Фотоелектричний ефект та його спостереження

Спостерігається під час проходження світла через малі отвори і огинання ними перешкод. (Чим менший отвір, тим сильніша дифракція). Пучок світлових променів, який проходить через маленький отвір, огинає його краї і на екрані видно світлу пляму, розмір якої більший, ніж той, що має бути в разі прямолінійного поширення світла. Якщо відстань між екраном і отвором збільшити, то на екрані виникне характерна дифракційна картина — система світлих і темних смуг, яка утворилась в результаті того, що світлові хвилі, які прийшли внаслідок дифракції з різних точок отвору в одну точку на екрані, інтерферують між собою.

Явище дифракції обмежує роздільну здатність оптичного мікроскопа, оскільки зображення предметів, лінійні розміри яких близькі до довжини хвилі видимого світла, виходять розмитими. Роздільна здатність оптичного телескопа також обмежена явищем дифракції, бо, наприклад, зображення далекої зірки внаслідок дифракції, має вигляд не точки, а системи світлих і темних кілець. Якщо зірки за напрямком близькі, то їх не розрізнити, бо кільця перекриваються.

5 ДИФРАКЦІЙНА РЕШІТКА — оптичний прилад, що складається з великої кількості однакових паралельних щілин, які розміщені на однакових відстанях одна від одної. Дифракційна решітка – це скляна тонка пластинка, на яку нанесені паралельні штрихи з проміжками між ними

Дифракційна решітка характеризується періодом:

де - ширина решітки; - кількість щілин, а — ширина щілин, b — ширина непрозорих проміжків.

Її дія ґрунтується на дифракції світла від багатьох щілин, що внаслідок складної інтерференції променів утворює своєрідну картину: різкі вузькі максимуми, розділені практично темними проміжками.

Якщо на решітку падає біле світло, то однаково розтягнуті кольорові спектри різних порядків розміщуються симетрично до центральної білої плями, причому хвилі з меншою довжиною — ближче до неї.

Інтерференційний максимум спостерігається під кутом , що визначається ФРМУЛОЮ ДИФРАКЦІЙНОЇ РЕШІТКИ:

,

де — порядок максимуму.

Промисловість виготовляє дифракційні грати, які містять 50 штрихів/мм, 100 штрихів/мм, 600 штрихів/мм, 1200 штрихів/мм і дзеркальні грати з 6000 штрихів/мм.

Грати використовують в приладах для спектрального аналізу.

Внаслідок інтерференції дифрагованих променів можна спостерігати «Райдугу на диску»:

На фото - звичайні компакт-диски: Завдяки дифракції на концентричних доріжках виявляється офарбованим.

6 ПРИРОДНЕ ТА ПОЛЯРИЗОВАНЕ СВІТЛО. Відомо, що світловіхвилі поперечні: вектори напруженості електричного Е та магнітного H полів взаємно перпендикулярні і коливаються в площині, яка перпендикулярна до вектора швидкості поширення хвилі (тобто до напрямку поширення хвилі). Площина, в якій відбуваються коливання вектора Е, називається площиною поляризації.

Світло з найрізноманітнішими рівно імовірними орієнтаціями вектора Е називається природним або неполяризованим.

Світло, в якому напрямки коливань якимсь чином впорядковані, називається поляризованим.

Схематично на рис. зображено хвилю поляризовану по колу.

Світло, в якому вектор Е коливається в певній площині, називається плоскополяризованим або лінійно поляризованим(рис.17,б).

Природне світло можна перетворити в плоскополяризоване за допомогою поляризаторів, пристроїв, які пропускають коливання тільки визначеного напрямку (наприклад, пропускають коливання, паралельні площині поляризатора, і повністю затримують коливання, перпендикулярні до цієї площини.

Класичні досліди з турмаліном: рис.

ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА ПРИ ВІДБИВАННІ ТА ЗАЛОМЛЕННІ СВІТЛА на межі поділу двох діелектриків.

