Лекция 1. Законы отражения и преломления света.

Глава 1

Геометрическая оптика.

1. Законы отражения и преломления света.

2. Построения изображений в зеркалах и линзах.

3. Простые оптические приборы.

Лекция 2. Построение изображений в сферических зеркалах.

2.1 Построение изображений в выпуклом зеркале.

2.2 Построение изображений в вогнутом зеркале.

2.3 Построение изображений в рассеивающей линзе.

2.4 Построение изображений в собирающей линзе.

Сферическое зеркало представляет собой часть поверхности шара и может быть вогнутым или выпуклым. Хотя принято считать, что зеркала должны быть стеклянными, на практике сферические зеркала чаще делают металлическими.

Рис 2. 1

При построении изображения любой точки источника, нет надобности рассматривать много лучей. Для этого достаточно построить два луча; точка их пересечения определит местоположение изображения. Удобнее всего построить те лучи, ход которых легко проследить.

Луч 1 проходит через центр зеркала и поэтому нормален к поверхности зеркала. Этот луч возвращается после отражения точно назад вдоль побочной или главной оптической оси.

Луч 2 параллелен главной оптической оси зеркала. Этот луч после отражения проходит через фокус зеркала.

Луч 3, который от точки объекта проходит через фокус зеркала. После отражения от зеркала он идет параллельно главной оптической оси.

Луч 4, падающий на зеркало в его полюсе, отразится назад симметрично по отношению к главной оптической оси. Для построения изображения можно воспользоваться любой парой этих лучей.

Рис 2. 2

 

Построив изображения достаточного числа точек протяженного объекта, можно составить представление о положении изображения всего объекта. В случае простой формы объекта, указанной на рис. 2.2 (отрезок прямой, перпендикулярный к главной оси), достаточно построить всего одну точку изображения .

Рис 2. 3

2.1 Построение изображения в выпуклом зеркале.

Рис 2. 3

 

На рис. 2.2 дан пример построения изображения в выпуклом зеркале. Пучок лучей, падающий на выпуклое зеркало параллельно оптической оси, отражается так, как будто все лучи выходят из точки фокуса, находящейся за зеркалом на расстоянии R/2. Независимо от расположения предмета его изображение в выпуклом зеркале является мнимым, уменьшенным и прямым.

Лекция 3. Простые оптические приборы.

3.1 Лупа.

3.2 Микроскоп.

3.3 Телескоп.

3.4 Фотоаппарат.

3.5 Глаз.

Лупа

Одним из простейших оптических приборов является лупа — собирающая линза, предназначенная для рассматривания увеличенных изображений малых объектов. Линзу подносят к самому глазу, а предмет помещают между линзой и главным фокусом. Глаз увидит мнимое и увеличенное изображение предмета. Удобнее всего рассматривать предмет через лупу совершенно ненапряженным глазом, аккомодированным на бесконечность. Для этого предмет помещают в главной фокальной плоскости линзы так, что лучи, выходящие из каждой точки предмета, образуют за линзой параллельные пучки. На рисунке изображено два таких пучка, идущих от краев предмета. Попадая в аккомодированный на бесконечность глаз, пучки параллельных лучей фокусируются на ретине и дают здесь отчетливое изображение предмета.

 

Простейшим прибором для визуальных наблюдений является лупа. Лупой называют собирающую линзу с малым фокусным расстоянием . Лупу располагают близко к глазу, а рассматриваемый предмет — в ее фокальной плоскости. Предмет виден через лупу под углом.

(3.1)

где h — размер предмета. При рассматривании этого же предмета невооруженным глазом его следует расположить на расстоянии наилучшего зрения нормального глаза. Предмет будет виден под углом

(3.2)

Отсюда следует, что угловое увеличение лупы равно

(3.3)

Линза с фокусным расстоянием 10 см дает увеличение в 2,5 раза.

Рис 3. 1 Действие лупы: а — предмет рассматривается невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения ; б — предмет рассматривается через лупу с фокусным расстоянием F.

