ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2019
Просмотров: 18883
Скачиваний: 11
де
Е
е
= Ф
е
/ 5 - енергетична освітленість поверхні;
с
- швидкість світла у
вакуумі. З урахуванням того, що на поверхню діє і відбита хвиля (р -
коефіцієнт відбивання),
1 + р). (23.17)
с
Квантове пояснення тиску світла
Квантова теорія світла пояснює світловий тиск як резуль-
тат передавання фотонами свого імпульсу атомам або молекулам ре-
човини.
Нехай на поверхні площею 5 нормально до неї щосекунди падає
N
фо-
тонів частоти V. Кожний фотон має імпульс
Уі\
/
с.
Якщо р - коефіцієнт
відбивання поверхні, то рТУ фотонів відіб'ється від поверхні, а (і-р)іУ
фотонів буде поглинуто.
Кожний поглинутий квант світла поверхні - імпульс /гу/с, а кожний
від битий - імпульс = 2
Ну
/
с
, оскільки при відбиванні
напрям імпульсу фотона змінюється на протилежний, і імпульс, який пе-
редається ним частинкам речовини, становить 2/гу/с. Повний імпульс,
який одержує поверхня тіла, дорівнюватиме
=
+
(23.18)
с с с
Обчислимо світловий тиск. Для цього (23.18) поділимо на площу 5
"крильця":
+ (23.19)
сЬ
Якщо врахувати, що
Н
УЛ^ / 5 =
Е
е
, то формула (23.19) набуде вигляду
(1 + Р)- (23.20)
с
Вирази
(23.17)
і
(23.20),
виведені в межах електромагнітної і кванто-
вої теорій, збігаються.
Експериментально слушність цих результатів була доведена дослідами
11. М. Лебедєва.
Тиск природного світла дуже малий. Якщо коефіцієнт поглинання
поверхні близький до одиниці, то тиск сонячних променів на таку поверх-
—
&
—Я
іпо на Землі дорівнює приблизно 5-Ю Па (тобто 3,7-10 мм рт. ст.).
,18 Фізика
545
Цей тиск на десять порядків менший від атмосферного тиску біля поверхні
Землі.
Виміряти такий малий тиск П. М. Лебедєв зміг тільки внаслідок ви-
няткової винахідливості і майстерності постановки і проведення екс-
перименту.
Світловий тиск не відіграє ніякої ролі в явищах, з якими ми стикає-
мось у житті. Але в космічних і мікроскопічних системах його значення
істотне.
У мікросвіті тиск світла проявляється в світловій віддачі, якої за-
знає збуджений атом при випромінюванні ним світла. Гравітаційне
притягання зовнішніх шарів зоряної речовини до її центра зрівнова-
жується силою, значний внесок у яку дає тиск світла, що йде з глиби-
ни зорі назовні.
§ 228. Хімічна дія світла
Внаслідок дії світла в деяких речовинах відбуваються хімічні
перетворення -
фотохімічні реакції.
Фотохімічні перетворення дуже різ-
номанітні. Під дією світла складні молекули можуть розкладатися на
складові частини (наприклад, бромисте срібло - на срібло і бром) або,
навпаки, можуть утворюватись складні молекули (наприклад, якщо освітити
суміш хлору і водню, то реакція утворення хлористого водню відбувається
так бурхливо, що супроводиться вибухом).
Багато фотохімічних реакцій відіграють велику роль у природі і техні-
ці, Головна з них -
фотохімічний розклад вуглекислоти
під дією світла в
зелених частинах рослин. Ця реакція має величезне значення, бо вона за-
безпечує кругообіг вуглецю, без якого неможливе тривале існування ор-
ганічного життя на Землі. Внаслідок життєдіяльності тварин і рослин
(дихання) вуглець неперервно окислюється (утворення С0
2
). Зворотний
процес відновлення вуглецю проходить під впливом світла в зелених час-
тинах рослин. Ця реакція відбувається за схемою
2С0
2
—> 2СО + О
2
.
Фотохімічна реакція розкладу бромистого срібла - в основі фотографії
і всіх її наукових та технічних застосувань. Явище вицвітання фарб, що
зводиться переважно до фотохімічного окислення цих фарб, має дуже
велике значення для розуміння процесів, які відбуваються в оці людини і
тварини і лежать в основі зорового сприйняття. Дуже багато фотохімічних
реакцій тепер використовують у хімічному виробництві, і, отже, вони
мають безпосереднє промислове значення.
