В Внешний фотоэффект – это испускание электронов веществом под действием света. Фотоэффект был открыт Г.Герцем в 1887 г. систематически исследован А.Г.Столетовым в 1888-1890гг

Глоссарий к лекции 20 (3)
Тепловое излучение. Фотоэффект
А
Абсолютно чёрное тело (АЧТ) поглощает всё излучение, падающее на него. Поглощательная способность абсолютно черного тела равна единице для всех длин волн: 13 EMBED Equation.3 1415. АЧТ – идеализация; в природе не существует абсолютно чёрных тел. Тела, покрытые сажей или платиновой чернью, приближаются по своим свойствам к абсолютно черным лишь в ограниченном интервале длин волн. Наиболее совершенной моделью черного тела может служить небольшое отверстие в непрозрачной стенке замкнутой полости (рис.). Луч света, попадающий внутрь через отверстие, претерпевает многократные отражения от стенок полости, прежде чем он выйдет обратно. При каждом отражении происходит частичное поглощение энергии света стенками. Поэтому независимо от материала стенок интенсивность света, выходящего из полости через отверстие, во много раз меньше интенсивности падающего извне первичного излучения. Эта модель тем ближе по характеристикам к чёрному телу, чем больше отношение площади поверхности полости к площади отверстия.

В
Внешний фотоэффект – это испускание электронов веществом под действием света.
Фотоэффект был открыт Г.Герцем в 1887 г.; систематически исследован А.Г.Столетовым в 1888-1890гг. Основные законы фотоэффекта были экспериментально открыты Столетовым ещё ДО ОТРЫТИЯ ЭЛЕКТРОНА Дж.Томсоном в 1897 году.
Второй закон Вина: максимальное значение спектральной плотности энергетической светимости прямо пропорционально пятой степени абсолютной температуры: 13 EMBED Equation.2 1415. Здесь 13 EMBED Equation.2 1415 – вторая константа Вина.
Вольтамперная характеристика фотоэлемента (см. рисунки; установка Леннарда). При отсутствии напряжения ток в цепи есть, поскольку наиболее энергичные электроны достигают анода. При увеличении напряжения ток в цепи фотоэлемента сначала растёт: на анод оттягиваются электрическим полем также и менее энергичные электроны. Затем ток достигает насыщения Iнас.: все электроны, покинувшие катод в результате фотоэффекта, достигают анода, и ток больше расти не может. С увеличением светового потока Ф сила тока насыщения увеличивается.
При обратном включении (на катоде – плюс, на аноде – минус) электрическое поле между катодом и анодом «загоняет» электроны обратно к катоду, и только самые энергичные способны преодолеть это задерживающее поле и достичь анода. С увеличением обратного напряжения ток уменьшается и при задерживающем напряжении Uз электроны не могут дойти до анода – ток прекращается.

Д
Давление света. Световая волна переносит энергию и импульс, а значит, при падении на поверхность оказывает давление. При нормальном падении света давление равно pд=w(
·+1), или 13 EMBED Equation.3 1415, где w – объёмная плотность энергии волны;
· – коэффициент отражения, равный 1 для зеркальной поверхности и нулю – для абсолютно чёрной (поглощающей всё излучение), с – скорость света в вакууме; I – интенсивность света, равная энергии, переносимой за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную лучу: 13 EMBED Equation.3 1415.
Если свет падает на поверхность под углом
·, то нормальное давление равно 13 EMBED Equation.3 1415.
З
Закон Кирхгофа: отношение монохроматической интенсивности излучения к поглощательной способности тела не зависит от природы тела; является универсальной (одинаковой для всех тел) функцией длины волны и температуры (универсальная функция Кирхгофа – см. график функции): 13 EMBED Equation.2 1415. Смысл этого закона: тело, хорошо поглощающее лучи каких-либо длин волн, лучи тех же длин волн будет хорошо излучать; а если данную длину волны не поглощает, то и излучать не будет.
Закон был получен из второго начала термодинамики, а затем подтверждён экспериментально.