Угловое увеличение

Глаз находится очень близко к линзе, поэтому за угол зрения можно принять угол 2β, образованный лучами, идущими от краев предмета через оптический центр линзы. Если бы лупы не было, нам пришлось бы поставить предмет на расстоянии наилучшего зрения (25 см) от глаза и угол зрения был бы равен 2γ. Рассматривая прямоугольные треугольники с катетами 25 см и F см и обозначая половину предмета Z, можем написать:

(3.4)

где:

2β — угол зрения, при наблюдении через лупу;

2γ — угол зрения, при наблюдении невооруженным глазом;

F — расстояние от предмета до лупы;

Z — половина длины рассматриваемого предмета.

Принимая во внимание, что через лупу рассматривают обычно мелкие детали (а следовательно, углы γ и β малы), можно тангенсы заменить углами. Таким образом, получится следующее выражение для увеличения лупы:

(3.5)

Следовательно, увеличение лупы пропорционально , то есть её оптической силе.

3.2 Микроскоп .

Микроскоп применяют для получения больших увеличений при наблюдении мелких предметов. Увеличенное изображение предмета в микроскопе получается с помощью оптической системы, состоящей из двух короткофокусных линз — объектива O1 и окуляра O2 (рис. 3.2). Объектив даст действительное перевернутое увеличенное изображение предмета. Это промежуточное изображение рассматривается глазом через окуляр, действие которого аналогично действию лупы. Окуляр располагают так, чтобы промежуточное изображение находилось в его фокальной плоскости; в этом случае лучи от каждой точки предмета распространяются после окуляра параллельным пучком.

Рис 3. 2

Мнимое изображение предмета, рассматриваемое через окуляр, всегда перевернуто. Если же это оказывается неудобным (например, при прочтении мелкого шрифта), можно перевернуть сам предмет перед объективом. Поэтому угловое увеличение микроскопа принято считать положительной величиной.

Как следует из рис. 3.2, угол зрения φ предмета, рассматриваемого через окуляр в приближении малых углов

(3.6)

Приближенно можно положить d ≈ F1 и f ≈ l, где l — расстояние между объективом и окуляром микроскопа («длина тубуса»). При рассматривании того же предмета невооруженным глазом

(3.7)

В результате формула для углового увеличения γ микроскопа приобретает вид

(3.8)

Хороший микроскоп может давать увеличение в несколько сотен раз. При больших увеличениях начинают проявляться дифракционные явления.

 

У реальных микроскопов объектив и окуляр представляют собой сложные оптические системы, в которых устранены различные аберрации.

Телескоп

Телескопы (зрительные трубы) предназначены для наблюдения удаленных объектов. Они состоят из двух линз — обращенной к предмету собирающей линзы с большим фокусным расстоянием (объектив) и линзы с малым фокусным расстоянием (окуляр), обращенной к наблюдателю. Зрительные трубы бывают двух типов:

1) Зрительная труба Кеплера, предназначенная для астрономических наблюдений. Она дает увеличенные перевернутые изображения удаленных предметов и поэтому неудобна для земных наблюдений.

2) Зрительная труба Галилея, предназначенная для земных наблюдений, дающая увеличенные прямые изображения. Окуляром в трубе Галилея служит рассеивающая линза.

На рис. 15 изображен ход лучей в астрономическом телескопе. Предполагается, что глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность, поэтому лучи от каждой точки удаленного предмета выходят из окуляра параллельным пучком. Такой ход лучей называется телескопическим. В астрономической трубе телескопический ход лучей достигается при условии, что расстояние между объективом и окуляром равно сумме их фокусных расстояний .

