- •Кафедра физики
- •Содержание
- •Предисловие
- •Методические рекомендации по изучению дисциплины
- •Перечень
- •2. Краткий курс лекций
- •1.2. Кинематика материальной точки
- •Лекция № 2
- •2.1. Первый закон Ньютона. Инерция, сила. Инерциальные системы отсчета.
- •2.2. Второй закон Ньютона. Масса.
- •2.3. Третий закон Ньютона.
- •2.4. Импульс. Закон сохранения импульса.
- •2.5. Силы в природе.
- •2.6. Реактивное движение. Уравнение движения тела переменной массы.
- •2.7. Работа и мощность
- •2.8. Энергия. Закон сохранения энергии
- •Лекция № 3
- •3.1. Понятие абсолютно твердого тела. Поступательное и вращательное движение тела. Центр масс.
- •3.2. Момент силы.
- •3.3. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси, его момент инерции и кинетическая энергия.
- •3.4. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса. Второй закон динамики для вращательного движения.
- •Лекция № 4
- •4.1. Описание движения жидкости и газа. Вязкость жидкостей и газов.
- •4.2. Уравнение неразрывности.
- •4.3. Уравнение Бернулли и выводы из него
- •Лекция №5
- •5.1. Гармонические колебания.
- •5.2. Сложение гармонических колебаний.
- •5.3. Сложение перпендикулярных колебаний.
- •5.4. Дифференциальное уравнение колебаний.
- •5.5. Энергетические соотношения в колебательных процессах.
- •5.6. Колебания математического и физического маятников
- •5.7. Уравнение вынужденных колебаний. Резонанс
- •Лекция №6
- •6.1.Волны в упругих средах и их виды. Фронт волны, плоские и сферические волны.
- •6.2. Энергия волны
- •6.3. Упругие волны в твердом теле
- •Лекция №7
- •7.1. Основные положения мкт.
- •Агрегатные состояния вещества
- •7.2. Опытные законы идеального газа
- •Закон Авогадро
- •7.3. Уравнение состояния идеального газа
- •7.4. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.
- •7.5. Закон Максвелла для распределения молекул по скоростям.
- •7.6. Барометрическая формула. Распределение Больцмана
- •Лекция №8
- •8.2. Столкновения молекул и явления переноса в идеальном газе
- •8.3. Среднее число столкновений и среднее время свободного пробега молекул
- •8.4.Средняя длина свободного пробега молекул
- •8.5. Диффузия в газах
- •8.6. Вязкость газов
- •8.7. Теплопроводность газов
- •8.8. Осмос. Осмотическое давление
- •Лекция №9
- •9.1.Распределение энергии по степеням свободы молекул
- •9.2. Внутренняя энергия
- •9.3. Работа газа при его расширении
- •9.4. Первое начало термодинамики
- •9.5. Теплоемкость. Уравнение Майера
- •9.6. Адиабатный процесс
- •9.7. Политропический процесс
- •9.8. Принцип действия тепловой машины. Цикл Карно и его кпд.
- •9.9. Энтропия. Физический смысл энтропии. Энтропия и вероятность.
- •9.10. Второе начало термодинамики и его статистический смысл.
- •Лекция №10
- •10.1. Реальные газы, уравнение Ван-дер-Ваальса.
- •Уравнение Ван-дер-Ваальса неплохо качественно описывает поведение газа при сжижении, но непригодно к процессу затвердевания.
- •10.2.Основные характеристики и закономерности агрегатных состояний и фазовых переходов.
- •Фазовые переходы второго рода. Жидкий гелий. Сверхтекучесть
- •10.3. Поверхностное натяжение жидкости. Давление Лапласа.
- •10.4. Капиллярные явления
- •10.5. Твёрдые тела
- •Дефекты в кристаллах
- •Тепловые свойства кристаллов
- •Жидкие кристаллы
- •Лекция №11
- •11.1. Электрические свойства тел. Электрический заряд. Закон сохранения заряда
- •11.2. Закон Кулона
- •11.3. Электростатическое поле. Напряженность электрического поля. Силовые линии поля.
- •11.4. Электрический диполь
- •11.5. Поток вектора напряженности. Теорема Остроградского-Гаусса
- •11.6. Работа сил электростатического поля по перемещению зарядов.
- •11.6. Потенциал. Разность потенциалов. Потенциал точечного заряда, диполя, сферы.
- •11.7. Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом
- •11.8. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.
