- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 3
- •1.Волновая оптика
- •1.1.Световой вектор. Уравнение плоской световой волны
- •1.2. Интерференция световых волн. Условия, необходимые для осуществления интерференции
- •1.3.Условия максимумов и минимумов при интерференции световых волн
- •1.4.Интерференция в тонких пленках
- •1.5. Кольца Ньютона
- •Контрольные вопросы
- •Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция от одной щели.
- •Дифракция на одномерной дифракционной решётке
- •Угловая дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки
- •Угловая дисперсия равна:
- •Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке
- •Поглощение света
- •Поляризация света. Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация при отражении и преломлении
- •Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
- •Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
- •1.Явления квантовой оптики
- •1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина
- •1.3.Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка
- •1.4.Оптическая пирометрия
- •1.5.Квантовая природа света. Фотон и его характеристики.
- •1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
- •1.7. Эффект Комптона
- •1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
- •1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
- •2.Элементы квантовой механики
- •2.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •2.2. Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция
- •Уравнение Шредингера
- •2.5.Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •Понятие о туннельном эффекте
- •1. Автоэлектронная (холодная) эмиссия электронов
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Здесь и совпадает с формулой радиуса первой боровской орбиты; численное значение этого параметра равно;a – множитель, который можно определить из условия нормировки волновой функции:
- •2.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •2.11. Спектр атома водорода
- •2.12. Распpеделение электpонов в атоме по энеpгетическим состояниям. Пеpиодическая система элементов д.И.Менделеева
- •2.13. Рентгеновское излучение
- •2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •2.15. Лазеры
- •1. Инверсия населенностей
- •2. 16. Способы создания инверсии населенностей
- •2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
- •2.18. Принципиальная схема лазера
- •2.17. Линейный гаpмонический осциллятоp
- •3.6. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
- •Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
- •4.Зонная теория твёрдых тел
- •4.1. Энергетические зоны электронов в кристалле
- •4.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики в зонной теории твёрдых тел
- •4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
- •4.4. Примесная проводимость полупроводников
- •4.5. Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике
- •4.6. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Электронно-дырочный переход
- •Внутренний фотоэффект
- •Воздействие излучения на полупроводник. Фоторезистивный эффект
- •Устройство и характеристики фоторезисторов
- •Применение фоторезисторов
- •Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
- •Применение вентильного фотоэффекта
- •Биполярный транзистор
- •Состав и характеристики атомного ядра
- •Характеристики атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля
- •Радиоактивность
- •Ядерные реакции
- •Деление атомных ядер
- •Элементарные частицы
- •2 Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.
1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
Волновая (электромагнитная) природа света подтверждается такими явлениями как интерференция, дифракция, поляризация. В тоже время закономерности теплового излучения, фотоэффект, эффект Комтона можно объяснить только на основе квантовых представлений о свете. Давление и преломление света одинаково хорошо объясняется как волновой, так и квантовой теорией.
Возникает вопрос: что же такое свет – волна или поток частиц (фотонов)?
Детальное рассмотрение оптических явлений приводит к выводу, что свет одновременно обладает и корпускулярными и волновыми свойствами. Эта особенность проявляется и в формулах, связывающих его корпускулярные характеристики (энергию и импульс) с волновыми характеристиками (частота, длина волны):
Взаимосвязь между корпускулярными и волновыми свойствами света можно объяснить на основе статистического подхода. Рассмотрим прохождение света через щель. Если ширина щели по порядку величины сравнима с длиной волны, то на экране возникает дифракционная картина. С квантовой точки зрения это означает, что при прохождении света через щель фотоны перераспределяются в пространстве, и вероятность их попадания в различные точки экрана неодинакова. Обозначим эту вероятность символом P. Интенсивность света в разных точках экрана пропорциональна этой вероятности:I ~ P.
По волновой теории интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны: I ~ A2.
Следовательно, квадрат амплитуды световой волны является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку пространства.
1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
Какое излучение называется тепловым? Назовите свойства теплового излучения.
В каких единицах измеряются:
энергетическая светимость тела;
спектральная плотность энергетическая светимости;
поглощательная способность тела?
Какое тело называется абсолютно черным? Как можно представить себе модель абсолютно чёрного тела?
В чём заключается закон Кирхгофа? В чём состоит смысл функции Кирхгофа?
Какие законы теплового излучения вы знаете?
На рис. изображено распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Какая кривая соответствует более высокой температуре? Аргументируйте ответ.
На рис. представлено распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Какая кривая соответствует более низкой температуре? Аргументируйте ответ.