Рис 3. 3

Зрительную трубу (телескоп) принято характеризовать угловым увеличением γ. В отличие от микроскопа, предметы, наблюдаемые в телескоп, всегда удалены от наблюдателя. Если удаленный предмет виден невооруженным глазом под углом ψ, а при наблюдении через телескоп под углом φ, то угловым увеличением называют отношение

(3.9)

Угловому увеличению γ, как и линейному увеличению Γ, можно приписать знаки плюс или минус в зависимости от того, является изображение прямым или перевернутым. Угловое увеличение астрономической трубы Кеплера отрицательно, а земной трубы Галилея положительно.

Угловое увеличение зрительных труб выражается через фокусные расстояния:

(3.10)

В качестве объектива в больших астрономических телескопах применяются не линзы, а сферические зеркала. Такие телескопы называются рефлекторами. Хорошее зеркало проще изготовить, кроме того, зеркала в отличие от линз не обладают хроматической аберрацией.

В России построен самый большой в мире телескоп с диаметром зеркала 6 м. Следует иметь в виду, что большие астрономические телескопы предназначены не только для того, чтобы увеличивать угловые расстояния между наблюдаемыми космическими объектами, но и для увеличения потока световой энергии от слабосветящихся объектов.

Разберем схему и принцип работы некоторых широко распространенных оптических приборов.

 

Фотоаппарат

Фотоаппарат — прибор, важнейшей частью которого является собирательная система линз — объектив. При обычном любительском фотографировании предмет расположен за двойным фокусным расстоянием, поэтому изображение будет между фокусом и двойным фокусным расстоянием, действительное, уменьшенное, перевернутое (рис. 16).

Рис 3. 4

 

На место этого изображения помещается фотопленка или фотопластинка (покрытые светочувствительной эмульсией, содержащей бромистое серебро), на некоторое время открывается объектив — пленка экспонируется. На ней появляется скрытое изображение. Попадая в специальной раствор — проявитель, «засвеченные» молекулы бромистого серебра распадаются, бром уносится в раствор, а серебро выделяется в виде темного налета на засвеченных частях пластинки или пленки; чем больше света попало при экспозиции на данное место пленки, тем темнее оно станет. После проявления и промывания необходимо изображение закрепить, для чего его помещают в раствор — закрепитель, в котором растворяется и уносится с негатива не засвеченное бромистое серебро. Получается изображение того, что было перед объективом, с перестановкой оттенков — светлые части стали темными и наоборот (негатив).

 

Для получения фотографии — позитива — необходимо через негатив осветить на некоторое время фотобумагу, покрытую таким же бромистым серебром. После ее проявления и закрепления получится негатив с негатива, т. е. позитив, в котором светлые и темные части будут соответствовать светлым и темным частям предмета.

 

Для получения качественного изображения большое значение имеет наводка на резкость — совмещение изображения и пленки или пластинки. Для этого у старых фотоаппаратов делалась подвижной задняя стенка, вместо светочувствительной пластинки вставлялась матовая стеклянная; двигая последнюю, на глаз устанавливали резкое изображение. Затем заменяли стеклянную пластинку светочувствительной и производили фотосъемку.

 

В современных фотоаппаратах для наводки на резкость используется выдвижной объектив, связанный с дальномером. При этом неизменными остаются все величины, входящие в формулу линзы, изменяются расстояние между объективом и пленкой до совпадения с f. Для увеличения глубины резкости — расстояний вдоль главной оптической оси, на которых предметы изображаются резко, — диафрагмируют объектив, т. е. уменьшают его отверстие. Но это уменьшают количество света, попадающее в аппарат, и увеличивает время необходимой экспозиции.

 

Освещенность изображения, для которого источником света является объектив, прямо пропорциональна площади его отверстия, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату диаметра d2. Освещенность также обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до изображения, в нашем случае почти квадрату фокусного расстояния F. Итак, освещенность пропорционально дроби , которую называют светосилой объектива. Корень квадратный из светосилы называют относительным отверстием и обычно указывают на объективе в виде надписи: . Современные фотоаппараты снабжаются целым рядом приспособлений, облегчающих труд фотографа и расширяющих его возможности (автозапуск, набор объективов с разными фокусными расстояниям, экспонометры, в том числе автоматические, автоматическая или полуавтоматическая наводка на резкость и т.д.). Широко распространена цветная фотография. В процессе освоения — фотография объемная.

