Фотоэффект

Световая волна, падающая на тело, частично отражается от него, частично походит насквозь, частично поглощается. В большинстве случаев энергия поглощенной световой волны целиком переходит во внутреннюю энергию вещества, что приводит к нагреванию тела. Нередко, однако, известная часть этой энергии поглощенной энергии вызывает и другие явления. Очень важными действиями света, получившими больше практические применения, являются фотоэлектрический эффект, фотолюминесценция и фотохимические превращения.

Фотоэффект – явление вырывание электронов с поверхности тел под действием света. Первоначально явление фотоэффекта пытались объяснить с волновых представлений о природе света:

1) Электромагнитная волна попадает на металл.

2) Электромагнитное поле “раскачивает” электрон.

3) Когда скорость электрона становится большой, электрон вылетает.

4) Кинетическая энергия электрона прямо пропорциональна интенсивности светового потока.
При подобном объяснении явления сразу обнаружились некоторые противоречия, полученные в результате экспериментов:

1) Максимальная скорость вылетевшего электрона определяется частотой падающего света на зависит от его интенсивности.

2) Величина тока насыщения (число электронов вылетевших за единицу времени) определяется интенсивности света.

3) Существует минимальная частота падающего света при которой еще наблюдается фотоэффект (так называемая “красная граница фотоэффекта”).

4) Величина тока зависит от типа материала. Фотоэффект без инерционен.
Объяснить подобные явления учёные смогли лишь после предположения Планка, которое заключалось в том, что свет не только излучается порциями, но и распространяется порциями.
Он же выявил зависимость между энергией одной излученной порции и частотой излучения: E = ? *h ( где ? - частота излучения, h – постоянная Планка ).

В дальнейшем при изучении однофотонного поглощения (физическая модель в которой все кванты света поглощаются материалом) был опытным путем получен закон фотоэффекта:
? *h = (mv2)/2 + Aвыхода

Aвыхода – минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, для вырывания его с поверхности металла без сообщения кинетической энергии.

Данная формула смогла объяснить прошлые противоречия объяснения явления фотоэффекта:
1) Так как Aвыхода – величина постоянная для данного металла, то максимальная скорость электрона зависит от частоты излучения.
2) Если частота излучения меньше частоты излучения красной границы (? *h красной границы = Aвыхода), то явления фотоэффекта не наблюдается.
3) При увеличении интенсивности света возрастает число фотонов и возрастает количество вылетевших электронов, что ведет к увеличению силы тока.

Закон фотоэффекта вносит совершенно новые черты в представлении о свете.
Он означает, что свет частоты ? сообщает электрону энергию, равную ? *h , какова бы ни была интенсивность света. При сильном свете большее количество электронов получает указанные порции энергии, при слабом – меньшее, но сами порции остаются неизменно равными ? *h.

Таким образом, световой энергии приписывается атомистический характер; энергия света данной частоты ? не может делиться на произвольные части, а проявляет себя в виде совершенно определенных равных порций –
“атомов световой энергии”. Для этих порций энергии установлено специальное название; они именуются световыми квантами или фотонами. Представление о световых квантах было введено Эйнштейном в 1905 г.

То обстоятельство, что в большинстве оптических опытов не обнаруживается квантового характера световой энергии, не удивительно.
Действительно, h – очень малая величина, равная 6,6*10-34 Дж *с. Вычислим энергию кванта зеленого цвета для
? =500 нм. Соответствующее ? = с/ ? =3*108/5*10-7 =
= 6*1014 Гц и следовательно, ?* h =4*10-19Дж; это – очень маленькая величина. Энергия, с которой мы имеем дело в большинстве опытов, состоит из очень большого числа квантов; естественно, что при этом остается незамеченным, что энергия эта всегда равна целому числу квантов.
Аналогично, большинство опытов с обычными порциями вещества всегда охватывает очень большое количество атомов вещества; поэтому мы не можем заметить в этих опытах, что данное вещество состоит из целого числа минимальных порций – атомов. Требуются специальные опыты, в которых атомистическое строение вещества выступает вполне отчетливо. Совершенно так же в большинстве обычных оптических опытов от нашего внимания ускользает то обстоятельство, что световая энергия состоит из отдельных световых квантов.
В специальных же опытах, к которым и относятся вышеперечисленные опыты по фотоэффекту, с полной ясностью выступает квантовая природа световой энергии.