Якщо природне світло падає на межу поділу двох діелектриків (наприклад, повітря і скло), то частина його відбивається, а частина заломлюється в другому середовищі. Якщо на шляху відбитого і заломленого променів поставити аналізатор (наприклад, турмалін), то можна виявити, що відбитий і заломлений промені частково поляризовані: при обертанні аналізатора навколо променів інтенсивність світла періодично підсилюється і слабне (повного гасіння не спостерігають). Подальші дослідження показали, що у відбитому промені переважають коливання, які перпендикулярні до площини падіння (на рис.20 вони позначені крапками), а у заломленому промені – коливання, паралельні площині падіння (на рис. вони позначені стрілками).

Шотландський фізик Брюстер встановив закон, згідно з яким відбитий промінь є повністю плоскополяризованим при куті падіння ί_В (кут Брюстера), який задовольняє умову:

tg ί_B = n₂₁

n₂₁ – показник заломлення другого середовища відносно першого, відбитий промінь буде плоскополяризованим (тобто буде мати тільки коливання, перпендикулярні до площини падіння). Заломлене світло при куті падіння ίВ поляризується максимально, але не повністю.

Якщо світло падає на межу розподілу під кутом Брюстера, то напрями поширення відбитої і заломленої хвиль взаємно перпендикулярні

ДИСПЕРСІЯ СВІТЛА. СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ

1 Дисперсія світла.

2 Кольори тіл.

3Спектральні апарати.

4 Види спектрів.

5 Спектральний аналіз.

1 ДИСПЕРСІЯ СВІТЛА. Якщо пропустити пучок білого світла через скляну призму, то на екрані виникне розширена кольорова смужка з неперервною (плавною) зміною кольорів від червоного до фіолетового, її називають спектром. Розкладання білого світла в спектр у процесі проходження через призму — прояв дисперсії.

Вперше дисперсію спостерігав Ньютон (1672р): пропускав в кімнату світловий пучок через отвір в ставні.

Дисперсією світла називають залежність показника заломлення речовини п, від довжини хвилі. Дисперсія пояснюється взаємодією світла з речовиною, в якій воно поширюється. В результаті цієї взаємодії швидкість v буде менша у тих світлових хвиль, в яких частота більша. А оскільки , то світлові хвилі з більшою частотою заломлюватимуться сильніше. Це і зумовлює розкладання білого світла у спектр. Найбільша у речовині швидкість світлових хвиль — які ми сприймаємо як червоні, найменша — як фіолетові. (У вакуумі швидкості хвиль різного сприйняття кольору однакові). Тому найменше заломлюються червоні промені, найбільше — фіолетові.

Дисперсією пояснюється утворення веселки — вражаючого атмосферного явища.

Веселка — атмосферное оптичне і метеорологичнее явище, спостерігаеться звичайно після дощу або (істотно рідше) перед ним. Воно виглядає як різнобарвна дуга або коло, складена із кольорів спектра. Веселка виникає через те, що сонячне світло заломлюється в крапельках води дощу або тумана, що знаходятся в атмосфері.

Слід ракети на закаті: Його края окрашено у всі кольори радуги із-за заломлення світла в кристалах льоду, які утворились на великій висоті у струї газу, що викинуто ракетою. Астроном Джеймс Янг помітив, що хмара схожа на білого голуба, що летить по небу.

2 КОЛЬОРИ ТІЛ. Подібно до того, як частота коливань у звуковій хвилі визначає тональність звуку, що його сприймають органи слуху людини, частота коливань у світловій хвилі визначає колірність світла, що його сприймають органи зору людини. Колір — суб'єктивне поняття, характеристика зорових відчуттів людини. У людей з дефектами зору (дальтоніків) уявлення про колір не збігаються з уявленнями більшості людей.

Світлові випромінювання, що впливають на око й викликають відчуття кольору, розділяють на прості (монохроматичні) і складні. Випромінювання з певною частотою (довжиною хвилі) називають монохроматичним.

Колір прозорого тіла визначається складом того світла, яке проходить через нього. Якщо пропускати біле світло через пофарбовані скельця, то вони пропускають ті кольори, в які пофарбовані. На цьому ґрунтується застосування світлофільтрів.