Глаз

Человеческий глаз с оптической точки зрения представляет собой такой же фотоаппарат. Такое же (действительное, уменьшенное, перевернутое) изображение создается на задней стенке глаза — на светочувствительном желтом пятне, в котором сосредоточены особые окончание зрительных нервов — колбочки и палочки. Их раздражение светом передается нервам в мозг и вызывает ощущение видения. У глаза есть объектив — хрусталик, диафрагма — зрачок, даже крышка объектива веко. Во многих отношениях глаз совершеннее современных фотоаппаратов. Он автоматически наводится на резкость — измерением кривизны хрусталика под действием глазных мускулов, т. е. изменением фокусного расстояния. Автоматически диафрагмируются — сужением зрачка при переходе из темного помещения в светлое. Глаз дает цветное изображение, «запоминает» зрительные образы. Вообще, биологи и медики пришли к выводу, что глаз — вынесенная на периферию часть мозга.

Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение. Экспериментально доказано, сто при видении одним глазом картина с 10 м кажется плоской (при базе — расстояние между крайними точками зрачка, — равной диаметру зрачка). Глядя двумя глазами, мы видим плоской картину с 500 м (база — расстояние между оптическими центрами хрусталиков), т. е. можем на глаз определить размеры предметов, какой и на сколько ближе или дальше.

Для увеличения этой способности надо увеличить базу, это осуществляется в призматическом бинокле и в разного рода дальномерах (рис. 3.5).

Рис 3. 5

Но, как все на свете, даже такое совершенное создание природы, как глаз, не лишено недостатков. Во-первых, глаз реагирует только на видимый свет (и при этом с помощью зрения мы воспринимаем до 90% всей информации). Во-вторых, глаз подвержен многим заболеваниям, самым распространенным из которых является близорукость — лучи сводятся ближе сетчатки (рис. 3.6) и дальнозоркость — резкое изображение за сетчаткой (рис. 3.7).

Рис 3. 6

Рис 3. 7

В обоих случаях на сетчатке создается нерезкое изображение. Оптика позволяет помочь этим недугам. В случае близорукости надо подобрать очки с вогнутыми линзами соответствующей оптической силы. При дальнозоркости, наоборот, надо помочь глазу свести лучи на сетчатке, очки должны быть выпуклыми и тоже соответствующей оптической силы.

Глава 2

Волновая оптика.

1 Интерференция света

2 Дифракция света.

3 Поляризация света.

4 Дисперсия света.

5 Электромагнитная теория света.

Условие максимума.

Пусть разность хода между двумя точками:

(4.1)

тогда условие максимума:

(4.2)

т. е. на разности хода волн укладывается четное число полуволн

(k= 1, 2, 3,...).

Рис 4. 2

Условие минимума.

Пусть разность хода между двумя точками

(4.3)

тогда условие минимума:

(4.4)

т. е. на разности хода волн укладывается нечетное число полуволн (k= 1, 2, 3,...).

Рис 4. 3

Лекция 5. Дифракция света.

5.1 Принцип Гюйгенса – Френеля

5.2 Дифракционная решётка.

Опыт 5.1 Дифракция света на щели.

Оборудование:

1.

Рис 5. 1

Источник света.

2. Щель

Ход работы:

Постепенно открываем закрытую щель, наблюдаем, как появился максимум. По мере того, как увеличивается щель, наблюдается появление минимумов. При открытии щель, число минимумов и максимумов возрастает и стремится к максимуму. Если сильно открыть щель, то минимумы пропадут и дифракционной картины не будет. Сужаем щель, снова появились минимумы по мере того, как мы уменьшаем щель, минимумы исчезают, и вновь остаётся только
максимум

Рис 5. 2

Вывод: наличие полос на экране объясняется тем, что световые волны, приходящие из разных точек в одну точку на экране, интерферируют между собой.