Представление о световых квантах позволяет легко понять смысл первого основного закона фотоэффекта – пропорциональность между световым потоком и фототоком; световой поток, т. е. энергия, приносимая светом за единицу времени, определяется числом световых квантов, поступающих за единицу времени. Ясно, что чем больше это число, тем больше электронов приобретает дополнительную энергию, приносимую квантами, и тем больше электронов вылетит из освещенного металла за единицу времени, т. е. тем сильнее будет фототок. Конечно, это не означает, что число вылетевших электронов должно быть равно числу квантов, попавших за то же время в металл. Не всякий квант сообщает свою энергию отдельному электрону. Значительная часть энергии будет распределена между атомами металла и поведет к нагреванию его.
Действительно, опыт показывает, что лишь малая часть (меньше 1%) световой энергии обычно переходит в энергию вылетевших электронов. Остальная часть поглощенных световых квантов ведет к нагреванию металлов.

Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и да гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.

Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое.
Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.

Радиоволны

Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле (ток смещения) или соответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источника определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором переменное электромагнитное поле создается.
Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное — внутри катушки индуктивности.

Рисунок 1

Герц в своих опытах, уменьшая число витков катушки и площадь пластин конденсатора, а, также раздвигая их (рис.1 а, б), совершил переход от закрытого колебательного контура к открытому колебательному контуру
(вибратору Герца), представляющему собой два стержня, разделенных искровым промежутком (рис. 1, в). Если в закрытом колебательном контуре переменное электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора (рис. 1, с), то в открытом оно заполняет окружающее контур пространство (рис.1,а), что существенно повышает интенсивность электромагнитного излучения.
Колебания в такой системе поддерживаются за счет источника э. д. с, подключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциалов, до которой первоначально заряжаются обкладки.

Рисунок 2

Для возбуждения электромагнитных волн вибратор Герца В подключался к индуктору (Индуктор – магнит или электромагнит, создающий магнитное поле) И
(рис. 2). Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробивного значении, возникала искра, закорачивающая обе половины вибратора, и в нем возникали свободные затухающие колебания. При исчезновении искры контур размыкался и колебания прекращались. Затем индуктор снова заряжал конденсатор, возникала искра и в контуре опять наблюдались колебания и т. д. Для регистрации электромагнитных волн Герц пользовался вторым вибратором, называемым резонатором Р, имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и излучающий вибратор , т. е. настроенным в резонанс с вибратором. Когда электромагнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электрическая искра.

С помощью описанного вибратора Герц достиг частот порядка 100 МГц и получил волны, длина которых составляла примерно 3 м. П. Н.
Лебедев, применяя миниатюрный вибратор из тонких платиновых стерженьков, получил миллиметровые электромагнитные волны 6-4мм.
Электромагнитные волны - электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. В вакууме скорость распространения электромагнитной волны 300 000 км/c (скорость света). В однородных изотропных средах направления напряжённостей электрических (Е) и магнитных (Н) полей электромагнитных волн перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, т. е. электромагнитные волны являются поперечными. В каждой точке пространства колебания Е и Н происходят в одной фазе. С увеличением расстояния R от источника Е и Н убывают как 1/R; такое медленное убывание полей осуществить посредством электромагнитных волн связь на больших расстояниях
(радиосвязь, оптическая связь).
Радиоволны—это электромагнитные волны, служащие для передачи сигналов
(информации) на расстояние без проводов. Радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

В радиоволнах переменные электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны, образуя электромагнитное поле.

Радиоволны различной длины распространяются по-разному.

Для того чтобы понять это, рассмотрим рис. 3, где показан земной шар и передающая антенна в увеличенном виде. На высоте от 40 до 500 км над
Землей находится ионосфера. Она состоит из очень разреженных воздушных частиц, которые над действием солнечной радиации ионизированы. Степень этой ионизации зависит от многих факторов: день, ночь, лето, зима и т. д., которые влияют на прохождение радиоволн. Например, днем концентрация ионов больше и в ионосфере формируется несколько слоев, а ночью концентрация уменьшается, и эти слои выражены слабее. Главное свойство ионосферы - это возможность, благодаря наличию заряженных частиц, отражать радиоволны определенной длины волны.

Рисунок 3

Длинные волны сильно поглощаются ионосферой и поэтому основное значение имеют приземные волны, которые распространяются, огибая Землю.
Поскольку они распространяются в низких и плотных слоях атмосферы, их интенсивность уменьшается сравнительно быстро по мере удаления от передатчика. Поэтому длинноволновые передатчики должны иметь большую мощность.

Средние волны днем сильно поглощаются ионосферным слоем и район действия определяется только приземной волной. Вечером однако, они хорошо отражаются ионосферой и район действия определяется отраженной волной
(рис:. 3). Поэтому средневолновые передатчики принимаются вечером лучше и дальше, чем днем.