Колір непрозорого тіла визначається сумішшю кольорів, які воно відбиває. Тіло відбиває ті «кольори», якими вони нам здаються. Тіло, яке відбиває майже всі кольорові промені, здається нам білим, а тіло, яке поглинає майже всі промені — чорним. Отже, забарвлення тіл залежить від їх здатності поглинати певні кольорові промені.

Якщо світло, яке падає на забарвлену поверхню, за своїм складом відрізняється від денного, то відтінки і сам його колір можуть змінюватися.

Зіставити різні колірні сполучення й намітити декоративні ефекти допоможе спеціальна схема - так назване колірне колесо. Колірне колесо розділене на 12 секторів. Серцевину колеса становлять первинні, вторинні й третинні кольори. У зовнішнім кільці представлені більше темні, а в проміжному - більше світлі тони цих квітів.

Всі кольори можна одержати, змішуючи в різних співвідношеннях три первинних кольори: червоний, жовтий і блакитний. Змішуючи їх попарно, ви одержите три нові, вторинні кольори. Червоний з жовтим дадуть помаранчевий, жовтий із блакитним - зелений, а блакитний із червоним - фіолетовий. Зображення цих шести кольорів утворять сектори кола в такому порядку: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний та фіолетовий. Знову змішуючи попарно суміжні кольори, ви одержите шість третинних кольорів: червоно-помаранчевий, помаранчево-жовтий, жовто-зелений, зелено-блакитний, синьо-фіолетовий і фіолетово-червоний. Помістивши їх у коло, ви одержите колесо основних кольорів із дванадцятьма секторами.

ЦЕ ЦІКАВО

4 ВИДИ СПЕКТРІВ. Оптичні спектри спостерігають візуально за допомогою спектральних приладів і фіксують, як правило, фотографічним способом або за допомогою фотоелементів. Спектр – розподіл випромінювання за частотами коливань. Розрізняють наступні спектри випромінювання: суцільні (неперервні), лінійчаті і смугасті.

1. Суцільний (неперервний) — спектр, в якому «представлені» всі довжини хвиль від червоного до фіолетового. Вид такого спектра залежить в основному від температури тіла і мало залежить від роду речовини. Такі спектри дають тіла у твердому і рідкому стані, а також гази під значним тиском та високотемпературна плазма.

2. Лінійчастий спектр — сукупність окремих світлових ліній різних кольорів на темному фоні. Такі спектри дають речовини в газоподібному

атомарному (але не молекулярному) стані. Вигляд спектрів залежить від хімічної природи газу.

3. Смугасті спектри складаються з окремих смуг, розділених темними проміжками. Такі спектри утворюються молекулами, що слабо зв'язані або зовсім не зв'язані між собою.

4. Якщо біле світло пропускати через холодний газ (який не випромінює світла), то на фоні неперервного спектра джерела з'являються темні лінії. Газ поглинає найінтенсивніше світло саме тих довжин хвиль які він випромінює в нагрітому стані. Темні лінії на фоні неперервного спектра — це лінії поглинання, які в сукупності дають спектр поглинання.

5 СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ — метод визначення хімічного складу речовини за її спектром. Дає можливість визначити якісний і кількісний склад.

Головною перевагою методу є його надзвичайна чутливість, а також можливість визначити хімічний склад на великих відстанях. Таким методом можна виявити наявність речовини, якщо її вміст не перевищує 10^-10г. Так було відкрито нові хімічні елементи, встановлено хімічний склад зірок. Кожний хімічний елемент має свій, властивий лише йому набір спектральних ліній — атомний спектр. За лініями атомного спектра речовини за допомогою спеціальних таблиць, в яких наведено серії довжин хвиль спектрів випромінювання різних речовин, визначають хімічний склад зразка.

· За спектрами в астрономії можна визначити:

1) хімічний склад світила

2) температуру світила

3) швидкість руху світила

4) напрям руху світила

5) індукцію магнітного поля світила

· У гірничодобувній промисловості за допомогою спектрального аналізу визначають хімічний склад зразків корисних копалин

· У металургійному виробництві за його допомогою контролюють вміст домішок у сплавах, щоб отримувати матеріали із заданими властивостями.

ШКАЛА ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ.

ІНФРАЧЕРВОНЕ, УЛЬТРАФІОЛЕТОВЕ ТА РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ.

ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

1 Шкала електромагнітних хвиль.

2 Інфрачервоне випромінювання.

3 Ультрафіолетове випромінювання.

4 Рентгенівське випромінювання.

1 ШКАЛА ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ — класифікація хвиль за їхніми властивостями та умовне визначення меж відповідних діапазонів за довжиною хвилі або частотою коливань .

Діапазони різних видів випромінювань можуть перекриватись один одним. Шкала охоплює всі відомі у фізиці види випромінювання і розташовує їх у порядку зростання частоти v або зменшення довжини хвилі . Спочатку — електромагнітні хвилі звукових та інфразвукових частот, які поки що широко не застосовуються в техніці і використовуються лише в наукових дослідженнях. Далі — дуже широкий діапазон радіохвиль, який поділяється на кілька піддіапазонів. Міліметровий і кілометровий (довгі хвилі) діапазони використовуються для одностороннього зв'язку. Діапазони середніх хвиль (сотні метрів), коротких (десятки метрів), метрових, дециметрових використовують для радіозв'язку, телебачення, радіолокації. Сантиметрові хвилі використовують переважно для радіолокації. Діапазон радіохвиль частково перекривається з зоною інфрачервоного випромінювання нагрітих тіл. Діапазон видимого світла виглядає маленькою шпаринкою на фоні майже нескінченного діапазону решти електромагнітних хвиль. Проте для нас він особливо важливий, бо очі дають нам більшість інформації про навколишній світ. Потім — ультрафіолетове випромінювання, яке перекривається з рентгенівським і переходить в діапазон гамма-випромінювання, яке все ширше використовується у медицині, геології, техніці.

2 ІНФРАЧЕРВОНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ — невидиме електромагнітне випромінювання оптичного діапазону, що здійснюють всі нагріті тіла за рахунок їх внутрішньої енергії, займає проміжне місце між радіохвилями і видимим світлом

Наприклад, печі, батареї водяного опалення, лампи розжарювання (70-80% всієї енергії), Сонце (50% енергії). Інтенсивність і спектральний аналіз визначається температурою тіла, випромінювальною і поглинальною здатностями. Інфрачервоні промені використовують для сушіння матеріалів, овочів, фруктів, обігрівання молодняка, при влаштуванні парників. Інфрачервоні промені, проникаючи у поверхневі тканини людини, позитивно впливають на перебіг усіх біологічних процесів. Отже, їх використовують при лікуванні захворювань. Завдяки відмінності між коефіцієнтами відбивання і пропускання видимого та інфрачервоного випромінювання на інфрачервоних плівках часто видно деталі, які невидимі на звичайній плівці. Створено прилади, в яких інфрачервоне зображення об'єкта перетворюється у видиме: біноклі і приціли нічного бачення. Можна здійснювати теплопеленгацію об'єктів за допомогою локаторів, створювати ракети Із системою самонаведення на ціль. Крім того, використовують для сигналізації та в інфрачервоних лаз ерах.

Рис1.В кухонних духовках, для швидкої і кращої випічки

Рис2.Пульти дистанційного керування для телевізорів.

Рис3.Інфрачервоні обігрівачі, вони дуже економними та екологічним, так як нагрівають не повітря а оточуючі поверхні, людей, предмети.

Інфрачервоне випромінювання можна відчути - воно пече шкіру. На шкірі людини під впливом інфрачервоного випромінювання з'являється еритема на місці впливу, яка має плямистий характер, не має чітких меж і зникає після припинення опромінення.

Інфрачервоні промені здатні до глибокого проникнення і можуть викликати опіки сітківки.

Щоб побачити інфрачервоне випромінювання використовується прилад ТЕПЛОВІЗОР

3 УЛЬТРАФІОЛЕТОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ — невидиме електромагнітне випромінювання оптичного діапазону, що знаходиться між видимим і рентгенівським випромінюванням. Джерелами ультрафіолету є є розжарені до ~3000 К тіла. Із збільшенням температури — інтенсивність випромінювання зростає. Воно спричинює іонізацію газів, сприяє фотохімічним реакціям, зокрема фотосинтезу, викликає у тіл фотоефект. Використовується в медицині (бо має сильну біологічну і бактерицидну дію), дефектоскопії, спектроскопії. Люмінесцентна дія випромінювання застосовується в люмінесцентних лампах, світних фарбах, в криміналістиці, в мистецтві. Використовується для виявлення шкідливих домішок в атмосфері.

