Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

Сделать презентацию

Скачать файл (10,99Мб)

Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 22.11.2019

Просмотров: 18966

Скачиваний: 11

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

такого правила є закон Стокса, за яким довжина хвилі випромінювання

июмінесценції має бути більшою від довжини хвилі збуджуючого світла.

Оскільки енергія випромінювання пропорційна його частоті V (і обер-

нено пропорційна довжині хвилі X), то збільшення довжини хвилі при
люмінесценції свідчить про те, що деяка частина енергії, поглинутої лю-

мінесцентною речовиною, залишається в ній, перетворюючись у тепло.
Ллє цей «закон» часто порушується на досліді.

Справжні закони спектрального перетворення світла відкрив С. І. Ба-

цил ов внаслідок тривалого експериментального і теоретичного дослідження

енергетики люмінесцентних процесів. Вони є теоретичною основою не тіль-

ки науки про люмінесценцію, а й для її технічних застосувань.

Тепер

люмінесценцією називають випромінювання

надлишкове над

тепловий випромінюванням тіла при даній температурі

тривалість

якого значно перевищує період світлових хвиль

(ж1(Г

сУ.

С І Вавилов перший запропонував використати потужне ультрафіо-

потове випромінювання ртутних ламп для добування видимого світла за

допомогою люмінесцентних речовин. Ідучи цим шляхом, він створив

люмінесцентні лампи денного світла. Звичайна електрична лампа, запа-

лена вдень, має червоно-жовте світло. Ввечері ця лампа дуже спотворює
кольори тіл, які нас оточують. Сині кольори здаються чорними, зелені
стають тьмяними і брудними, а оранжеві і червоні тони здаються дуже

яскравими. В люмінесцентних лампах для перетворення випромінювання
ртуті у видиме світло на внутрішню стінку газорозрядної трубки, запов-
неної парою ртуті при низькому тиску, наносять шар кристалічного лю-
мінесцентного порошку. Застосовуючи різні порошки, можна дістати сві-

то будь-якого кольору. Найбільший практичний інтерес мають порошки,

світіння яких наближається до денного розсіяного світла. Коефіцієнт ко-
рисної дії і строк служби таких лами значно довший від звичайних.

Люмінесцентні лампи дуже поширені. Ними освітлюють цехи, фабрик

і тводів, Вони створюють чудові умови для освітлення музеїв і картин-
них галерей; завдяки повній вибухонебезпечності щодо рудникових газів
ї х успішно застосовують у шахтах. Ними освітлено станції Московського
метрополітену, магазини, установи тощо.

§ 223. Квантова гіпотеза Планка. Фотони

У 1990 р. німецький фізик М. Планк припустив, що
енергія випромінюється тілом не безперервно, як іде при-

пускалось у класичній фізиці, а окремими дискретними порціями -
квантами, енергія

яких пропорційна частоті V коливань:

535

Є = /IV.

(23.7)

Тут

= 6,62 • КГ* Дж •

- стала Планка, або квант дії.

Будь-яке тіло складається з безлічі атомів. Кожний з атомів

За гіпотезою

Гц

Ііх'

= 6,66 • 10"

Дж,

сться

зору

Проте в мікросвіті, де

ці енергії досить помітні.

справу з:

побудував нову теорію

формулу, яка правильно описує спектр

цієї формули

Фотони

й енергії і

є = тс

8 = / I V .

або з

С = XV,

і = Нміс

~сХ'

іень про

Згідно з

фото-

їси фо-

(23.8)

536

Імпульс фотона — це добуток його маси на швидкість:

р = тс.

(23.9)

Підставивши значення

з (23.8), дістанемо

р-Уі\

, або

р = Л (23.10)

Маса спокою фотона дорівнює нулю.

Квант електромагнітного випромінювання існує тільки поширюючись

із швидкістю світла, маючи при цьому кінцеві значення енергії й імпульсу.

У монохроматичному світлі з частотою V всі фотони мають однакові

енергію, імпульс і масу.

§ 224. Зовнішній фотоелектричний ефект

Планківська теорія випромінювання абсолютно чорного тіла

і вивчення фотоелектричного ефекту були основою для створення квантової

теорії світла.

Фотоелектричний ефект - виривання електронів з атомів або молекул

речовини під дією світла - вперше встановив у 1887 р. Г. Герц.

Якщо електрони, вибиті світлом, вилітають за межі речовини, фо-

тоефект називається зовнішнім.

Зовнішній фотоефект буває переважно

у металу.

Якщо відірвані від своїх атомів або молекул електрони залиша-

ються всередині освітлюваної речовини вільними, то фотоефект нази-
вають внутрішнім.

Внутрішній фотоефект властивий деяким напівпровід-

никам і меншою мірою - діелектрикам. Явище зовнішнього фотоефекту
нперше дослідив О. Г. Столєтов у 1890 р. Явище внутрішнього фотоефекту

Г)уло досліджене акад. А. Йоффе у 1908 р.