Короткие волны распространяются исключительно посредством отражения ионосферой, поэтому около передатчика существует зона молчания (рис. 3).
Короткие волны могут распространяться на большие расстояния при малой мощности передатчика. Например, в подходящее время суток с помощью любительского коротковолнового передатчика мощностью 50 Вт по телеграфному коду можно установить прочную связь меж Болгарией и Австралией. Добавим еще, что днем лучшее прохождение имеют «наиболее короткие» короткие волны
(например, 21 и 28 Гц), а ночью лучше распространяются «более длинные» короткие волны (например, 3,5 и 7 МГц). По этой причине любительское КВ передатчики, как правило, работают на нескольких диапазонах, т. е. в зависимости от обстоятельств могут работать на различных частотах, определяемых международной конвенцией для радиолюбительской деятельности.

Ультракороткие волны распространяются только по прямой (как свет) и, как правило, не отражаются ионосферой. Поэтому передающие антенны для УКВ монтируются на специальных башнях, построенных на соответствующих высотах.
На УКВ диапазоне работают телевидение, радиотелефоны, пункты скорой помощи, машины такси и пр., имеющие район действия 10+50 км.

|Радиоволны |
|Название |Длина волны в|Частота |Область применения |
|диапазона |свободном | | |
| |пространстве | | |
| |м | | |
| | |Мгц | |
|Сверхдлинные |1*105 – 1*104|3*10-3 – |Радионавигация, |
|волны | |3*10-2 |радиотелеграфная связь, |
| | | |передача метеосводок |
|Длинные волны |1*104 – 1*103|3*10-2 – |Радиотелеграфная |
| | |3*10-1 |и радиотелефонная связь, |
| | | |радиовещание, радионавигация|
|Средние волны |1 000 – 100 |3*10-1 – 3 |Радиотелеграфия и |
| | | |радиотелефонная связь, |
| | | |радиовещание, радионавигация|
|Короткие волны |100 – 10 |3 – 30 |Радиовещание; |
| | | |радиотелеграфия; |
| | | |радиотелефонная и |
| | | |радиолюбительская связь; |
| | | |космическая радиосвязь… |
|Ультракороткие |10 – 1 |30 – 300 |Радиовещание, телевидение, |
|волны (УКВ) | | |радиолокация, космическая |
| | | |радио связь и пр. |
|Дециметровые |1 – 0,1 |300 – 3000 |Телевидение, радиолокация, |
|волны | | |радиорелейная связь, |
| | | |космическая радиосвязь, |
| | | |сотовая телефонная связь |
|Сантиметровые |0,1 – 0,01 |3000 – 3*104 |Радиолокация, радиорелейная |
|волны | | |связь, астрорадионавигация, |
| | | |спутниковое TV |
|Миллиметровые |0,01 – 0,001 |3*104 - 3*105|Радиолокация |
|волны | | | |

|Радиоволны оптического диапазона |
|Инфракрасные волны |1*10-3 |3*105 – 4*108 |Квантовая |
| |-7.5*10-7 | |радиоэлектроника |
|Видимый свет |7,5*10-7-4*10-|4*108-7,5*108 | |
| |7 | | |
|Ультрафиолетовые |4*10-7-20*10-1|7,5*108-15*1010| |
|волны |0 | | |

Инфракрасное излучение

Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1- 2мм, но большей 8*10-7 м, т. е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.

Область спектра за красным его краем впервые экспериментально была исследована в 1800 г. английским астрономом Вильямом Гершелем (1738 –
1822). Гершель поместил термометр с зачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры. Шарик термометра нагрелся излучением, невидимым глазом. Это излучение назвали инфракрасным излучением.

Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.

С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.

Видимый свет

К видимому свету относят излучения с длинной волны примерно от 8*10-7 до 4*10-7м, от красного до фиолетового света.

Значения этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Свет является обязательным условием для развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.

Ультрафиолетовое излучение

В 1801 г. немецкий физик Иоганн Риттер (1776 – 1810), исследуя спектр, открыл, что заего фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Эти лучи воздействуюь на некоторые химические соединения.
Под действием этих невидимых лучей происходит разложение хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка и некоторых других кристаллов.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиннной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне волн от 4*10-7 до 1*10-8м.

Ультрафиолетовые излучение способно убивать белезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют а медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека – загару.

В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготовляют из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампыназывают кварцевыми лампами.

Рентгеновские лучи

Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электроны, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах на внутренних оболочках атомов возникают волны с длинной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в
1898 г. немецким физиком

Вильгельмом Рентгеном (1845 – 1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10-14 до 10-7м называются рентгеновскими лучами.

Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку.

способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний.

Гамма-излучение

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Гамма-излучение – самое коротковолновое электромагнитное излучение
(?

Страницы: 1, 2