Рис. компактний переносний прилад для обеззаражування повітря і поверхні

Довжина стержня найбільша в системі відліку, відносно якої він нерухомий. Із формули випливає, що лінійні розміри тіла, яке рухається відносно певної інерціальної

системи відліку, скорочується в напрямі цього руху в разів (Лренцеве скорочення довжини). При цьому поперечні розміри тіла не залежать від швидкості руху і однакові для всіх інерціальних систем відліку. Лоренцеве скорочення довжини — не вдаване. Воно виникає внаслідок кінематичного ефекту, у відповідності з постулатами спеціальної теорії відносності і не пов'язане з дією якихось сил, що нібито стискують тіло в напрямі його руху. Довжину тіла l ₀ в системі відліку, де воно нерухоме, називають власною довжиною. Якщо швидкість у наближається до с, то l прямує до нуля. Отже, з формули випливає неможливість досягнення швидкості, що дорівнює швидкості поширення світла у вакуумі.

6 ВІДНОСНІСТЬ ПРОМІЖКІВ ЧАСУ. Тривалість тієї самої події в різних інерціальних системах відліку неоднакова. Інтервал часу т, виміряний у системі, що рухається зі швидкістю v, дорівнює:

де ₀ -— Інтервал часу в нерухомій системі. Отже, тривалість події, що відбувається в деякій точці простору, найменша в інерціальній системі, відносно якої ця точка нерухома. Отже, нерухомий спостерігач помічає сповільнення ритму процесів в рухомій системі відліку. Це сповільнення пояснює відомий результат: мезони, утворені у верхніх шарах атмосфери, встигають пролетіти не 1км, а десятки кілометрів внаслідок сповільнення часу в рухомих системах.

7 РЕЛЯТИВІСТСЬКИЙ ЗАКОН ДОДАВАННЯ ШВИДКОСТЕЙ. Закон додавання швидкостей в класичній механіці не справджується для рухів зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Релятивістський закон додавання швидкостей, напрямлених вздовж однієї прямої, виражається формулою:

де v₁ - швидкість тіла відносно однієї інерщальної системи, v₂ — швидкість того ж тіла відносно другої інерціальної системи, v — швидкість руху цих систем відліку одна відносно одної. Якщо v «с і v₁ «с, то маємо класичний закон додавання швидкостей: v ₂= v + v. Якщо v =с і v₁ = с, то v₂ =с, що відповідає другому постулату.

8 ЗАЛЕЖНІСТЬ МАСИ ВІД ШВИДКОСТІ. Маса тіла m, яку вимірюють в інерціальній системі, що рухається відносно цього тіла зі швидкістю v, дорівнює:

де m₀ — маса тіла в стані спокою. Маса тіла, що рухається, більша за масу нерухомого тіла. Якщо v > с, то маса тіла необмежене зростає. Тому ніякі сили не можуть збільшити швидкість тіла, що має масу спокою, до значення v = с.

9 ЗВ'ЯЗОК МІЖ МАСОЮ ТА ЕНЕРГІЄЮ. Енергія рухомого тіла

.

Якщо v = 0, то енергія тіла дорівнює енергії спокою:

.

Енергію спокою має будь-яке тіло, завдяки самому факту його існування. При збільшенні енергії будь-якої нерухомої системи на , її маса зростає на

Енергія ядра менша за енергію, що відповідає сумі мас нуклонів, які утворюють ядро, оскільки при поділі ядра на нуклони потрібно виконати велику додатню роботу проти ядерних сил.

КВАНТОВІ ВЛАСТИВОСТІ СВІТЛА. ГІПОТЕЗА М.ПЛАНКА. СВІТЛОВІ КВАНТИ. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ

1 Зародження квантової фізики.

Дата добавления: 2014-10-23; Просмотров: 5888; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!