Тормозное рентгеновское излучение
ЛЕКЦИЯ № 5
Раздел 6 . Элементы квантовой механики и атомной физики
К середине XIX в. казалось было однозначно установлено, что свет – это электромагнитная волна и были хорошо изучены оптические (волновые) свойства излучения: интерференция, дифракция, поляризация и дисперсия.
Однако к концу XIX в. были обнаружены явления, явно противоречащие волновым представлениям о природе излучения (тепловое излучение тел, фотоэффект, эффект Комптона, излучение атомов и их строение и др.).
Квантово-оптические явления
Чтобы разрешить противоречия, немецкий физик Макс Планк в 1900 г. (14 декабря 1900 г.) высказал гипотезу о том, что излучение испускается (а позже было признано, что и поглощается и распространяется) порциями (квантами, корпускулами), т. е. особыми частицами (эти частицы позже были названы фотонами), энергия, масса и импульс которых неразрывно связаны с их волновыми характеристиками:
; (5-1)
, (5-2)
где h = 6,623×10-34 Дж×с - постоянная Планка.
( Дж×с – постоянная Планка.)
Таким образом, оказалось, что излучение – это поток частиц (корпускул, квантов) – фотонов, которым при этом присущи и волновые свойства.
Свойства фотонов как частиц достаточно необычны. Так, фотоны не имеют массы покоя, движутся только со скоростью света, имеют энергию, импульс, спин, релятивистскую массу, но вместе с тем могут интерферировать.
|
|
кг.
Тепловое излучение
Любое нагретое тело излучает электромагнитные волны. Излучение сильно нагретых тел обнаруживается непосредственно органами чувств человека (излучение Солнца, лампы накаливания, костра, нагретого металла). Излучение менее нагретых тел, хотя и не видно, тем не менее существует и обнаруживается приборами (например, микроволновыми датчиками автомобильных охранных систем или автоматически открывающихся дверей, реагирующими на излучение тела приближающегося человека). Тепловое излучение тел не следует путать с отраженным или рассеянным телами излучением, которое упало на эти тела от других источников излучения.
Основные характеристики теплового излучения:
1) световой поток º мощность излучения – это величина энергии, излучаемая веществом в единицу времени:
, (5-3)
.
2) энергетическая светимость излучения – это величина энергии, излучаемая веществом в единицу времени с поверхности единичной площади:
|
|
, (5-4)
.
3) излучательная способность вещества º спектральная плотность энергетической светимости – это величина энергии, излучаемая веществом в единицу времени с поверхности единичной площади в единичном интервале частот или в единичном интервале длин волн:
, , (5-5а)
, . (5-5б)
Связь между e(w) и e(l) - ?
Т. к. энергетическая светимость вещества одинаковая при данной Т, то можно записать
. (5-6)
Основная задача при объяснении механизма теплового излучения – найти выражение для e(w) или e(l).
При облучении электромагнитным излучением любого вещества часть светового потока отражается , часть поглощается веществом и остаток проходит сквозь вещество .
= + +
где - отражательная способность вещества (коэффициент отражения);
- коэффициент прозрачности вещества;
- поглощательная способность вещества (коэффициент поглощения).
Свойства теплового излучения (интенсивность, диапазон длин волн, распределение интенсивности излучения по длинам волн) определяются характеристиками поверхности тела и его температурой.
|
|
Наиболее простой моделью нагретых тел является модель абсолютно черного тела (АЧТ). Вещество, у которого и (ничего не отражает и ничего не пропускает, а все поглощает а = 1), называется абсолютно черным телом (АЧТ).
Свойства излучения АЧТ определяются только его температурой.
Модель АЧТ:
Экспериментально была исследована зависимость излучательной способности АЧТ от частоты излучения, которая имеет вид:
Все попытки классической физики объяснить механизм теплового излучения с позиции электромагнитной теории не привели к успеху.
Первой была попытка Кирхгофа, который установил следующий закон (закон Кирхгофа для теплового излучения):
если тела находятся при одинаковой температуре, то отношение излучательной способности тел к их поглощательной способности для всех тел абсолютно одинаковая и является некоторой универсальной функцией (универсальной функцией Кирхгофа), зависящей только от частоты излучения и абсолютной температуры тела
. (5-7)
Для АЧТ , тогда - универсальная функция Кирхгофа является излучательной способностью АЧТ.
|
|
Однако получить выражение для Кирхгоф не смог.
