с. возникает при квантовых переходах между двумя совокупностями уровней энергии, из которых по крайней мере одна принадлежит к непрерывной последовательности уровней (к непрерывном у энергетическому спектру). Примером может служить С. с. атома водорода, получающийся при переходах между дискретными уровнями энергии с различными значениями квантового числа n и непрерывной совокупностью уровней энергии, лежащих выше границы ионизации (свободносвязанные переходы); в поглощении С. с. соответствует ионизации атома Н (переходы электрона из связанного состояния в свободное), в испускании — рекомбинации электрона и протона (переходы электрона из свободного состояния в связанное).

3.Спектральный анализ, и его применение

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ, физический метод качественного и количественного определения состава вещества, проводимый по его спектрам оптическим. Различают атомный и молекулярный спектральный анализ, эмиссионный (по спектрам испускания) и абсорбционный (по спектрам поглощения). В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений; в количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах. Применяется в промышленности, сельском хозяйстве, геологии и др. Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов. Мощным инструментом обработки данных, определенных дискретной зависимостью y(xi) или непрерывной функцией f(x) (полученной, например посредством интерполяции или регрессии, как об этом рассказано в главе 13), является спектральный анализ, имеющий в своей основе различные интегральные преобразования. Спектральный анализ используется как в целях подавления шума, так и для решения других проблем обработки данных. Спектром совокупности данных у (х) называют некоторую функцию другой координаты (или координат) F(w), полученную в соответствии с определенным алгоритмом. Примерами спектров являются преобразование Фурье (см. разд. 14. Т) и вейвлет-преобразование (си. разд. 14.2). Напомним, что некоторые преобразования, например, Фурье и Лапласа, можно осуществить в режиме символьных вычислений (см. главу 5). Каждое из интегральных преобразований эффективно для решения своего круга задач анализа данных.

Задачами, непосредственно связанными со спектральным анализом, являются проблемы сглаживания и фильтрации данных (см. разд. 14.3). Они заключаются в построении для исходной экспериментальной зависимости y(xi) некоторой (непрерывной или дискретной) зависимости f (х), которая должна приближать ее, учитывая к тому же, что данные (xi,yi) получены с некоторой погрешностью, выражающей шумовую компоненту измерений. При этом функция f (х) с помощью того или иного алгоритма уменьшает погрешность, присутствующую в данных (xi,yi). Такого типа задачи называют задачами фильтрации. Сглаживание путем построения регрессии данных (см. разд. 13.2) — это частный случай фильтрации.

4.Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны^[1] λ = 0,74 мкм и частотой 430 ТГц) и микроволновым радиоизлучением (λ ~ 1—2 мм, частота 300 ГГц).

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].

Весь диапазон инфракрасного излучения условно делят на три области:

· ближняя: λ = 0,74—2,5 мкм;

· средняя: λ = 2,5—50 мкм;

· далёкая: λ = 50—2000 мкм.^[3]

Длинноволновую окраину этого диапазона иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн — терагерцевое 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.

5.Ультафиолетовое излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн УФ-излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм (7,5·10¹⁴—3·10¹⁶ Гц). Термин происходит от лат. ultra — сверх, за пределами и фиолетовый. Вразговорной речи может использоваться также наименование «ультрафиолет»^[1].

6.Ренгеновское излучение - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10⁻² до 10² Å (от 10⁻¹² до 10⁻⁸ м)^[1].

Блок 6 –«Световые кванты»

1.Световые кванты. Энергия кванта света

Световые кванты - Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют явление испускания электронов веществом под действием света. Оно было открыто Г. Герцем в 1887 г., а первые экспериментальные исследования были выполнены русским ученым А. Г. Столетовым, который установил.