Из смотрового окошечка печи излучается поток = 4 кДж/мин. Определить температуру Т печи, если площадь окошечкаS= 8 см2.
Средняя энергетическая светимость Rповерхности Земли равна 0,54 Дж/(см2мин). Какова должна быть температураТповерхности Земли, если условно считать, что она излучает как серое тело с коэффициентом черноты= 0,25?
Чёрное тело имеет температуру Т1= 500 К. Какова будет температура Т2тела, если в результате нагревания поток излучения увеличится вп = 5 раз?
Абсолютно чёрное тело находится при температуре 2900 К. В результате остывания тела длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, изменилась на =9 мкм. До какой температуры охладилось тело?
Температура абсолютно чёрного тела Т=2 кК. Определить длину волныm, на которую приходится максимум энергии излучения, и энергетическую светимость тела.
Определить температуру Т и энергетическую светимость (излучательность) RT абсолютно чёрного тела, если максимум энергии излучения приходится на длину волны m = 600 нм.
Как и во сколько раз изменится поток излучения абсолютно чёрного тела, если максимум энергии излучения переместится с красной границы видимого спектра (кр= 780 нм) на фиолетовую (ф= 390 нм)?
Исследование спектра излучения Солнца показывает, что максимум спектральной плотности энергетической светимости соответствуют длине волны 500 нм. Принимая Солнце за абсолютно чёрное тело, определить: а) энергетическую светимость Солнца; б)массу, теряемую Солнцем за счет излучения. Радиус Солнца равен 6,95·108м.
Что означает выражение: «ультрафиолетовая катастрофа»?
В чём состоит квантовая гипотезаПланка? Каким выражением определяется энергия кванта?
Совокупность каких методов называется оптической пиpометpией?
Какая температура тела называется
радиационной,
цветовой,
яркостной?
Какие явления называются фотоэффектом? Какие виды фотоэффекта вы знаете?
Какая зависимость называется вольт-амперной характеристикой внешнего фотоэффекта? Изобразите её на рисунке и проведите её анализ.
Какие законы внешнего фотоэффекта вы знаете?
Что называют «красной границей»внешнего фотоэффекта? От чего она зависит?
Запишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Объясните смысл входящих в него величин.
На цинковую пластинку направлен монохроматический пучок света. Фототок прекращается при задерживающей разности потенциалов Umiп= 1,5 В. Определить длину волны света, падающего на пластину. Для цинка работа выхода электроновА= 4,0 эВ.
Красная граница фотоэффекта для цинка 0 = 310 нм. Определить максимальную кинетическую, энергию фотоэлектронов в электрон-вольтах, если на цинк падает свет с длиной волны = 200 нм.
На рис.1 приведены вольт-амперные характеристики вакуумного фотоэлемента. Чем отличались условия их получения?
На рис.2 представлены вольт-амперные характеристики одноговакуумного фотоэлемента. Объясните причину различия этих кривых. Аргументируйте ответ.
На рис. 2 представлены вольтамперные характеристики двухвакуумных фотоэлементов при освещении их одним источником света. Чем отличаются фотокатоды этих фотоэлементов? Аргументируйте ответ.
На металлическую пластинку направлен пучок ультрафиолетового излучения ( = 0,25 мкм). Фототок прекращается при минимальной задерживающей разности потенциаловUmiп= 0,96 В. Определить работу выхода электронов из металла.
На поверхность металла падает монохроматический свет с длиной волны = 0,1 мкм. Красная граница фотоэффекта0 = 0,3 мкм. Какая доля энергии фотона расходуется на сообщение электрону кинетической энергии?
На металл падает рентгеновское излучение с длиной волны = 1 нм. Пренебрегая работой выхода, определить максимальную скорость фотоэлектронов.
При поочередном освещении поверхности некоторого металла светом с длинами волн 1 = 0,35 мкми2 = 0,54 мкмобнаружили, что соответствующие максимальные скорости фотоэлектронов отличаются в 2 раза. Найти работу выхода с поверхности этого металла.
Фотон с энергией 1 = 0,51 МэВбыл рассеян при эффекте Комптона на свободном электроне на угол = 180°.Определить кинетическую энергию электрона отдачи.
Определите максимальное изменение длины волны maxпри комптоновском рассеянии света на свободных электронах и свободных протонах.
Фотон при эффекте Комптона был рассеян на угол =/2. Определить импульср(в МэВ/с), приобретенный электроном, если энергия фотона до рассеяния была1 = 1,02 МэВ.
Назовите явления, которыми подтверждается
волновая природа света;
квантовая природа света.
В чём заключается коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света?