- •11.9. Теорема Остроградского-Гаусса для поля в диэлектрике. Связь векторов - смещения, - напряженности и - поляризованности
- •11.10. Проводники в электростатическом поле
- •11.11. Проводник во внешнем электростатическом поле. Электрическая емкость
- •11.12. Энергия заряженного проводника, системы проводников и конденсатора
- •Лекция №12
- •12.1. Электрический ток. Сила и плотность тока.
- •12.2. Электродвижущая сила источника тока. Сторонние силы. Напряжение
- •12.3. Закон Ома для однородного участка цепи. Сопротивление проводников.
- •12.4. Закон Ома для неоднородного участка цепи
- •12.5. Закон Джоуля – Ленца. Работа и мощность тока.
- •12.6. Правила Кирхгофа
- •Лекция №13
- •13.1. Классическая теория электропроводности металлов
- •13.2. Термоэлектронная эмиссия. Электрический ток в вакууме.
- •13.3. Электрический ток в газах. Виды газового разряда.
- •Самостоятельный газовый разряд и его типы
- •Лекция №14
- •14.1. Магнитное поле. Магнитное взаимодействие токов. Закон Ампера. Вектор магнитной индукции.
- •14.2. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле прямолинейного и кругового токов.
- •14.3. Циркуляция вектора магнитной индукции. Поле соленоида и тороида
- •14.4. Магнитный поток. Теорема Гаусса
- •14.5. Работа перемещения проводника и рамки с током в магнитном поле
- •14.6. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца
- •14.7. Магнитное поле в веществе. Намагниченность и напряженность магнитного поля.
- •14.8. Закон полного тока для магнитного поля в веществе
- •14.9. Виды магнетиков
- •Лекция 15
- •15.1. Явление электромагнитной индукции.
- •15.2. Явление самоиндукции
- •15.3. Энергия магнитного поля
- •15.4. Электромагнитная теория Максвелла.
- •1) Первое уравнение Максвелла
- •2) Ток смешения. Второе уравнение Максвелла
- •3)Третье и четвертое уравнения Максвелла
- •4)Полная система уравнений Максвелла в дифференциальной форме
- •15.5. Переменный ток
- •Лекция № 16
- •16.1. Основные законы геометрической оптики. Полное внутренне отражение света.
- •16.2. Отражение и преломление света на сферической поверхности. Линзы.
- •16.3. Основные фотометрические величины и их единицы
- •17.1.Интерференция света. Когерентность и монохроматичность световых волн. Оптическая длина пути и оптическая разность хода лучей.
- •17.2. Способы получения интерференционных картин.
- •17.3. Интерференция в тонких пленках.
- •17.4. Просветление оптики
- •17.5. Дифракция света и условия ее наблюдения. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракционная решетка. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Бреггов
- •17.6. Дифракция Френеля от простейших преград.
- •17.7. Дифракция в параллельных лучах (дифракция Фраунгофера)
- •17.8. Дифракция на пространственных решетках. Формула Вульфа-Бреггов.
- •17.9. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет.
- •17.10. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера.
- •17.11.Поляризация при двойном лучепреломлении.
- •17.12. Вращение плоскости поляризации.
- •17.13. Дисперсия света. Поглощение (абсорбция) света.
- •Лекция №18
- •18.1. Квантовая природа излучения. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа. Законы Стефана-Больцмана и Вина.
- •18.2.Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
- •18.3. Масса и импульс фотона. Давление света. Эффект Комптона.
- •Лекция №19
- •19.2.Линейчатый спектр атома водорода.
- •19.3. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца.
- •Лекция №20
- •20.1.Атомное ядро.
- •20.2.Ядерные силы.
- •20.3.Энергия связи ядер. Дефект массы.
- •20.4.Реакции деления ядер.
- •2.5.Термоядерный синтез.
- •20.6.Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.
- •План-график самостоятельной работы
- •План-график проведения лабораторно-практических занятий
- •Перечень вопросов для подготовки к коллоквиуму Механика
- •Формулы
- •Определения
- •Вопросы к экзамену
- •Правила и образец оформления лабораторной работы
Лекция №18
Квантовая природа света и фотоэффект. Квантовая природа излучения. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа. Законы Стефана-Больцмана и Вина. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Масса и импульс фотона. Давление света. Эффект Комптона.
18.1. Квантовая природа излучения. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа. Законы Стефана-Больцмана и Вина.
Первый закон Кирхгофа. Излучение электромагнитных волн (свечение тел) может осуществляться за счет различных видов энергии. Самым распространенным является тепловое излучение, т.е. испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел. Все остальные виды свечения, возбуждаемые за счет любого вида энергии, кроме внутренней (тепловой), объединяются под общим названием люминесценция.