Энергия кванта света - У всех классических механических волн (в жидкостях, газах и твердых телах) главный параметр, определяющий энергию волны, — это ее амплитуда (точнее, квадрат амплитуды). В случае света амплитуда определяет интенсивность излучения. Однако при изучении явления фотоэффекта — выбивания светом электронов из металла — обнаружилось, что энергия выбитых электронов не связана с интенсивностью (амплитудой) излучения, а зависит только от его частоты. Даже слабый голубой свет выбивает электроны из металла, а самый мощный желтый прожектор не может выбить из того же металла ни одного электрона. Интенсивность определяет, сколько будет выбито электронов, — но только если частота превышает некоторый порог. Оказалось, что энергия в электромагнитной волне раздроблена на порции, получившие название квантов. Энергия кванта электромагнитного излучения фиксирована и равна

E = h ν,

где h = 4·10^–15 эВ · с = 6·10^–34 Дж · с — постоянная Планка, еще одна фундаментальная физическая величина, определяющая свойства нашего мира. С отдельным электроном при фотоэффекте взаимодействует отдельный квант, и если его энергии недостаточно, он не может выбить электрон из металла. Давний спор о природе света — волны это или поток частиц — разрешился в пользу своеобразного синтеза. Одни явления описываются волновыми уравнениями, а другие — представлениями о фотонах, квантах электромагнитного излучения, которые были введены в оборот двумя немецкими физиками — Максом Планком и Альбертом Эйнштейном.

Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. Один электрон-вольт (1 эВ) равен энергии, которую приобретает электрон, когда разгоняется электрическим полем напряжением 1 вольт. Это очень небольшая величина, в единицах системы Си 1 эВ = 1,6·10^–19 Дж. Но в масштабах атомов и молекул электрон-вольт — вполне солидная величина.

От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией — если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс.

Немного забегая вперед, приведем примеры. Энергии СВЧ-квантов хватает для возбуждения вращательных уровней основного электронно-колебательного состояния некоторых молекул, например воды. Энергии в доли электрон-вольта хватает для возбуждения колебательных уровней основного состояния в атомах и молекулах. Этим определяется, например, поглощение инфракрасного излучения в атмосфере. Кванты видимого света имеют энергию 2–3 эВ — этого достаточно для нарушения химических связей и провоцирования некоторых химических реакций, например, тех, что протекают в фотопленке и в сетчатке глаза. Ультрафиолетовые кванты могут разрушать более сильные химические связи, а также ионизировать атомы, отрывая внешние электроны. Это делает ультрафиолет опасным для жизни. Рентгеновское излучение может вырывать из атомов электроны с внутренних оболочек, а также возбуждать колебания внутри атомных ядер. Гамма-излучение способно разрушать атомные ядра, а самые энергичные гамма - кванты даже внедряются в структуру элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны.

2.Фотоэффект - или фотоэлектрический эффект — испускание электронов веществом под действием света или любого другого электромагнитного излучения. В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

3.Законы фотоэффекта - Формулировка 1-го закона фотоэффекта (закона Столетова): 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 при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта

4.Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта -

Эйнштейн в 1905 г. дал объяснение фотоэффекта, развив идею Планка о преры­вающемся испускании света:

E = hv.

Исходя из заявления Эйнштейна, из явления фотоэффекта вытекает, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии E = hv сохраняет свою ин­дивидуальность и далее. Поглотиться может лишь вся порция полностью. Эта порция имеет название фотона.

Если фотон передает электрону энергию hv, которая является больше или равной величине работы А по удале­нию электрона с поверхности металла, значит, электрон покидает поверхность этого металла. Разность между hv и А приводит к образованиюкинетической энергии электрона. Следствие из закона сохранения энергии:

.

Эта формула является уравнением Эйнштейна, которое описывает каждый из законов фотоэффекта. Следствием из уравнения Эйнштейна является то, что кинетическая энергия электрона линейно зависит от частоты v и никак не зависит от интенсивности излучения. Так как общее число электронов n, которые покидают по­верхность металла, пропорционально числу падающих фотонов, значит, величина n оказывается пропорциональной интенсивности падающего излучения.

