Реферат: Лекции по физике
При освещении электрода из него вылетают электроны, достигающие затем положительно заряженного электрода - в цепи протекает ток, который фиксируется гальванометром G.
Но ток протекает и при смене полярности напряжения на электродах, хотя при уменьшении разности потенциалов между электродами и, тем более, при смене его знака ток уменьшается.
У вылетающих из электрода электронов энергия (как показывает опыт) не может быть больше энергии фотона ћw. Поэтому
.
Это соотношение называется формулой Эйнштейна.
16.3. Эффект Комптона
Еще одним и, пожалуй, наиболее эффектным проявлением корпускулярных свойств электромагнитного излучения является эффект Комптона. Заключается он в изменении частоты (т.е. энергии) фотона после “упругого столкновения” с электроном. Но прежде, чем перейти к выводу соответствующего выражения, поговорим немного об энергии и импульсе в релятивистской механике.
Выражение
для импульса, собственно, остается неизменным, лишь вместо “просто” массы
(иначе - массы покоя) в него входит некоторая масса , зависящая от
скорости движения тела:
;
При
малой скорости движения выражение для импульса
переходит в “обыкновенное”, используемое в нерелятивистском приближении, масса
в нем считается константой.
Несколько
сложнее обстоит дело с релятивистским выражением для энергии тела. Здесь
вводится понятие энергии покоя m0c2.
Собственно, это выражение остается справедливым и при движении тела, только вместо
массы покоя m0 записывается масса :
.
При
малой скорости движения в разложении квадратного
корня в знаменателе можно ограничиться первыми двумя членами:
.
Это выражение можно “прочитать” таким образом: при малых скоростях движения энергия тела представляет собой сумму энергии покоя и “обычной” нерелятивистской кинетической энергии.
Для наших целей выражение для кинетической энергии тела удобно записать иначе:
.
Действительно,
Для решения задачи о столкновении фотона и электрона необходимо записать законы сохранения:
;
.
Воспользовавшись
соотношением , преобразуем первое из
уравнений:
;
;
;
.
С другой стороны, из закона сохранения импульса получаем:
;
.
Приравняем полученные выражения для квадрата импульса электрона после столкновения и проведем несложные преобразования:
;
;
.
Имеющая
размерность длины величина называется Комптоновской
длиной волны электрона. Мы бы не затевали этого разговора, если бы
экспериментально определенное значение lC = 0,00243 нм не совпадало с теоретическим
значением lC.
Лекция 18
15. Фотоны
При подсчете плотности равновесного теплового излучения присвоение каждой степени свободы (стоячей волне) энергии kT приводит к абсурдному результату - бесконечной плотности лучистой энергии. При анализе равновесного теплового излучения потребовался совершенно новый подход - введение квантования энергии в виде “порций” величиной ћw, и количество таких порций определяется распределением Больцмана. Последующие исследования показали, что поглощение или излучение электромагнитной энергии происходит такими же “порциями”, квантами.
В конце концов кванты электромагнитной энергии стали восприниматься как особые частицы, фотоны. И для этого были достаточно серьезные основания.
DV
q DW
Ds R DR |
Пусть в некоторой полости находится равновесное тепловое излучение. Подсчитаем давление, которое оно оказывает на поглощающую поверхность (отражающую).
В
объеме DV “запасена” энергия u×DV. Из этой энергии на
площадку Ds попадет часть,
пропорциональная телесному углу - под таким углом площадка Ds “видна” из элементарного
объема DV:
.
С
этой энергией, равной mc2, площадке будет передан
импульс mc=и подействует сила
. Вклад в
давление даст лишь нормальная составляющая этой силы и поэтому выражение для
давления будет иметь вид:
.
Мы
выбрали элементарный объем в виде небольшого кубика. Но под таким же углом
площадка Ds видна из любой точки
колечка радиуса , показанного на рисунке.
Поэтому в качестве элементарного объема может быть выбрано это колечко, поперечное
сечение которого
:
;
.
Прежде всего нас будет интересовать давление на зеркальную поверхность, которая вдвое больше выписанной величины. Таким образом, после интегрирования по q в пределах от нуля до p/2 мы получаем
.
Но
это же выражение мы можем получить и с помощью других рассуждений. Используя
понятие фотона, мы скажем, что в объеме DV содержится nwdw фотонов с частотой в
пределах от w до w+dw и с импульсом . На
площадку Ds попадет
фотонов и они передадут (зеркальной) поверхности импульс
.
Время
“падения” этих фотонов на площадку будет . Чтобы найти подействовавшую
на площадку силу, нам надо разделить на это время переданный импульс. Нормальная
к площадке составляющая силы определит давление на площадку:
;
.
Нам осталось, как мы это делали раньше, вместо кубика выбрать элементарный объем в виде колечка, и мы получим:
.
После интегрирования по q и w мы получаем то же самое выражение для давления:
;
.
Таким образом, и волновое рассмотрение равновесного теплового излучения и рассмотрение его как фотонного газа дает один и тот же результат.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23