Следующий шаг в изучении механизма теплового излучения был сделан Стефаном и Больцманом, которые экспериментально установили, что энергетическая способность АЧТ пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры
. (5-8)
- закон Стефана-Больцмана для теплового излучения,
здесь - постоянная Стефана-Больцмана.
Этот закон позволяет определить лишь интегральную характеристику теплового излучения – полную энергию, излученную телом в единицу времени с единичной поверхности, но во всем частотном диапазоне от 0 до ¥.
.
Вин установил два закона (законы Вина для теплового излучения), которые относятся только к одной длине волны (или одной частоте), соответствующей максимуму излучательной способности АЧТ:
1) , (5-9)
где b = 2,9×10-3 м×К – const.
Формулу (5-9) иногда называют законом смещения Вина для теплового излучения
2) , (5-10)
где с = 1,29×10-5 – const.
И, наконец, венцом классической физики в объяснении механизма теплового излучения стала формула, полученная Релеем и Джинсом, для излучательной способности АЧТ:
, (5-11)
- формула Релея-Джинса для теплового излучения.
Эта формула очень хорошо совпадала с экспериментом в области коротких частот (больших длин волн).
Однако в области больших частот (коротких длин волн) формула Релея-Джинса терпит катастрофу ® «ультрафиолетовая катастрофа».
Более того, попытка вычислить R АЧТ тоже приводит к абсурду
?
Лишь после того, как Макс Планк сформулировал знаменитую гипотезу (носящую его имя) о дискретном характере излучения энергии нагретыми телами, им была получена формула (формула Планка), идеально соответствующая экспериментальному графику универсальной функции Кирхгофа:
(5-12)
1.2. Внешний фотоэлектрический эффект
В 1887 году немецкий физик Герц открыл явление, которое получило название «Внешний фотоэффект» - это явление вырывания электронов с поверхности металлов при облучении их электромагнитным излучением.
Все попытки классической физики объяснить это явление на основе волновых представлений не привели к успеху.
Резонанс!-?
Опыты Столетова:
1)
2) Существует (сорта металла, состояния поверхности);
3) Количество электронов интенсивности света (световому потоку).
Объяснить это явление удалось в 1905 г. немецкому физику Эйнштейну. Он использовал гипотезу Планка о квантовой природе излучения и в свою очередь предположил, что свет не только излучается, но и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), которые в дальнейшем были названы фотонами.
Использовав закон сохранения энергии, Эйнштейн записал формулу для внешнего фотоэффекта:
(5-13)
= эВ 1эВ = 1,6×10-19 Дж.
(5-13а)
Законы фотоэффекта:
1)
2) Фотоэффект возникает при ;
или - (5-14)
красная граница внешнего фотоэффекта
3) Один фотон – один электрон
количество электронов ~ количеству фотонов (I, Ф).
Иногда требуется вылетевшие из металла электроны задержать у поверхности. Для этого используют встречное электрическое поле
(5-15)
- задерживающее напряжение электрического поля.
по ВАХ определяют постоянную Планка h.
Тормозное рентгеновское излучение
(5-16)
Эффект Комптона
В 1924 году американский физик Комптон обнаружил, что при облучении вещества электромагнитным излучением наблюдается отклонение излучения от первоначального направления на некоторый угол и прошедшее излучение имеет большую длину волны…
Свет – электромагнитная волна – дифракция ?
Комптон воспользовался квантовой гипотезой Планка (свет-поток фотонов) и смог объяснить открытое им явление:
(5-17)
где L с = 2,43×10-12 м – постоянная Комптона.
Давление света
Свет, попадая на вещество, оказывает давление. Объяснить это возможно и по электромагнитной теории и по квантовой физике.
Свет – поток фотонов.
Т. о. свет по электромагнитной теории – это электромагнитная волна, а по квантовой физике – это поток частиц (фотонов).
Современная физика констатирует наличие корпускулярно-вол-нового дуализма света: свет – это одновременно электромагнитная волна и фотон.
Дата добавления: 2019-08-31; просмотров: 150; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!