Красную границу фотоэффекта можно получить из , если скорость электрона, который покидает металл, приравнять к нулю:

,

то есть красная граница фотоэффекта зависит лишь от работы выхода А. С учетом того, что , из получаем значение предельной длины волны:

^.

5.Красная граница фотоэффекта - При длинах волн, больших λ_min, то есть расположенных ближе к красным волнам, фотоэффект не наблюдается. Именно поэтому и появилось название предельной длины волны λ_min — красная граница фотоэффекта.

6.Фотон (энергия, импульс, и масса фотона) –

Энергия фотона - это энергия элементарной частицы (фотона), квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света.

Распространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных частиц, движущихся со скоростью равную скорости света в вакууме. В 1926 году эти частицы получили название фотонов. Фотоны обладают всеми свойствами частицы (корпускулы).

Таким образом энергия фотона увеличивается с ростом частоты (или с уменьшением длины волны), например, фотон фиолетового света (0.38 мкм) имеет большую энергию, чем фотон красного света (0.77 мкм).

Так же фотон имеет:

Массу фотона:

Импульс фотона:

В формуле мы использовали:

— Энергия фотона

— Постоянная Планка

— Частота волны

— Скорость света в вакууме

— Длина волны

— Масса фотона

Импульс фотона - это импульс элементарной частицы (фотона), квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это частица, способная существовать и иметь массу только двигаясь со скоростью света.

Фотон — это элементарная частица, которая всегда движется со скоро­стью света, а если остановится (что невозможно), то масса фотона станет нулевой, то есть масса покоя будет равняться 0. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя.

Масса фотона - это масса элементарной частицы (фотона), квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это частица, способная существовать и иметь массу только двигаясь со скоростью света.

Фотон не может иметь массу покоя, она будет равняться нулю. Фотон обладает массу, когда он двигается со скорость света.

7.Применение фотоэффекта - Практическое применение фотоэффекта в технике может быть разнообразным. В частности, внешний фотоэффект применяется для воспроизведения звука, например, в кино. Кроме того, созданы специальные приборы для измерения яркости, силы света, освещенности. Явление фотоэффекта задействовано в управлении производственными процессами. Для этого есть специальные приборы, называемые фотоэлементами.

Фотоэлементы и их применение основаны на факте изменения проводимости при изменении освещенности. В основном такие элементы используются в системах контроля и учета, например, подсчета готовой продукции. Другое их назначение – контроль попадания объекта в запретную зону. Если рука оператора пресса попадает в рабочую зону, то пресс сразу останавливается. Это срабатывает фотоэлемент. Такое же устройство стоит в упоминавшемся ранее турникете в метро: если оплата проведена (фотоэлемент отключен), то проход открыт, если нет (фотоэлемент включен), то закрыт. Повышение задымленности воздуха тоже приводит к срабатыванию фотоэлемента, сигнализирующего о критической ситуации. Использование фотоэлементов в обрабатывающих станках позволило добиться повышенной точности обработки деталей.

Другой возможностью является применение фотоэффекта в качестве источника тока, или солнечных батарей. В подобных устройствах работа основана на разновидности внутреннего фотоэффекта, называемого вентильным фотоэффектом. В этом случае при попадании света на контакт двух полупроводников возникает ЭДС, вследствие чего возможно прямое преобразование световой в электрическую энергию. Подобные солнечные батареи изготавливаются на основе соединений арсенида галлия. Они позволяют получать электроэнергию без нанесения вреда экологии – солнце освещает поверхность батареи, и на выходе получается готовая к потреблению энергия. Нет никаких сложных механических устройств, нет необходимости сжигать топливо или строить мощные плотины. Однако такое применение фотоэффекта сопряжено в настоящее время со значительными трудностями. Во-первых, сами солнечные батареи дороги и, соответственно, будет дорогой получаемая электроэнергия. Во-вторых, КПД подобного преобразования не превышает 26%. Правда, работы в направлении повышения эффективности и уменьшения стоимости преобразования светового потока продолжаются, и можно надеяться, что в скором времени будут готовы достаточно эффективные и дешевые солнечные батареи. Ведь даже сейчас потребность космических станций в электроэнергии обеспечивают солнечные батареи. Да и в местах, где в течение года наблюдается много солнечных дней, работают подобные преобразователи. Перспективы использования солнечной энергии очень заманчивые. Проведены эксперименты, доказывающие, что энергия солнца позволяет плавить металл. А если еще вспомнить легенду, согласно которой древнегреческий ученый Архимед, используя зеркала, смог при помощи солнечного света сжечь римские корабли, то можно не сомневаться в неограниченных возможностях применения света как источника энергии. В представленном материале рассмотрено применение фотоэффекта, механизм его возникновения и разновидности. Приведены примеры практического использования явления фотоэффекта в технике.