Тепловое излучение имеет место при любой температуре, однако, при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.
Рассмотрим замкнутую полость, стенки которой имеют температуру T (в ней могут находиться другие тела). Благодаря излучению стенок полость заполнена электромагнитным излучением со всевозможными направлениями распространения, поляризациями и частотами. В равновесном состоянии во всех точках полости устанавливается одинаковая и неизменная плотность энергии излучения , зависящая от температуры T. Более того, стационарность равновесного состояния подразумевает, что в каждой точке полости устанавливается одинаковое распределение энергии по спектру и изотропная направленность излучения, в том числе каждой спектральной составляющей. Это позволяет ввести спектральную плотность энергии , так что произведениедает долю плотности энергии, приходящейся на интервал частотd. Очевидно, между и существует следующая связь
. (18-1) Внутренняя энергия излучения связана с объемной плотностью соотношением
. (18-2)
Легко установить, что спектральная (и объемная) плотность энергии не зависит от свойств стенок полости и представляет собой универсальную функцию частоты и температуры (объемная плотность – только температуры). Данное утверждение составляет содержание первого закона Кирхгофа.
Действительно, пусть две такие полости с разными материалами стенок, но одинаковой температурой имеют хотя бы для одной частоты разные спектральные плотности. Тогда соединяя их с помощью отверстия (возможно со встроенным светофильтром), мы получили бы сначала поток энергии от одной полости к другой при равенстве температур, а затем от полости с более низкой температурой к полости с более высокой температурой, что запрещено принципами термодинамики.
Второй закон Кирхгофа. Поток энергии, испускаемой единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям (в пределах телесного угла 2), называют энергетической светимостью тела , которая зависит от температуры. Излучение состоит из волн различных частот. Обозначим через спектральную плотность энергетической светимости (испускательная способность) тела, так что произведение дает долю излучаемой энергии, приходящейся на интервал частотd. Очевидно, между и существует связь следующего вида
. (18-3)
Пусть на элементарную площадку поверхности тела падает поток лучистой энергии , приходящийся на интервал частотd. Часть этого потока будет поглощена телом. Безразмерная величина
(18-4)
называется поглощательной способностью тела (). Тело, полностью поглощающее упавшее на него излучение всех частот () называетсяабсолютно черным. Тело, для которого , называютсерым.
Абсолютно черных тел не существует. Сажа, например, имеет поглощательную способность , близкую к единице, лишь в очень ограниченном интервале частот; в далекой инфракрасной области ее поглощательная способность заметно меньше единице. Реализовать абсолютно черное тело можно в виде полости с небольшим отверстием (рис.18.1). Лучи попадающие через отверстие внутрь полости, в результате многократных отражений на внутренних стенках полости практически полностью поглощаются и не выходят наружу. Это обстоятельство наглядно проявляется, например, при взгляде на открытые окна в доме, которые в светлый день кажутся темными. Высокие поглощающие свойства сажи отчасти объясняются ее пористостью, благодаря чему падающий свет испытывает перед последним отражением несколько промежуточных. Излучение, исходящее из отверстия, в свою очередь, может рассматриваться как излучение абсолютно черного тела.
Обозначим через испускательную способность абсолютно черного тела. Согласновторому закону Кирхгофа между испускательной и поглощательной способностью любого тела существует связь
. (18-5)
Обосновать закон можно исходя из энергетического баланса на поверхности тела между падающим, отраженным и испущенным излучением. Этот баланс должен выполняться не только в целом, но и в каждом спектральном интервале.
Вследствие изотропии излучения, из каждой точки полости исходит поток энергии, равномерно распределенный и равный в расчете на единицу телесного угла . На единицу площади поверхности полости за единицу времени под углом к нормали в телесном угле падает поток энергии. Общее количество падающей энергии в единичном интервале частот равно
.
В результате отражения падающего излучения и собственного излучения в полость с единичной поверхности тела идет поток энергии
.
Так как тепловое равновесие не должно нарушаться, то между энергией падающего и идущего от поверхности излучения должно выполняться равенство. На этом основании приходим ко второму закону Кирхгофа (5) с установлением связи
. (18-6)
Закон Стефана-Больцмана. Электромагнитным излучением переносится импульс. Если объемная плотность энергии плоской волны равна u, то объемная плотность импульса . По этой причине равновесное излучение оказывает давление на стенки полости. Нетрудно установить (подсчитав импульс падающего и уходящего от стенки излучения), что это давление не зависит от материала стенки и равно одной трети плотности энергии излучения
. (18-7)
Используя термодинамическое соотношение
и выражения (18-2) и (18-7), приходим к уравнению
.