546
§ 229, Поняття про корпускулярно-
хвильову природу світла
Розглянуті вище явища теплового випромінювання і фото-
електричний ефект підтверджують достовірність гіпотези про дискретну
природу світла. Але з позицій цієї гіпотези не можна пояснити такі явища,
як, наприклад, інтерференція і дифракція світла, блискуче пояснені з точки
зору електромагнітної (хвильової) теорії світла.
Фотонна гіпотеза не дає можливості створити послідовну корпускулярну
теорію випромінювання: в основі цієї гіпотези лежить поняття кванта світла,
основною характеристикою якого є його енергія в, пов'язана з частотою V.
Частота є характеристикою неперервного періодичного процесу. Отже, час-
тоту, яка визначає енергію кванта світла, запозичено з хвильової теорії.
Слід звернути увагу на таке. За класичним уявленням, енергія в мате-
ріальної частинки має цілком певне значення. Але будь-яке випроміню-
вання не може бути точно монохроматичним, тобто воно характеризується
деякою шириною АУ спектрального інтервалу. У цьому розумінні вираз
І
: = Н
у
суперечливий. Справжній зміст цієї суперечності був розкритий
при дальшому розвитку квантової механіки. Отже,
електромагнітне випромінювання - це складна форма матерії, яка
мас
подвійну корпускулярно-хвильову природу (інакше це назива-
ють корпускулярно-хвильовим дуалізмом).
Дослідження останніх десятиліть показують, що корпускулярно-
хвильовий дуалізм притаманний не тільки світлу, а й частинкам мікросвіту.
Корпускулярно-хвильовий дуалізм - це прояв взаємозв'язку двох основних
форм матерії: речовини і поля.
Короткі висновки
• Найбільш поширеним у природі видом електромагнітного випроміню-
вання є теплове випромінювання. Теплове випромінювання відбуваєть-
ся завдяки внутрішній енергії речовини і тому властиве всім тілам при
будь-якій температурі, відмінній від 0 К. Теплове випромінювання -
рівноважне. Його спектр суцільний.
• Тіло, яке при будь-якій температурі поглинає всю енергію електромаг-
нітного випромінювання, що падає на нього, довільної довжини хвилі
називають чорним.
• Розподіл енергії в спектрі випромінювання чорного тіла залежить від
довжини хвилі. Із збільшенням довжини хвилі спектральна густина
енергетичної світності зростає, досягаючи чітко вираженого максиму-
му при деякій довжині хвилі Х
тах
, а потім спадає.
З підвищенням температури максимум випромінювання зміщується в
бік коротших хвиль.
'А 18*
547
Люмінесценцією називають випромінювання, яке є надлишком над те-
пловим випромінюванням тіла при певній температурі, тривалість якого
(«КГ
1 5
с).
значно перевищує період світлових хвиль
Люмінесценція має велике практичне застосування.
У 1990 р. М. Планк для пояснення закономірностей теплового випро-
мінювання запропонував нову теорію, за якою атоми випромінюють
електромагнітне випромінювання точно певними порціями - квантами.
Основна характеристика квантів - енергія
є =
к\.
Розвиток гіпотези Планка зумовив створення уявлення про квантові
властивості світла. Кванти світла назвали фотонами. Фотони характе-
ризуються енергією, масою, імпульсом:
2
,
ку ку
г = тс
, 8 = /7У,
т=—,
р-
—.
с
1
с
Маса спокою фотона дорівнює нулю.
У монохроматичному світлі всі фотони мають однакову енергію, імпульс і
масу.
Явище зовнішнього фотоефекту виявив Г. Р. Герц, дослідив О. Г. Сто-
лєтов, який встановив закони фотоефекту. Пояснив явище зовнішнього
фотоефекту А. Ейнштейн. Він припустив, що електромагнітне випро-
мінювання поглинається також окремими порціями. Енергія кванта,
який падає на речовину, витрачається на роботу виривання електрона з
речовини і надання електрону кінетичної енергії
/ ,
т Т } 2
к\ - А + .
