Вопросы для самопроверки
1. Что представляет собой свет? Какие его основные свойства?
2. В чём сущность явления интерференции света?
3. Чем поляризованный свет отличается от неполяризованного?
4. Как на практике применяется явление поляризации света?
5. В чём сущность явления дифракции света?
6. Почему компакт-диски имеют радужный отлив?
ЛЕКЦИЯ 12.
Физическая оптика
План лекции:
1. Дисперсия света. Спектры. Спектральный анализ.
2. Световые кванты. Гипотеза Планка. Фотоэффект.
3. Люминесценция. Лазеры.
4. Тепловое (инфракрасное) излучение.
5. Ультрафиолетовое излучение
1. Дисперсия света. Спектры. Спектральный анализ.
Великий английский учёный Исаак Ньютон заметил, что луч белого солнечного света, проникший в тёмную комнату через щель в ставнях и прошедший через трёхгранную стеклянную призму разложился в радужную полоску. При этом цвета в этой полоске чередовались именно в том порядке, в каком они чередовались в радуге. Рассмотрим прохождение белого света через трёхгранную призму:
На наименьший угол отклоняется красный луч, на наибольший угол – фиолетовый. Все остальные цвета располагаются между ними. Этот порядок расположения цветов называется спектром. В спектре цвета располагаются в таком порядке:
Красный
Оранжевый
Жёлтый
Зелёный
Голубой
Синий
Фиолетовый.
Для того, чтобы лучше запомнить порядок расположения цветов в спектре, нужно из первых букв названий цветов составить такую фразу: «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан».
Дальнейшие исследования показали, что спектры бывают разные: сплошные, линейчатые и полосатые. Но во всех спектрах строго соблюдается порядок чередования цветов.
Сплошной спектр представляет радужную полоску, в которой один цвет плавно переходит в другой, нет никаких разрывов, нет и ярких эмиссионных линий. Сплошной спектр дают нагретые до достаточно высокой температуры твердые и жидкие тела (расплавленные металлы). При этом, все сплошные спектры – одинаковые и по спектру невозможно определить, какое именно вещество излучает.
Газы, возбуждённые электрическим разрядом, излучают линейчатый спектр. Он представляет собой яркие эмиссионные линии на тёмном фоне. Цвет линий в точности соответствует цвету того же самого участка сплошного спектра. Интересно отметить, что каждый химический элемент, находящийся в газообразном состоянии, даёт свой собственный, характерный только для него, набор спектральных линий. Таким образом, по типу линейчатого спектра можно определить, какое именно вещество излучает. Такой метод исследования называется спектральным анализом. С помощью этого метода можно определить не только то, какое именно вещество излучает, но и определить, в какой именно пропорции вещества находятся вещества в их смеси. Спектральный анализ используется в различных областях науки и техники.
2. Световые кванты. Гипотеза Планка. Фотоэффект.
Исследования, проведённые на рубеже 19 и 20 веков, показали, что с изменением длины световой волны возникают и качественные различия в свойствах света. Основной вклад в исследование внесли учёные Макс Планк, Александр Столетов, Альберт Эйнштейн. Исследования показали, что свет испускается и поглощается отдельными порциями, величина которых зависит от частоты. Иными словами, энергия света носит дискретныйхарактер. То есть, существует наименьшая порция световой энергии, меньше которой не существует. Эта наименьшая энергия называетсясветовым квантом.
Энергия кванта зависит от частоты: E = h
где h– постоянная Планка = 6,62*10-34Дж с ;- частота света в Гц.
Впервые такую гипотезу высказал М.Планк. Дальнейшие исследования эту гипотезу блестяще подтвердили. Чем выше частота светового излучения, тем выше энергия кванта. Самым наглядным доказательством гипотезы Планка является явление фотоэффекта.
Явление, при котором свет отрывает от атома электрон, называется фотоэффектом.
А.В.Столетов, тщательно исследовав явление фотоэффекта, пришёл к выводу, что для каждого вещества существует пороговое значение частоты падающего света, с которой начинается фотоэффект. Если частота падающего света будет меньше этого значения, то фотоэффект наблюдаться не будет, несмотря на очень высокую интенсивность падающего излучения. Это наименьшее значение частоты, с которой начинается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта (мин)Это объясняется тем, что для того, чтобы оторвать электрон от атома, нужно затратить определённое количество энергии. Это значение энергии, необходимое для отрыва электрона от атома, называетсяработой выхода (Авых).Если энергия падающего на вещество света выше, чем значение работы выхода, то излишек энергии пойдёт на сообщение выбитому электрону кинетической энергии. Это отображается формулой Эйнштейна для фотоэффекта:
h = Aвых + mv2/2
Следует отметить, что кванты света не могут суммировать свою энергию: если один квант не может вырвать электрон из атома, то не вырвут и десять квантов, и миллион. Но если энергия кванта будет больше работы выхода, тогда даже один квант вызовет фотоэффект. И чем выше частота излучения, тем больше будет скорость выбитых из вещества электронов, если только энергия кванта будет больше работы выхода.
Фотоэффект наблюдается как на поверхности металлов, так и в полупроводниках. На поверхности металлов наблюдается внешнийфотоэффект, так как выбитый электрон выбрасывается во внешнее пространство и металл при этом заряжается положительно. В полупроводниках наблюдаетсявнутреннийфотоэффект, при котором свет от атома полупроводника отрывает электрон и этот электрон остаётся внутри вещества. На месте оторванного электрона остаётся вакансия – «дырка». Таким образом, при внутреннем фотоэффекте свет порождает электронно-дырочные пары.
Внешний фотоэффект используется в специальных приборах – фотоэлементах, которые раньше устанавливались в звуковых блоках кинопроекционной аппаратуры и в различных устройствах автоматики и телемеханики. В настоящее время фотоэлементы заменяются полупроводниковыми приборами, работающими на внутреннем фотоэффекте: фоторезисторами, фотодиодами, фототранзисторами. Кроме того, на внутреннем фотоэффекте работают матрицы, преобразующие изображение в электрические сигналы, которые установлены в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. На внутреннем фотоэффекте также работают и фотогальванические элементы, которые преобразуют световую энергию в электрическую (солнечные батареи).