Интегрируя, получаем отсюда для объемной плотности энергии формулу
, (18-8)
а для энергетической светимости абсолютно черного тела выражение
. (18-9)
Соотношение (18-9) носит название закона Стефана-Больцмана, а константа – постоянной Стефана-Больцмана.
Закон смещения Вина. Вин теоретически обосновал второй закон черного излучения из общего характера функции . Он рассмотрел процесс адиабатического сжатия излучения, заключенного внутри идеально зеркального сосуда. Принимая во внимание изменение частоты излучения при отражении от движущегося зеркала (эффект Доплера), Вин пришел к выводу, что испускательная способность черного тела имеет вид
. (18-10а)
Испускательная способностью , выраженная в шкале длин волн, связана с, выраженной в шкале частот, формулой
(ее легко установить из соотношений и). Используя формулу (18-10а), находим общий вид функции
. (18-10б)
Соотношение (18-10б) позволяет установить зависимость между длиной волны , на которую приходится максимум функции, и температурой. Представим (18-10б) в виде. Из него с очевидностью вытекают два закона. Согласно первому – закону смещения Вина
, (18-11)
где – постоянная Вина. Согласно второму закону Вина максимум испускательной способности абсолютно черного тела возрастает пропорционально пятой степени абсолютной температуры
. (18-12)
Закон смещения Вина объясняет, почему при нагревании тел они светятся сначала красным светом, переходя затем к белому калению.
Формула Рэлея-Джинса. С точки зрения электромагнитной теории равновесное излучение в полости представляет собой систему стоячих волн с разными частотами , направлениями распространения и поляризациями. Найдем число различных стоячих волн в единице объема с частотами в интервале от до d. Допустим для простоты, что полость представляет собой куб с ребрами длины l, ориентированными вдоль координатных осей (результат, очевидно, не должен зависеть от формы полости).
Уравнение стоячей волны имеет вид
, (18-13)
где E электрическое поле (аналогичное уравнение имеет место и для магнитного поля), k представляет собой волновой вектор, направление которого совпадает с направлением волны, а модуль равен , – начальная фаза, и A – амплитуда волны. Для поля должны выполняться периодические граничные условия. Физически это связано с тем, что в зависимости отражающих свойств стенок на них должны находиться либо узлы, либо пучности стоячих волн. Отсюда получаются условия
. (18-14)
Частоты волн принимают, следовательно, квантованные значения
.
Введем пространство чисел ,,. Каждой частоте соответствует в этом пространстве точка. На каждую точку приходится куб, с объемом равным единице. Число точек в сферическом слое с радиусомm и толщиной dm равно с большой точностью объему этого слоя . Учитывая две независимые поляризации (на каждую точку приходится две волны), находим отсюда число стоячих волнв интервале частот от до d
.
Согласно закону равнораспределения энергии по степеням свободы каждая колебательная степень свободы в состоянии равновесия имеет энергию kT. Половина из которой приходится на электрическую, другая на магнитную составляющую энергии волны. В результате получим
. (18-15)
Равенство (18-15) называется формулой Рэлея-Джинса. Она дает достаточно хорошее согласие с экспериментом при малых . При больших спектральная плотность значительно превосходит наблюдаемую. Полная объемная плотность излучения, согласно формулам (18-1) и (18-15), имеет бесконечно большое значение . Этот недопустимый результат (равновесная величинаимеет конечное значение) получил названиеультрафиолетовой катастрофы.
Формула Планка. С классической точки зрения вывод формулы Рэлея-Джинса является безупречным. В связи с этим возникла необходимость изменения некоторых положений классической теории.
В 1900 г. Планк предположил, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций, величина которых пропорциональна частоте излучения
. (18-16)
Коэффициент пропорциональности получил впоследствии названиепостоянной Планка. Если излучение испускается порциями , то его энергия будет кратна этой величине
,
где n – целое неотрицательное число.
В состоянии равновесия распределение энергии стоячей волны (моды колебаний) должно подчиняться распределению Больцмана. Вероятность того, что энергия моды колебаний имеет значение , определяется выражением
.
Тогда средняя энергия данной моды найдется как
.
Проведя суммирование, получим
. (18-17) Заменив в (18-15)kT на полученное выражение , приходим к формуле Планка
. (18-18)
Формула Планка точно согласуется с экспериментальными данными во всем интервале частот и дает исчерпывающее описание равновесного излучения.