Схему дослідів Столєтова при вивченні зовнішнього фотоефекту зо-

бражено на рис. 23.3. У вакуумній трубці розміщують досліджувану плас-

тику

К,

яка буде катодом, і допоміжний елект-

род

А,

що буде анодом. Електроди

через

потенціометр

приєднано до джерела напруги.

Напругу між електродами (анодна напруга) ви-

мірюють вольтметром

струм у колі - гальва-

нометром

Г.

Якщо пластинку

не освітлювати, струму в

колі не буде, бо вакуумний проміжок між като-

дом і анодом струму не проводить. Якщо дослі-

джувану пластинку освітити через вікно С, то —1[—

( мігло виб'є з пластинки електрони (їх назива-

Рис. 23.3

537

ють

фотоелектронами

). Під дією елект-

ричного поля, фотоелектрони рухаються

до анода А, замикаючи коло. Гальвано-
метр показує наявність струму (його на-
зивають

фотострумом).

За допомогою

потенціометра

можна змінювати зна-

чення і знак анодної напруги, Треба мати

Рис. 23

на

увазі, що струм у колі виникає і тоді,

коли анодна напруга дорівнює нулю, і

навіть при невеликій затримуючій негативній напрузі,, Пояснюється це

тим, що фотоелектрони, які вилітають з катода, мають кінетичну енергію,

завдяки якій виконується робота проти сил затримуючого поля.

На рис. 23,4 подано залежність сили фотоструму від анодної напруги

при сталому світловому потоці.

При певній різниці потенціалів між електродами всі вирвані з катода

електрони досягнуть анода, через гальванометр проходитиме струм, який
визначається кількістю електронів, які вириваються світлом з поверхні
катода за одиницю часу. Цей струм називають

струмом насичення І

Якщо поле гальмує електрони, то при деякому значенні V

електрони

перестають вилітати з катода. За значенням

£/

можна визначити швид-

кість електронів, які вилітають.

Нехай

~ швидкість електрона, який вилетів,

т і є ~

його маса і за-

ряд. Кінетична енергія цього електрона дорівнює

ти

/ 2 . Електрон може

пролетіти крізь гальмуюче поле, різниця потенціалів якого дорівнює С/,

якщо

еіі < ти*" і

2. Визш

швидкість цих електронів:

якщо

еі/ < ти

/ 2. Визначивши С/

з умови

пги

/ 2 =

еЬ\

, знайдемо

« = (23.11)

Закони Столєтова

Внаслідок численних старанно поставлених дослідів Столє-

тов установив такі

закони фотоефекту.

1. Сила фотоструму насичення /

, яким виникає при освітленні

монохроматичним світлом, пропорційна світловому потоку*

що

надає

на катод:

= * Ф

. (23.12)

Коефіцієнт пропорційності к, який відповідає силі фотоструму (в мік-

роамперах) при освітленні катода світловим потоком в 1 лм, називають

538

фоточутливістю освітлюваної пластинки

. Його вимірюють у мікроам-

перах на люмен (мкА/лм).

2, Швидкість фотоелектронів збільшується із зростанням частоти

(із зменшенням довжини хвилі) падаючого світла і не залежить від
інтенсивності світлового потоку.

3. Незалежно від інтенсивності світлового потоку фотоефект по-

чинається тільки при певній для даного металу мінімальній частоті

(максимальній довжині хвилі) світла, що називається червоною ме-
жею фотоефекту.

Хвильова теорія світла спроможна пояснити лише перший із цих зако-

нів. За цією теорією, світло, яке є електромагнітними хвилями, надає еле-
ктронам, розміщеним поблизу поверхні металу, коливального руху з амп-

літудою, яка залежить від напруженості поля, а отже, від інтенсивності

надаючого світла. Внаслідок цього електрон набуває кінетичної енергії,

достатньої для подолання сили притягання позитивних іонів і вилітання

ного з металу. Чим більша інтенсивність падаючого світла, тим більша
кількість електронів може одержати енергію, достатню для вилітання з
металу, і тим більший буде фотострум насичення. Це пояснює перший
закон фотоефекту. Але з цього міркування випливає, що кінетична енер-
гія вилітних електронів також має бути пропорційна інтенсивності світла,
яке падає на пластинку, а це суперечить другому закону. Точно так само

незрозумілим з точки зору хвильової теорії є й існування червоної межі
фотоефекту.

Рівняння Ейнштейна

Щоб пояснити ці загадкові закономірності фотоефекту, Ейн-

штейн використав гіпотезу Планка, за якою електромагнітне випромішо-
вання - це не неперервна хвиля, а потік окремих частинок - квантів.

Ейнштейн припустив, що явище фотоелектричного ефекту є підтвер-

дженням дискретності світла. Адже коли дискретність природи світла

проявляється при його випромінюванні, то вона має зберігатися й тоді,
коли випромінювання поширюється в просторі, і при поглинанні.

Ейнштейн показав, що будь-яке монохроматичне випромінювання є

сукупністю квантів, енергія яких пропорційна частоті. Коефіцієнтом про-

порційності є стала Планка. Це припущення дало можливість пояснити

ІЛКОНИ

фотоефекту. Енергія кванта