Закон смещения Вина – см. первый закон Вина.
Закон Стефана-Больцмана. Полная энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры: RT=
·T4. Постоянная Стефана-Больцмана ( была определена опытным путем: 13 EMBED Equation.3 1415.
Законы внешнего фотоэффекта.
1) Сила тока насыщения прямо пропорциональна световому потоку и не зависит от частоты света: Iнас.=
·Ф.
2) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.
3) Существует красная граница фотоэффекта, то есть такая частота
·0, при которой начинается фотоэффект: при 13 EMBED Equation.3 1415 фотоэффект есть, а при
·<
·0 фотоэффекта нет. Красная граница – своя для каждого вещества катода.
4) Фотоэффект безинерционен. Это было замечено ещё Столетовым.
Законы фотоэффекта не могут быть объяснены волновой теорией. Они получили объяснение в 1905 г. А. Эйнштейном на основании гипотезы о световых квантах: свет поглощается отдельными порциями – фотонами с энергией
·
·=h
·. Фотон попадает на катод, поглощается электроном и передаёт ему эту энергию.
И
Интегральная интенсивность излучения (полная энергетическая светимость) RT численно равна энергии всех длин волн, излучаемой за единицу времени с единичной площади поверхности тела: 13 EMBED Equation.3 1415.
К
Квантовая гипотеза Планка. Для объяснения законов теплового излучения Макс Планк выдвинул гипотезу, совершенно чуждую представлениям классической физики. Он предположил, что электромагнитное излучение испускается и поглощается дискретными порциями энергии – квантами электромагнитного поля (фотонами). Энергия такого кванта пропорциональна частоте колебаний
·
·=h
·, а коэффициент пропорциональности h=6.63.10-34Дж.с – постоянная Планка – получил название в честь автора квантовой гипотезы.
Комптоновское рассеяние – это упругое рассеяние рентгеновского излучения на свободных электронах (или протонах, или нейтронах). В рассеянных лучах наряду с первичным излучением с длиной волны
· присутствует излучение с длиной волны
·’>
· (рис.), причём изменение длины волны
·
· зависит только от угла рассеяния
·:

·
·=
·’–
·=
·С(1-cos
·).
Здесь 13 EMBED Equation.3 1415;
·С =2.43 пм – комптоновская длина волны.
С точки зрения классической электродинамики объяснение рассеяния с изменением длины волны невозможно. Эффект становится объяснимым, если полагать, что электромагнитное излучение представляет поток фотонов, каждый из которых обладает энергией
·
·=h
· и импульсом 13 EMBED Equation.3 1415 и использовать законы сохранения энергии и импульса (см.рис.) для системы фотон-электрон.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота света
·0, при которой возможен фотоэффект. Фотоэффект возможен только в том случае, если энергии фотона хватит электрону на работу выхода. Минимальная энергия фотона, вызывающего фотоэффект, равна работе выхода электрона из металла: h
·0=Aвых., откуда красная граница: 13 EMBED Equation.3 1415. Соответствующая длина волны (также называемая красной границей) равна 13 EMBED Equation.3 1415; причём фотоэффект есть при 13 EMBED Equation.3 1415 и отсутствует при
·>
·0. Красная граница – своя для каждого вещества катода.
О
Оптическая пирометрия – метод измерения температуры нагретых тел на расстоянии путём сравнения яркостей свечения нагретых тел (см. оптический пирометр).
Оптический пирометр позволяет измерять температуру нагретых тел на расстоянии. Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания. В поле зрения объектива наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки (рис.). Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы, нить будет видна более тёмной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет"). В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент "исчезновения" нити улавливается с достаточной уверенностью. Измерительный прибор, включенный в цепь нити накаливания, градуируется в °С (или К) яркостной температуры.
П
Первый закон Вина (закон смещения Вина). Длина волны
·m, на которую приходится максимум монохроматической интенсивности излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре: 13 EMBED Equation.2 1415. Здесь b=2.9.10-3 м.К – первая константа Вина. Смысл закона: при повышении температуры максимум излучения смещается в область более коротких волн.