2
Фотоефект поширений у техніці. Фотоелементи застосовують у різних
автоматах, на явищі фотоефекту основана будова сонячних батарей.
Згідно з обчисленням, виконаним на основі електромагнітної теорії сві-
тла Максвелла, тиск, який чинить електромагнітна хвиля на поверхню,
становить
і + р ) .
с
Квантова теорія світла пояснює світловий тиск як результат передавання
фотонами свого імпульсу атомам або молекулам.
Формули для обчислення тиску світла в межах електромагнітної і кван-
тової теорій збігаються. Експериментально правдивість цих результатів
довів на дослідах М. П. Лебедєв.
Під дією світла складні молекули можуть розкладатися на складові ча-
стини, тобто поглинання світла речовиною супроводиться хімічними
реакціями. Багато фотохімічних реакцій мають велике значення у природі і
техніці, головна з них - реакція фотосинтезу.
Хвильові і квантові властивості світла не виключають, а взаємно допо-
внюють одні одних. Вони виражають справжні закономірності поши-
рення світла і взаємодії його з речовиною. Електромагнітне випромі-
нювання - складна форма матерії, яка має подвійну корпускулярно-
хвильову природу.
Запитання для самоконтролю і повторення
1. Назвіть характеристики теплового випромінювання. 2. Сформулюйте
закон Кірхгофа. 3. Яке тіло називають чорним? 4. Побудуйте і поясніть
криву розподілу енергії у спектрі чорного тіла. 5. Що називають люмі-
несценцією? 6. Сформулюйте гіпотезу Планка. 7. Що таке квант? Чому
дорівнює енергія кванта? 8. Чому дорівнює енергія, маса, імпульс фо-
тона? 9. Що називають явищем зовнішнього фотоефекту? 10. Сформу-
люйте закон Столєтова, 11. Поясніть рівняння Ейнштейна для зовніш-
нього фотоефекту. 12. Що таке червона межа фотоефекту? 13. Який
фотоефект називають багатофотонним? 14. Який фотоефект називають
внутрішнім? 15. Які ви знаєте типи фотоелементів? 16. Обчисліть тиск
світла на основі квантової теорії. 17. Що таке фотохімічні реакції? 18. Що
таке корпускулярно-хвильовий дуалізм?
Приклади розв'язування
задач
Задача 1. Яку потужність треба підводити до свинцевої кульки радіусом
4 см, щоб підтримувати її температуру 27 °С, якщо температура навколиш-
нього середовища - 23 °С? Вважати, що тепло втрачається тільки внаслідок
випромінювання. Поглинальна здатність свинцю дорівнює 0,6.
Дано: г = 4 см = 0,04 м;
Т =
(273 +
21)К
= 300А:
;
Т
0
=
(273 - 23)
К =
= 250
К;
р = 0,6.
Знайти:
р.
Розв'язання. За законом Стефана - Больцмана, енергетична світність абсо-
лютно чорного тіла
К
е
=
аТ
4
.
З поверхні кулі
£ =
4кг
2
випромінюється те-
пловий потік Ф
е
=
8оТ
4
. Але оскільки випромінювання відбувається в сере-
довищі з температурою
Т
0
,
то куля одночасно й поглинає потік випроміню-
вання Ф
0
=
£
стГ
04
. Результуючий потік випромінювання
Ф
1 =
Ф
е
- Ф
0
= 5 а ( ^ _ Г
0 4
) .
З урахуванням поглинальної здатності кулі
р
= ф,
р
= .Ура(г
4
-
Т
04
) =
4кг
2
ра
(т
4
-Г
04
).
Обчислення:
р =
4-3,14-16-10"
4
м
2
-5,67• 10~
8
Вт• м
- 2
х
хіГ
4
(300
2
К
4
- 250
2
К
4
) • 0,6 - 2,86 Вт.
Задача
2. У скільки разів збільшиться потік випромінювання чорного тіла,
якщо максимум енергії випромінювання пересунеться від червоної межі ви-
димого спектра до його фіолетової межі?
Дано:
Х
ч
=0,76 мкм; А,
ф
=0,38 мкм;
Знайти:
п
= Ф
еф
/
Ф
сч
.
549