Дифракция света – это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий.

Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами.

Принцип Гюйгенса – Френеля

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой.

Амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Принцип Гюйгенса-Френеля дает объяснение явлению дифракции:

1. вторичные волны, исходя из точек одного и того же волнового фронта (волновой фронт – это множество точек, до которых дошло колебание в данный момент времени), когерентны, т.к. все точки фронта колеблются с одной и той же частотой и в одной и той же фазе;

2. вторичные волны, являясь когерентными, интерферируют.

Явление дифракции накладывает ограничения на применение законов геометрической оптики:

Закон прямолинейного распространения света, законы отражения и преломления света выполняются достаточно точно только, если размеры препятствий много больше длины световой волны.

Дифракция накладывает предел на разрешающую способность оптических приборов:

- в микроскопе при наблюдении очень мелких предметов изображение получается размытым

- в телескопе при наблюдении звезд вместо изображения точки получаем систему светлых и темных полос.

Дифракционная решётка.

Дифракционная решетка - это оптический прибор для измерения длины световой волны.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

Если на решетку падает монохроматическая волна. то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.

Рис 5. 3

Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладыается целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать друг друга. При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) имеют радужную окраску.

(5.1)

Итак, условие максимума:

(5.2)

где k – порядок (или номер) дифракционного спектра

Чем больше штрихов нанесено на решетке, тем дальше друг от друга находятся дифракционные спектры и тем меньше ширина каждой линии на экране, поэтому максимумы видны в виде раздельных линий, т.е. разрешающая сила решетки увеличивается.

Точность измерения длины волны тем больше, чем больше штрихов приходится на единицу длины решетки.

Лекция 7. Дисперсия света.

7.1 Явление дисперсия света
7.2 Характер дисперсии. Метод скрещенных призм.

 

Явление дисперсия света

Опыт 7.1 Опыт Ньютона

Оборудование

Источник света

Стеклянная призма.

Ход работы:

Направим луч солнечного света через маленькое отверстие на стеклянную призму.

Рис. 7 1

Вывод:
Попадая на призму, луч преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов – спектр.

 

Дисперсией света называются явления, обусловлен­ные зависимостью показателя преломления вещества от частоты (или длины) световой волны. Эту зависимость можно охарактеризовать функцией:

 

n = f (λ ₀) (7.1)

где λ ₀ — длина световой волны в вакууме.

Первое экспериментальное исследование дисперсии света было выполнено Ньютоном в 1672 г. по способу преломления в стеклянной призме.

 

7.2 Характер дисперсии. Метод скрещенных призм.

 

 

Рис. 7 2

 

Характер дисперсии становится особенно наглядным, если применить метод скрещенных призм. Первая (вспо­могательная) стеклянная, призма разворачивает пучок света вдоль одного, направления (см. пунктирную по­лосу на рис 7.1, а и б). Вторая призма, изготовленная из исследуемого вещества, отклоняет каждый из луч в другом направлении. Это отклонение определяется зна­чением n (λ ₀) для данного вещества, так что получаю­щаяся на экране искривленная радужная полоса на­глядно передает ход показателя преломления с длиной волны λ ₀.

Для всех прозрачных бесцветных веществ функция n = f (λ ₀) имеет в видимой части спектра вид, показанный на рис. в. С уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается со все возрастающей ско­ростью, так что величина dn/d λ₀, называемая диспер­сией вещества, также увеличивается по модулю с уменьшением λ _0. Такой характер дисперсии называют нормальным. Рис. а соответствует случаю нор­мальной дисперсии.

Зависимость п от λ ₀ в области нормальной дисперсии может быть представлена приближенно формулой:

n = а+ + + …, (7.2)

где а, Ь, с,... — постоянные, значения которых для каж­дого вещества определяются экспериментально. В боль­шинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы, полагая

n = a + (7.3)

В этом случае дисперсия вещества изменяется по закону:

= - (7.4)

Если вещество поглощает часть лучей, в области по­глощения и вблизи от нее ход дисперсии обнаруживает аномалию рис. б. На некотором участке более ко­роткие волны преломляются меньше, чем более длин­ные. Такой ход зависимости п от λ ₀ называется ано­мальной дисперсией.

Глава 3

Квантовая оптика.

1.Тепловое излучение

2. Фотоны. Давление света.

3. Фотоэффект.

4. Рентгеновское излучение. Формула Вульфа Брэгга

 

Закон смещения Вина

Изучая термодинамику теплового излучения, Вин установил зависимость длины волны, соответствующей максимуму универсальной функции Кирхгофа, от температуры. Доказано, что при повышении температуры максимум универсальной функции Кирхгофа смещается в сторону более коротких волн и притом так, что выполняется соотношение

= b (8.6)

Экспериментально установлено значение постоянной Вина b = 2.898 м К. Закон Вина объясняет переход излучения в длинноволновую часть спектра при остывании (переход белого каления в красное при остывании металла).

Смещение длины волны в зависимости от температуры хорошо иллюстрируется экспериментальными кривыми, изображенными на рисунке.

 

Рис 8. 8

Формула Рэлея-Джинса.

Общий метод определения универсальной функции Кирхгофа, основанный на применении методов статистической физики к тепловому излучению был предложен Рэлеем, а затем развит Джинсом.

Согласно теореме статистической механики о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы в состоянии статистического равновесия на каждую поступательную и вращательную степень свободы приходится в среднем kT/2 энергии, а на колебательную степень свободы - kT.

Равновесное излучение в полости представимо системой стоячих электромагнитных волн. Каждое электромагнитное колебание обладает энергий kT, kT/2 приходится на электрическую составляющую, и kT/2 на магнитную составляющую электромагнитного колебания.

Рассчитав количество стоячих волн в единичном интервале частот приходящихся на единицу объема, Рэлей и Джинс получили выражение для универсальной функции

 

Кирхгофа в виде < >, а поскольку < >= kT, то окончательно

 

kT (8.7)

 

Формула Рэлея - Джинса удовлетворяет экспериментальным данным лишь в области низких частот. В области высоких частот она приводит к абсурдным результатам.

Рис 8. 13

Попытка получить из формулы Рэлея–Джинса закон Стефана–Больцмана (R ~ T ⁴) приводит к абсурду.

 

Интегрируя по всему диапазону частот, получаем, что энергетическая светимость абсолютно черного тела есть бесконечная величина.

 

 

(8.8)

Этот результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы», так как с точки зрения классической физики вывод Рэлея–Джинса был сделан безупречно.

8.6 Формула Планка.

Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света:

E = h (8.9)

где h – так называемая постоянная Планка. h = 6,626·10^–34 Дж·с. Постоянная Планка – это универсальная константа.

На основе гипотезы о прерывистом характере процессов излучения и поглощения телами электромагнитного излучения Планк получил формулу для спектральной светимости абсолютно черного тела. Формулу Планка удобно записывать в форме, выражающей распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела по частотам ν, а не по длинам волн λ.

 

r( (8.10)

Здесь c – скорость света, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Формула Планка хорошо описывает спектральное распределение излучения черного тела при любых частотах. Она прекрасно согласуется с экспериментальными данными. Из формулы Планка можно вывести законы Стефана–Больцмана и Вина. При h ν << kT формула Планка переходит в формулу Релея–Джинса.

Решение проблемы излучения черного тела ознаменовало начало новой эры в физике. Нелегко было примириться с отказом от классических представлений, и сам Планк, совершив великое открытие, в течение нескольких лет безуспешно пытался понять квантование энергии с позиции классической физики.

Основные свойства фотона

1. Является частицей электромагнитного поля.

2. Движется со скоростью света.

3. Существует только в движении.

4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Энергия фотона:

E =h или E = = (9.1)

где h – Постоянная Планка.

 

Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как

E = m (9.2)

 

Отсюда - масса фотона:

m= (9.3)

Импульс фотона:

P = mc = (9.4)

 

Импульс фотона направлен по световому пучку.

Как известно, поток частиц, сталкивающихся с поверхностью тела, оказывает на него давление. По аналогии с этим поток света, т.е. поток фотонов, падающих на тело, должен создавать давление. Впервые давление света было измерено российским физиком П.Н. Лебедевым с помощью крутильных весов.

Опыт. 9.1 Измерение Давление света с помощью крутильных весов.

Схема установки и её описание:

 

.

Рис 9. 1 Схема крутильных весов, использованных П.Н. Лебедевым для измерения давления света. Н – серебряная нить, С – стержень с укреплёнными на нём дисками-крылышками (К).

Ход работы:

В стеклянном сосуде, в котором создавали вакуум, на серебряной нити (Н) подвешивали тонкий стержень (С) с закрепленными на нём белыми и чёрными тонкими дисками-крылышками (К) толщиной 0,1 – 0,01 мм и диаметром 5 мм, сделанными из металла или слюды. Так как давление света на белые диски больше, чем на чёрные, то крутильные весы поворачивались, и по их углу поворота можно было судить о величине этого давления. Давление света в солнечный день составляет около 4^.10^-6 Па, что согласуется с величиной, которую можно вывести, исходя из теории электромагнитного поля Максвелла.

Вывод: Вычислив давление света в солнечный день, напрашивается вывод, что давление света в солнечный день составляет около 4^.10^-6 Па, что согласуется с величиной, которую можно вывести, исходя из теории электромагнитного поля Максвелла.

Пусть свет падает перпендикулярно на зеркальную поверхность тела, полностью отражающую фотоны. При отражении модуль импульса фотона сохраняется, а направление его вектора изменяется на противоположное. Поэтому при отражении фотон передает зеркальной поверхности импульс, равный 2 h / c. Если на 1 м² зеркальной поверхности перпендикулярно ей в течение 1 с падает n фотонов, то оказываемое этим потоком света давление составит 2nh / c.

Если свет, падающий на поверхность тела, не отражается от него (абсолютно чёрное тело), то в результате неупругого соударения фотон отдаёт весь свой импульс телу. Поэтому давление потока света, перпендикулярно падающего на поверхность абсолютно чёрного тела, будет равно nh / c, т.е. в два раза меньше, чем его давление на зеркальную поверхность

Приходим к выводу, что если свет, падающий на поверхность не отражается от него, то давление потока света, перпендикулярно падающего на поверхность абсолютно чёрного тела будет в два раза меньше, чем его давление на зеркальную поверхность.

Лекция 10. Фотоэффект.

10.1 Явление фотоэффект.

10.2 Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

10.3 Законы внешнего фотоэффекта.

Явление фотоэффекта.

Опыт 10.1.Фотоэффект.

Рис 10. 1

Оборудование:

1. Электрометр

2. Свеча

3. Эбонитовая палочка.

Ход работы:

Поднесём палочку к электрометру, палочка заряжена. Поднесём палочку к свече, а потом к электрометру, палочка нейтральна. Направим на цинковую пластинку электрометра поток ультрафиолетовых лучей. Рассмотрим два случая:

1. заряжаем электрометр отрицательно при освещении пластинки ультрафиолетовыми лучами. Видим, что наблюдается нейтрализация заряда.

2. заряжаем положительно направляем поток ультрафиолетовых лучей на пластинку разряд электрометра. Видим, почти не наблюдается

Вывод: результаты опытов позволяют предположить, что ультрафиолетовые лучи выбивают электроны из заряженной пластины Явление вырывания электронов ультрафиолетовым светом называется внешним фотоэффектом.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Фотоэффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества. Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны -фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

 

Законы внешнего фотоэффекта

Столетовым Александром Григорьевичем (1839 - 1896) экспериментально были установлены законы внешнего фотоэффекта.