Блок 7 – «Физика Атома»

1.Строение Атома - 1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре.
3. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (нуклонов). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.
4. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

2.Модель Томсона - Модель атома Томсона - модель атома, согласно которой атом имеет форму шара, положительный заряд которого распределен равномерно по всему объему, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него, причем их суммарный отрицательный заряд равен положительному заряду шара, так что в целом атом электрически нейтрален. Электроны взаимодействуют с элементами положительно заряженной среды по закону Кулона. При отклонении электрона от положения равновесия возникают силы, стремящиеся возвратить его в исходное положение, что порождает колебания электронов и обуславливает излучение атомов.

3.Планетарная модель атома - Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой ядро находится в центре атома, а электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Заряды электронов уравновешиваются положительным зарядом ядра, и атом в целом остается электронейтральным.
Возникающая вследствие вращения электронов центробежная сила уравновешивается электростатическим притяжением электронов к противоположно заряженному ядру.
Опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10^-14–10^-15 м. Это ядро занимает только десятую-двенадцатую часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Опыты по рассеянию α-частиц позволили не только установить существование атомного ядра, но и определить его заряд. Оказалось, что положительный заряд ядра атома численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе. Следовательно, порядковый номер элемента не просто регистрирует его положение в периодической системе, а является важнейшей константой элемента, выражающей положительный заряд ядра его атома. Из электронейтральности атома следует, что и количество вращающихся вокруг ядра электронов равно порядковому номеру элемента. Таков физический смысл порядкового номера элемента в Периодической системе элементов.

4.Квантовые постулаты Бора - Первый постулат:
Атомы имеют ряд стационарных состояний соответствующих определенным значениям энергий: Е1, Е2...En. Находясь в стационарном состоянии, атом энергии не излучает и не поглощает, несмотря на движение электронов.

Второй постулат:
В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам, для которых выполняется квантовое соотношение:
m•V•r = n•h/2•p
где m•V•r =L - момент импульса, n=1,2,3...,h-постоянная Планка.

Третий постулат:
Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или поглощается порция энергии (квант), равная разности энергий стационарных состояний, между которыми происходит переход:
ε= h• ν= Em-En

Постулаты Бора противоречат законам классической физики. Они выражают характерную особенность микромира - квантовый характер происходящих там явлений. Выводы, основанные на постулатах Бора, хорошо согласуются с экспериментом. Например, объясняют закономерности в спектре атома водорода, происхождение характеристических спектров рентгеновских лучей и т. д. На рисунке показана часть энергетической диаграммы стационарных состояний атома водорода.

Стрелками показаны переходы атома, приводящие к излучению энергии. Видно, что спектральные линии объединяются в серии, различающиеся тем, на какой уровень с других (более высоких) происходит переход атома.

5.Радиоактивность – превращение атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц и электромагнитного излучения. Отсюда и название явления: на латыни radio – излучаю, activus – действенный. Это слово ввела Мария Кюри. При распаде нестабильного ядра – радионуклида из него вылетают с большой скоростью одна или несколько частиц высокой энергии. Поток этих частиц называют радиоактивным излучением или попросту радиацией.