Методика вивчення закону Кулона.

В самому формулюванні закону К. F=(q1·q2)/r^2 вказується на нерухомість взаємодіючих заряджених тіл. Учням потрібно пояснити суть цієї умови. Справа в тому, що взаємодія зарядів здійснюється частково електромагнітному полю, яке може поширюватися в просторі з кінцевою швидкістю. Час в закон не входить а входить лише відстань. Будь-яке зміщення одного із зарядів проявиться на іншому не відразу, а через деякий час, яке потрібне електромагнітному сигналу для того, щоб пройти відстань, яка розділяє заряди. В зв’язку з цим взаємодія між зарядами не може визначатись лише відстаню між ними в даний час. Якщо б швидкість електромагнітного поля була б безмежно великою, то зак. К. був би однаково справедливий як для нерухомих так і для рухомих зарядів. Тоді електромагнітне поле було б лишнім. Але оскіль електромагнітні сигнали поширюються з великою але всеж з кінцевою швидкістю, рухомі заряди взаємодіють не так як нерухомі, і описати цю взаємодію не можливо без електромагнітного поля . Подібні роздуми переконують учнів, що електромагнетизм є релятивіським розділом фізики.

Увагу учнів потрібно перевести на те, що у формулюванні зак. К. є постанова точкові заряди.

Білет №9

Фотоефект і ефект Комптона

Явище звільнення електронів з речовини при освітленні її світлом називається фотоелектричним ефектом (фотоефектом). Розрізняють зовнішній і внутрішній фотоефект. При зовнішньому фотоефекті електрони звільняються світлом з поверхневого шару речовини і переходять в інше середовище або у вакуум.

При внутрішньому фотоефекті відбувається перерозподіл електронів за енергетичними станами в конденсованих середовищах при поглинанні ними світла. У цьому випадку електрична нейтральність тіла не порушується.

Енергія поглинутого фотона може витрачатись на відрив електрона від атома всередині металу. Відірваний електрон взаємодіятиме з іншими атомами металу, втрачаючи свою енергію, яка буде йти на зміну внутрішньої енергії тіла, тобто на його нагрівання. Електрон, який вилітає з металу, матиме максимальну кінетичну енергію тоді, коли всередині металу він був вільним, тобто не зв'язаним з атомом, і при вилітанні за межі металу не витрачав енергію на тепло. У цьому випадку кінетична енергія електрона витрачається тільки на подолання затримуючих сил, які діють у поверхневому шарі металу, тобто на роботу виходу. Припустимо, що електрон одержав кінетичну енергію при зіткненні тільки з одним фотоном. Тоді максимальна кінетична енергія, яку буде мати звільнений електрон, визначається формулою

де А - робота виходу електрона з металу; те - маса спокою електрона. Ця формула вперше була одержана А. Ейнштейном і носить його ім'я.

З рівняння (9.1) також випливає, що фотоефект можливий тільки тоді, коли hv> А. В іншому випадку енергія фотона недостатня для звільнення електрона з металу. Найменша частота vmin світла, під дією якого відбувається фотоефект, визначається з умови hvmm = А, звідки

Частота vmm (^max), при якій можливий фотоефект, називається "червоною межею" фотоефекту. Ця назва не стосується кольору світла. Вона вказує на ту найменшу частоту (найбільшу довжину хвилі) світла, при якій ще може відбуватись фотоефект. Так, із цезію звільняються електрони при освітленні випромінюванням усієї видимої частини спектра; для калію відбувається фотоефект при освітленні променями, довжина хвиль яких ?l<0,62 мкм; для вольфраму - X < 0,275 мкм.

Внутрішній фотоефект може відбуватись у напівпровідниках та діелектриках. Під дією світла частина електронів з валентної енергетичної зони переходить у зону провідності. При цьому концентрація носіїв струму всередині тіла збільшується, тобто збільшується його електропровідність. Явище збільшення електропровідності тіла під дією світла називається фотопровідністю.

Розглянуте явище фотоефекту відбувається при відносно слабких світлових полях і його називають однофотонним. У випадку користування випромінюванням потужного лазера виникає багатофотонне поглинання, тобто багатофотонний фотоефект, при якому в співударянні з електроном одночасно бере участь декілька фотонів. Рівняння Ейнштейна для багатофотонного фотоефекту має вигляд

де Л' - число фотонів, які співударяються з електроном. Багатофотонний фотоефект зумовлює зміщення червоної межі в довгохвильову ділянку спектра. Багатофотонний фотоефект одержано і для інших видів фотоефекту.

Корпускулярні властивості світла найбільш переконливо проявляються в явищі, яке називається ефектом Комптона. Експериментально встановлено, що

де Ло - стала величина. Оскільки зміна довжини хвилі ДА. не залежить від природи розсіювальної речовини, то розсіяння рентгенівського випромінювання відбувається на слабкозв'язаних електронах різних речовин. Ефект Комгпона можна пояснити тільки на основі уявлень про корпускулярну природу випромінювання, розглядаючи розсіяння як процес пружного зіткнення рентгенівських фотонів з електронами. Оскільки енергія фотона характеристичного рентгенівського випромінювання значно перевищує енергію зв'язку зовнішнього електрона в атомі, то такий електрон можна вважати практично вільним. І

Розглянемо пружне зіткнення рентгенівського фотона, енергія якого hv і імпульс hv І с. Оберемо систему координат, в якій електрон до зіткнення з фотоном знаходиться у спокої і має масу т0. Після зіткнення з електроном розсіяний під кутом 0 фотон мас енергію hv' і імпульс hv'І с, а електрон має енергію тс2 і імпульс mv (рис. 10.4). На основі законів збереження імпульсу га енергії маємо

Відповідно до теореми косинусів з (рисі0.4) маємо

Розділимо рівняння (10.3) на с і піднесемо його до квадрату. Тоді

При відніманні рівняння (10.4) від (10.5) одержимо

Оскільки т2(с2 ~v2)= тіс2,та враховуючи те, що v = c/X, a < v' = сІ~к', із співвідношення (10.6) одержуємо

де величина Ло = = 2,426 3096(l5)-10 12 м називається комптонівською довжиною хвилі. Отже, теоретично одержані дані повністю збігаються з результатами експерименту. Цим самим ефект Комптона не тільки підтверджує фотонну теорію світла, але доводить справедливість законів збереження енергії та імпульсу при взаємодії фотона з електроном.