Дифракция волн Естественный и поляризованный свет Строение атомного ядра Закон радиоактивного распада Дифракционная решетка Электромагнитная природа света

Физика Курс лекций и примеры решения задач

Фотоэффект

Это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально интенсивности света.

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

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν0 (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν<ν0, то фотоэффект уже не происходит.

Эффект Комптона

Эффект Комптона (Комптон-эффект) — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами.

При рассеянии отона на покоящемся электроне частоты фотона \ \nuи \ \nu'(до и после рассеяния соответственно) связаны соотношением:

\nu'=\nu\;{1\over {1 + {h\nu\over {m_ec^2}}(1-\cos\Theta)}},

где \ \Theta — угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и после рассеяния).

Перейдя к длинам волн:

\ \lambda'-\lambda=\lambda_k(1-\cos\Theta),

где \lambda_k={h\over {m_ec}} — комптоновская длина волны электрона.

Для электрона \lambda_k=2,4263 \cdot 10^{-12}м. Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. В классической электродинамике рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние) не сопровождается уменьшением её частоты.

Тормозное рентгеновское излучение.

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома.

Закон Мозли

При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: \sqrt \nu  = A(Z - B),где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки).

Атомные спектры

Оптические спектры, получающиеся при испускании или поглощении электромагнитного излучения свободными или слабо связанными атомами (например, в газах или парах). Являются линейчатыми, то есть состоят из отдельных спектральных линий, характеризуемых частотой излучения v, которая соответствует квантовому переходу между уровнями энергии Ei и Ek атома согласно соотношению: hv = Ei-Ek где h-постоянная Планка. Спектральные линии можно характеризовать также длиной волны = c/v (с - скорость света), волновым числом = v/c и энергией фотона hv. Частоты спектральных линий выражают в с -1, длины волн - в нм и мкм, а также в А, волновые числа - в см -1, энергии фотонов - в эВ. Типичные атомные спектры наблюдаются в видимой, УФ- и ближней ИК-областях спектра. Спектры испускания, или эмиссионные, получают при возбуждении атомов различными способами (фотонами, электронным ударом и т.д.), спектры поглощения, или абсорбционные, - при прохождении электромагнитного излучения, обладающего непрерывным спектром, через атомарные газы или пары. Для наблюдения атомных спектров применяют приборы с фотографической или фотоэлектрической регистрацией.

Сериальные формулы

Эти формулы определяют частоту и длину волны света, излучаемого или поглощаемого атомом при переходе из одного состояния в другое.

Опыт Франка-Герца

На рисунке приведена схема опыта. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/2/2d/Franck-Hertz_exp01.jpg

  К катоду К и сетке C1 электровакуумной трубки, наполненной парами Hg (ртути), прикладывается разность потенциалов V, ускоряющая электроны, и снимается зависимость силы тока I от V. К сетке C2 и аноду А прикладывается замедляющая разность потенциалов. Ускоренные в области I электроны испытывают соударения с атомами Hg в области II. Если энергия электронов после соударения достаточна для преодоления замедляющего потенциала в области III, то они попадут на анод. Следовательно, показания гальванометра Г зависят от потери электронами энергии при ударе.

В опыте наблюдался монотонный рост I при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,9 В, то есть электроны с энергией Е < 4,9 эВ испытывали упругие соударения с атомами Hg и внутренняя энергия атомов не менялась. При значении V = 4,9 В (и кратных ему значениях 9,8 В, 14,7 В) появлялись резкие спады тока. Это определённым образом указывало на то, что при этих значениях V соударения электронов с атомами носят неупругий характер, то есть энергия электронов достаточна для возбуждения атомов Hg. При кратных 4,9 эв значениях энергии электроны могут испытывать неупругие столкновения несколько раз.

Таким образом, опыт Франка — Герца показал, что спектр поглощаемой атомом энергии не непрерывен, а дискретен, минимальная порция (квант электро-магнитного поля), которую может поглотить атом Hg, равна 4,9 эВ. Значение длины волны λ = 253,7 нм свечения паров Hg, возникавшее при V > 4,9 В, оказалось в соответствии со вторым постулатом Бора

 E_1 - E_0 = \frac {h c} {\lambda}

,где E0 и E1 — энергии основного и возбужденного уровней энергии. В опыте Франка — Герца, E0 — E1 = 4,9 эв.

№ 1.2.6.

При проведении процедуры гальванизации на электроды площадью S = 5 см2 подается напряжение U = 4 В. Участок тела человека между электродами состоит из мышечной ткани толщиной lм = 3 см, заключенной между двумя слоями увлажненной физраствором кожи толщиной lк = 0,5 мм каждый. Определить величину тока гальванизации, считая удельное сопротивление влажной кожи равным ρк = 10 Ом∙м, а мышечной ткани ρм = 3 Ом∙м.

Решение

Сила тока гальванизации может быть определена по закону Ома для участка цепи:

,  (1)

где R = Rк + Rм – сопротивление последовательной цепи из двух слоев кожи и слоя мышечной ткани. Сопротивление кожи найдем по формуле

, (2)

где ρк – удельное сопротивление кожи, lк – толщина кожи, S – площадь электродов. Множитель 2 появляется вследствие наличия в цепи двух слоев кожи.

Аналогично определяется сопротивление мышечной ткани:

.  (3)

Подставляя (2) и (3) в (1), найдем величину тока гальванизации

.


Дифракция ренгеновских лучей на пространственной решетке