Полная энергетическая светимость – см. интегральная интенсивность излучения.
Р
Радиационная температура тела равна температуре абсолютно черного тела, при которой его яркость равна яркости излучающего тела. То есть, излучательная способность серого тела RT=a
·T4 равна излучательной способности абсолютно чёрного, имеющего температуру, равную радиационной Трад.: 13 EMBED Equation.3 1415, откуда 13 EMBED Equation.3 1415. Здесь а<1 – коэффициент серости. Для «серых» тел при одинаковой яркости излучения (при одинаковой радиационной температуре) истинная температура выше радиационной температуры.
С
Серое тело. Если поглощательная способность тела одинакова для всех длин волны и не равна 1, тело называют серым: a
·,T=a=const<1. Величина а называется коэффициентом серости (или коэффициентом черноты). Полная энергетическая светимость серого тела равна RT=a
·T4 (см. законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа).
Спектральная плотность энергетической светимости (монохроматическая интенсивность излучения) численно равна энергии, излучаемой за единицу времени с единичной площади поверхности тела в единичном интервале длин волн: 13 EMBED Equation.3 1415 или частот: 13 EMBED Equation.3 1415.
Спектральная поглощательная способность тела – это величина, показывающая, какую долю энергии падающего излучения в интервале длин волн [(( ((d(] вблизи данной длины волны ( тело поглощает: 13 EMBED Equation.3 1415.
Т
Тепловое излучение. Электромагнитное излучение тела, обусловленное тепловым движением молекул (атомов), называется тепловым. Любое тело с температурой выше абсолютного нуля (Т>0) излучает. Спектр теплового излучения – сплошной. Законы теплового излучения, сначала установленные экспериментально, получили объяснение в квантовой теории М.Планка.
У
Ультрафиолетовая катастрофа – невозможность решения проблемы теплового излучения методами классической физики. Классическая физика оказалась несостоятельной при описании теплового излучения: с точки зрения классической физики вывод формулы Рэлея-Джинса для спектральной энергетической светимости 13 EMBED Equation.3 1415 безупречен, но она расходилась с экспериментальными данными, причём особенно сильно в коротковолновой области (отсюда и название – ультрафиолетовая) – см. рис.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: 13 EMBED Equation.3 1415 – это закон сохранения энергии для системы фотон-электрон. Фотон с энергией
·
·=h
· попадает на катод, поглощается электроном и передаёт ему энергию. Часть энергии электрон тратит на работу выхода, часть остаётся у него в виде кинетической энергии, и часть может быть передана кристаллической решётке. Тогда максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна 13 EMBED Equation.3 1415; она линейно зависит от частоты света (от энергии одного фотона) и не зависит от интенсивности света.
Ф
Формула Планка. Исходя из предположения, что электромагнитное излучение испускается и поглощается дискретными порциями – квантами – с энергией
·
·=h
·, Планк получил, что спектральная плотность энергетической светимости абсолютно чёрного тела равна 13 EMBED Equation.2 1415, или, при переходе от частоты к длине волны: 13 EMBED Equation.2 1415. Это и есть формула Планка; она хорошо согласуется с экспериментальными данными (см.рис.) и позволяет получить законы Вина и Стефана-Больцмана.

Фотон – квант электромагнитного поля. Гипотезу о квантах впервые предложил М. Планк для объяснения законов теплового излучения, затем развил А. Эйнштейн при объяснении законов внешнего фотоэффекта. Свет излучается, распространяется и поглощается отдельными порциями, квантами – фотонами. Фотоны переносят энергию и импульс: энергия фотона равна
·
·=h
·; импульс 13 EMBED Equation.3 1415. Здесь
· – частота света,
· – длина волны света, c – скорость света в вакууме, h=6.625·10-34 Дж.с – постоянная Планка. Масса фотона равна нулю.
Фотоэлектрон – электрон, выбитый с поверхности катода фотоном в результате внешнего фотоэффекта.
Фотоэффект – см. внешний фотоэффект, законы фотоэффекта.
Э
Эффект Комптона – см. комптоновское рассеяние.








13 PAGE \* MERGEFORMAT 14815




Ф2>Ф1





Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 12578569
    Размер файла: 579 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий