В Википедии есть статьи о других людях с фамилией Гюйгенс
.
Один из основоположников теоретической механики
и теории вероятностей
. Внёс значительный вклад в оптику
, молекулярную физику
, астрономию
, геометрию
, часовое дело
. Открыл кольца Сатурна
и Титан
(спутник Сатурна
). Изобрёл первую практически применимую модель часов с маятником
. Положил начало волновой оптике
.
волновая теория света
Гюйгенс определял свет как волну, подобную звуку или механическим волнам, возникающим в воде. С другой стороны, Ньютон утверждал, что свет был сформирован материальными частицами, к которым он назвал корпускулы.
Свет всегда вызывал интерес и любопытство человека. Таким образом, с самого начала одной из фундаментальных проблем физики было раскрытие тайн света.
По этим причинам на протяжении всей истории науки существовали разные теории, призванные объяснить их истинную природу.
Однако только в конце 17-го и начале 18-го века, с теориями Исаака Ньютона и Христиана Гюйгенса, начали закладываться основы для более глубокого познания света.
Текущая версия страницы пока не проверялась
опытными участниками и может значительно отличаться от версии
, проверенной 17 мая 2017 года; проверки требуют 6 правок
.
Волнова́я тео́рия све́та
— одна из теорий, объясняющих природу света
. Основное положение теории заключается в том, что свет имеет волновую природу, то есть ведёт себя как электромагнитная волна
, от длины которой зависит цвет видимого нами света.
Теория подтверждается многими опытами (в частности, опытом Т. Юнга
), и данное поведение света (в виде электромагнитной волны) наблюдается в таких физических явлениях, как дисперсия
, дифракция
и интерференция света
. Однако многие другие физические явления, связанные со светом, одной волновой теорией объяснить нельзя.
1. Как изменится со временем интенсивность испускания электронов цинковой пластинкой при облучении ее ультрафиолетовым светом?
A. уменьшается Б. увеличивается В. Не изменяется Г.нет верных вариантов ответа
2. Как изменится кинетическая энергия электронов при фотоэффекте, если, не изменяя частоту, увеличить световой поток в 2 раза?
A. уменьшится Б. увеличится В. Не изменится Г.нет верных вариантов ответа
3. Как изменится фототок насыщения при увеличении частоты облучающего света и неизменном световом потоке?
A. уменьшится Б. увеличится В. Не изменится Г.нет верных вариантов ответа
4. Частота облучающего света увеличилась в 2 раза. Как изменилось запирающее напряжение фотоэлемента?
A. уменьшилось больше, чем в 2 раза Б. увеличилось больше, чем в 2 раза В. Не изменилось Г. увеличилось больше, чем в 4 раза
5. Запишите уравнение Эйнштейна.
6. Можно ли законы фотоэффекта объяснить на основе волновой теории света?
А. нельзя Б.можно В.можно частично Г. нет верных вариантов ответа
7. Незаряженную металлическую пластину освещают рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами. Каков результат опыта?
A. пластинка заряжается отрицательно Б. пластинка заряжается положительно В. Пластинка остаётся незаряженной Г.нет верных вариантов ответа
8. Как изменится время разрядки цинковой пластины заряженной отрицательно, если поставить светофильтр, задерживающий инфракрасную часть спектра?
A. уменьшится Б. увеличится В. Не изменится Г.нет верных вариантов ответа
9. Красная граница фотоэффекта для серебра равна 0,33 мкм. Чему равна в электрон-вольтах работа выхода электрона из серебра?
А. 5,75 эВ Б. 9 эВ В. 12 эВ Г. 3,75 эВ
10. Вычислить энергию, массу и импульс фотона, длина волны которого 400 нм.
А. 4,97*10 -21
Дж; 5,5*10 -37
кг; 1,65*10 -28
кг * м/с Б. 4,97*10 -20
Дж; 5,5*10 -35
кг; 1,65*10 -26
кг * м/с
В. 4,97*10 -19
Дж; 5,5*10 -36
кг; 1,65*10 -27
кг * м/с Г. 9,97*10 -19
Дж; 6,5*10 -36
кг; 3,65*10 -27
кг * м/с
11. Мощность монохроматического источника света 132 Вт. За время t=2 с источник испускает N=8*10 20
световых квантов. Найдите длину волны излучения.
12. Какую максимальную скорость могут получить вылетевшие из калия электроны при облучении его фиолетовым светом с длиной волны 0,42 мкм? Работа выхода электронов для калия равна 2 эВ.
Ответы.
1 А
2 В
3 В
4 Б
5 h?=Ав +mv2/2
6 А
7 Б
8 В
9 Г
10 В
11 0,6 мкм
12 580 км/с
1. Как изменится со временем интенсивность испускания электронов цинковой пластинкой при облучении ее ультрафиолетовым светом?
A. уменьшается Б. увеличивается В. Не изменяется Г.нет верных вариантов ответа
2. Как изменится кинетическая энергия электронов при фотоэффекте, если, не изменяя частоту, увеличить световой поток в 2 раза?
A. уменьшится Б. увеличится В. Не изменится Г.нет верных вариантов ответа
3. Как изменится фототок насыщения при увеличении частоты облучающего света и неизменном световом потоке?
A. уменьшится Б. увеличится В. Не изменится Г.нет верных вариантов ответа
4. Частота облучающего света увеличилась в 2 раза. Как изменилось запирающее напряжение фотоэлемента?
A. уменьшилось больше, чем в 2 раза Б. увеличилось больше, чем в 2 раза В. Не изменилось Г. увеличилось больше, чем в 4 раза
5. Запишите уравнение Эйнштейна.
6. Можно ли законы фотоэффекта объяснить на основе волновой теории света?
А. нельзя Б.можно В.можно частично Г. нет верных вариантов ответа
7. Незаряженную металлическую пластину освещают рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами. Каков результат опыта?
A. пластинка заряжается отрицательно Б. пластинка заряжается положительно В. Пластинка остаётся незаряженной Г.нет верных вариантов ответа
8. Как изменится время разрядки цинковой пластины заряженной отрицательно, если поставить светофильтр, задерживающий инфракрасную часть спектра?
A. уменьшится Б. увеличится В. Не изменится Г.нет верных вариантов ответа
9. Красная граница фотоэффекта для серебра равна 0,33 мкм. Чему равна в электрон-вольтах работа выхода электрона из серебра?
А. 5,75 эВ Б. 9 эВ В. 12 эВ Г. 3,75 эВ
10. Вычислить энергию, массу и импульс фотона, длина волны которого 400 нм.
А. 4,97*10 -21
Дж; 5,5*10 -37
кг; 1,65*10 -28
кг * м/с Б. 4,97*10 -20
Дж; 5,5*10 -35
кг; 1,65*10 -26
кг * м/с
В. 4,97*10 -19
Дж; 5,5*10 -36
кг; 1,65*10 -27
кг * м/с Г. 9,97*10 -19
Дж; 6,5*10 -36
кг; 3,65*10 -27
кг * м/с
11. Мощность монохроматического источника света 132 Вт. За время t=2 с источник испускает N=8*10 20
световых квантов. Найдите длину волны излучения.
12. Какую максимальную скорость могут получить вылетевшие из калия электроны при облучении его фиолетовым светом с длиной волны 0,42 мкм? Работа выхода электронов для калия равна 2 эВ.
Ответы.
1 А
2 В
3 В
4 Б
5 h?=Ав +mv2/2
6 А
7 Б
8 В
9 Г
10 В
11 0,6 мкм
12 580 км/с
На
металл падает световая волна. Электроны,
находящиеся
в его поверхностном слое, поглощают
энергию этой волны, и их
энергия
постепенно увеличивается. Когда она
становится больше работы выхода,
электроны
начинают вылетать из металла. Таким
образом, волновая теория света
будто
бы способна качественно объяснить
явление фотоэффекта.
Однако
расчеты показали, что при таком объяснении
время между началом освещения
металла
и началом вылета электронов должно быть
порядка десяти секунд. Между
тем
из опыта следует, что t<10-9 c. Следовательно,
волновая
теория
света не объясняет безынерционности
фотоэффекта. Не может она объяснить
и
остальные законы фотоэффекта.
Согласно
волновой теории кинетическая энергия
фотоэлектронов должна
возрастать
с увеличением интенсивности света,
падающего на металл. А
интенсивность
волны определяется амплитудой колебаний
напряжённости Е, а не
частотой
света. ( От интенсивности падающего света
зависит лишь число
выбиваемых
электронов и сила тока насыщения).
Из
волновой теории следует, что энергию,
необходимую для вырывания электронов
из
металла, способно дать излучение любой
длины волны, если его интенсивность
достаточно
велика, т.е. что фотоэффект может
вызываться любым световым
излучением.
Однако существует красная граница
фотоэффекта, т.е. получаемая
электронами
энергия зависит не от амплитуды волны,
а от ее частоты.
Таким
образом, попытки объяснить закономерности
фотоэффекта на основе
волновых
представлений о свете оказались
несостоятельными.
Гипо́теза
Пла́нка заключающаяся в том, что при
тепловом излучении энергия испускается
и поглощается не непрерывно, а отдельными
квантами (порциями). Каждая такая
порция-квант имеет энергию , пропорциональной
частоте ν излучения: 
Эйнштейна
для фотоэффекта:
где
— т. н. работа выхода (минимальная
энергия, необходимая для удаления
электрона из вещества), — кинетическая
энергия вылетающего электрона, —
частота падающего фотона с энергией ,
h — постоянная Планка. Из этой формулы
следует существование красной границы
фотоэффекта, то есть существование
наименьшей частоты, ниже которой энергии
фотона уже не достаточно для того, чтобы
«выбить» электрон из металла. Суть
формулы заключается в том, что энергия
фотона расходуется на ионизацию атома
вещества и на работу, необходимую для
«вырывания» электрона, а остаток
переходит в кинетическую энергию
электрона.
ЛАБОРАТОРНАЯ
РАБОТА № 36
Цель
работы: 1) экспериментальная проверка
законов фотоэффекта;
2)
определение работы выхода электронов
из металла, постоянной Планка и красной
границы фотоэффекта
Фотоэффектом
(внешним) называется явление испускания
электронов из вещества (в вакуум или
другое вещества) под действием
электромагнитного излучения.
Количество
испускаемых веществом электронов
пропорционально интенсивности излучения,
вызывающего фотоэффект.Максимальная
кинетическая энергия фотоэлектронов
пропорциональна частоте излучения и
не зависит от его интенсивности.Для
каждого вещества (при данном состоянии
поверхности и температуре) существует
граничная частота
(или
длина волн
)
такая, что при использовании излучения
меньшей частоты
(или
)
фотоэффект не наблюдается.
2
и 3 законы фотоэффекта нельзя объяснить
на основе волновой теории света. Открытие
и исследование фотоэффекта сыграла
огромную роль в обосновании квантовой
теории света.
При
фотоэффекте квант электромагнитного
излучения – фотон поглощается электроном.
При этом энергия фотона расходуется на
совершение электроном работы выхода
из вещества и приобретение им (электроном)
кинетической энергии.
Закон
сохранения энергии при фотоэффекте
определяется уравнением Эйнштейна:
А
– работа выхода электрона из вещества;
—
кинетическая энергия наиболее быстрых
электронов.
Законы
фотоэффекта на основе квантовых
представлений о свете объясняются
следующим образом.
1.
При обычных интенсивностях излучения
электроном поглощается только один
фотон. Поэтому количество фотоэлектронов
пропорционально количеству фотонов,
попадающих на поверхность вещества,
что и объясняет первый закон фотоэффекта.
Однако, при использовании мощных пучков
лазерного излучения уместен многофотонный
фотоэффект.
2. Объяснение
2-го и 3-го закона следует непосредственно
из уравнения (36-1). С увеличением частоты
возрастает энергия фотона, а следовательно,
с учетом постоянства работы выхода А,
увеличивается пропорционально частоте
кинетическая энергия фотоэлектрона.
3. Очевидно,
то фотоэффект возможен только при
условии, что энергии фотона достаточно
для совершения работы выхода, то есть
или
(36-2)
Частота
(или
длина волн
)
называется красной границей фотоэффекта.
Фотоэффект
не может происходить на свободных
электронах. Если предположить, что фотон
падает на свободный электрон вещества
и поглощается им, то должны одновременно
выполняться законы сохранения энергии
и импульса, которые выражаются следующими
уравнениями:
Левые
части этих уравнений выражают энергию
и импульс электрона, правые – энергию
и импульс фотона.
Легко
показать, что эти два равенства не могут
выполняться одновременно при
.
Таким
образом, фотоэлектрическое поглощение
света свободными электронами невозможно:
оно противоречит законам сохранения
энергии и импульса. Фотоэффект может
происходить только на «связанных»
электронах, находящихся, например, в
атоме или твердом теле; то есть необходимо
присутствие «третьего тела», которое
дает возможность удовлетворить
одновременно оба закона сохранения. В
этом случае уравнения (36-3) примут вид:
где
А – энергия связи электрона с системой,
где он находится;
Р
– импульс,
переданный
системы
при фотоэффекте.
и
1 уравнение (36-3) совпадает с уравнением
Эйнштейна (36-1).
Фотоэффект
в металле, то есть поглощение световых
квантов электронами проводимости
металла, оказывается возможным по двум
причинам:
В
приповерхностном слое наличие скачка
потенциала на границе металла — вакуум
делает
электроны
связанными.В
объеме металла электроны связаны
благодаря их взаимодействию с
периодическим полем ионной решетки
металла.
Первая
причина обуславливает поверхностный
фотоэффект, вторая – объёмный.
Схема
лабораторной установки показана на
рис.36.1.
Основной
частью установки является вакуумный
фотоэлемент
,который
представляет собой прозрачный для света
баллон с вакуумом порядка
мм
рт. ст. На одну половину внутренней
поверхности баллона наносится
светочувствительный слой из щелочных
металлов. Он выполняет роль катода (К).
Рис.36.1.
Схема экспериментальной установки
В
центре располагается металлический
анод. При освещении катод испускает
электроны. Свет от лампочки Л попадает
на фотоэлемент
через сменные светофильтры СФ. Фототок,
в зависимости от условий опыта,
регистрируется гальванометром G
или микроамперметром
,
напряжение на фотоэлементе регулируется
потенциометром П и измеряется вольтметром
V.
Источник тока
служит
для создания задерживающего электроны
напряжения (то есть на анод подается
«минус»),
—
для создания ускоряющего напряжения
(на аноде – «плюс»). Ключ К2 служит для
замены одного источника другим. Расстояние
между лампой и фотоэлементом измеряется
по шкале Ш.
Задание
1
.
Снятие вольт-амперных характеристик
фотоэлемента и проверка I
и II
законов фотоэффекта.
Измеряя
потенциометром П напряжение на
фотоэлементе, снимает зависимость
фототока от напряжения – вольт-амперную
характеристику фотоэлемента. Измерения
проводят несколько раз при различных
расстояниях лампочки от фотоэлемента,
то есть различных интенсивностях
облучения катода (разных световых
фототоках). Семейство вольтамперных
характеристик показано на рис.36.2.
Рис.
36.2 Семейство вольт – амперных характеристик
Под
действие постоянного светового потока
из металла в единицу времени освобождается
одно и то же число электронов, они
образуют вблизи катода электронное
облако, часть электронов достигает
анода. Увлечение напряжения приводит
к уменьшению электронного облака и
увеличению фототока, и при некотором
напряжении
тока достигает насыщения — все электроны,
испускаемые катодом в единицу времени
попадают в это же время на анод. При
дальнейшем росте напряжения ток остается
постоянным, то есть фототок насыщения
характеризует количество фотоэлектронов
освобождаемых светом в единицу времени.
Пологий ход левой части кривых (рис.36.2)
указывает на то, что электроны вылетают
из катода с различными по величине
скоростями. Часть электронов достигает
анода при U=0,
то есть при отсутствии ускоряющего
поля. Поэтому при U=0
ток отличен от нуля:
.
Для обращения силы тока в нуль нужно
приложить задерживающее напряжение
.
При таком напряжении ни одному из
электронов, обладающему при вылете из
катода наибольшей скоростью V
не удается пролететь задерживающие
поле и достигнуть анода. При этом
максимальная кинетическая энергия
электронов
будет
потрачена на совершение работы против
сил тормозящего электрического поля
,
то есть
где:
-заряд, масса, скорость электрона.
По
построенным экспериментально кривым
(рис.36.2) можно проверить законы фотоэффекта
следующим образом:
1.
Все графики пересекаются в одной точке,
то есть
для них одинаково. Поэтому, согласно
равенству (36-4), одинакова и максимальная
кинетическая энергия электронов
.
Поэтому
не
зависит от интенсивности облучения.
Это и подтверждает второй закон
фотоэффекта.
2.
Для каждого из графиков рассчитывается
световой поток по формуле
где
—
угол падения лучей на фотоэлемент.
Принимаем
;
I
– сила света лампочки;
R
— ее расстояние от фотоэлемента;
S
– площадь окна фотоэлемента.
Рис.3.
Зависимость тока насыщения от светового
потока
Затем
строится график зависимости величины
тока насыщения от Ф (рис.36.3).
Линейный
характер графики (рис.36.3) подтверждает
пропорциональность числа фотоэлектронов
интенсивности света, то есть является
подтверждением 1 закона фотоэффекта.
Задание
2.
Снятие
зависимости
от частоты. Проверка 2 и 3 законов
фотоэффекта, определение
.
Устанавливая
перед фотоэлементом светофильтры,
пропускающие свет различных частот,
измеряют для каждого светофильтра
величину задерживающего напряжения
,
при котором прекращается фототок. Стоят
график зависимости
от частоты (рис.36.4)
Рис.36.4
Зависимость задерживающего напряжения
от частоты
Выразив
кинетическую энергию электрона из
уравнений (36-1) и (36-4), получим:
Откуда
(36-6)
Выражение (36-6) показывает, что зависимость
от
является
линейной. Поэтому получение в опыте
линейной зависимости (рис.36.4) подтверждает
II,
III
законы фотоэффекта и уравнение Эйнштейна
(36-1).
Экспериментальные
точки на рис. 36.4 соответствуют частотам,
большим красной границы
.
Продолжив график до пересечения с осями
координат, находят
как точку пересечения графика с осью
частот, (красной границе
соответствует
задерживающее напряжение
так
как электроны вырываются из металла
без кинетической энергии).
Угловой
коэффициент прямой (36-6) равен
и
является тангенсом угла наклона графика
к оси частот, то есть
(рис.36.4),
откуда
Измерив
(катеты
прямоугольного треугольника рис.36.4),
определяют постоянную Планку из (36-6).
Точка пересечения графика (36-5) с осью
напряжения дает значение
.
(36-7)
Из
(36-7) определяют работу выхода.
Таким
образом, график рис.36.4 позволяет
определить важнейшие величины: постоянную
Планка, работу выхода, красную границу
фотоэффекта.
1.
Включите осветитель и установите от
фотоэлемента на расстоянии 10-15 см.
Установите перед фотоэлементом один
из светофильтров. Подключите источник
ускоряющего напряжения
и
микроамперметр
Измеряя
напряжение потенциометром П, запишите
значения U,
I.
Переключите ключ К2 на источник
и
снмите значения U
и I
при задерживающем напряжении. При малых
токах можно пользоваться гальванометром.
2.
Проведите измерения пункта 1 пять-шесть
раз для различных расстояний лампочки
от фотоэлемента. Результаты измерений
занесите в таблицу 36.1.
Таблица
36.1. Экспериментальные данные
Для
каждого из расстояний рассчитайте
световой поток по формуле (36-4).
3. Постройте
графики (рис. 2 и 3) и объясните полученные
результаты.
1.
Установите лампочку на минимальное
расстояние от фотоэлемента. Подключите
источник
и гальванометр G.
Установив перед фотоэлементом один из
светофильтров, увеличивать потенциометром
задерживающую разность потенциалов до
тех пор, пока ток гальванометра станет
равным нулю. Запишите в этот момент
показания вольтметра. Такие же изменения
проделайте для всех светофильтров.
Значения частот пропускающего ими света
указаны на лабораторной установке.
2.
Постройте график зависимости U з
от
(рис.36.4) и определите
,
A, 0
по графику и формулам (36.6) и (36.7).
В
чем заключается явление фотоэффекта,
каковы его законы?Каков
смысл уравнения Эйнштейна? Как объяснить
законы фотоэффекта на основании
квантовых представлений о свете?Что
называется красной границей фотоэффекта?Объяснить
характер графиков, полученных в работе.Как
в данной работе проверены законы
фотоэффекта, как определена работа
выхода, постоянная Планка и красная
граница фотоэффекта?
Лабораторная
работа № 42
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
КВАНТОВЫХ ЧИСЕЛ ВОЗБУЖДЕННОГО СОСТОЯНИЯ
АТОМА ВОДОРОДА
Цель
работы: изучить спектр атома водорода;
определить квантовые числа возбужденного
состояния атома водорода
1.
Уравнение Шредингера и его решение
В
атоме водорода и водородоподобных ионах
(
,
)
вокруг положительного ядра с зарядом
+Ze
движется электрон с зарядом –е. Его
потенциальная энергия взаимодействия
с ядром (притяжение) отрицательна и
равна
.
На рис. 42.1 приведены кривые изменения
этой энергии по одной оси.
Рис.
42.1. Потенциальная энергия электрона в
водородоподобной системе
Стационарное
уравнение Шредингера для данного случая
(42.1) имеет вид:
Обычно
уравнение (42.1) и его решение
записывается
в сферической системе координат
(рис. 42.2) (это удобно так как поле
симметрично)
Рис.
42.2 Сферические координаты точки А
Причем
можно
представить как произведение следующих
функций
каждая
из которых зависит только от одной
переменной. Решая уравнение Шредингера
(42.1), можно определить вид этих функций.
Это довольно сложная математическая
задача. Поэтому мы остановимся только
на некоторых особенностях этих функций.
Функции
(42.2) зависят от целочисленных параметров,
называемых квантовыми числами.
Запишем
выражение R(r)
для частных случаев
Решение
существует
при любых значениях Е (непрерывный
спектр энергии). Оно соответствует
электрону, не связанному в атоме. Решение
же
существует только при определенных
значениях энергии, а именно при значениях:
Из
формулы (42.4) следует, что энергия электрона
в атоме принимает дискретный ряд
значений, соответствующих целочисленным
значениям n.
Главное
квантовое число
n
характеризует квантованность
(дискретность) энергии связанного
электрона в атоме (
E
<0).
Эта
функция не сложна. Ее вид:
.
Эта
функция периодическая с периодом
, 
.
Откуда
следует
или
.
Т.е.
(42.6)
m
– называется магнитным квантовым
числом.
Функция
зависит
от двух квантовых чисел m
и
.
называется
орбитальным квантовым числом и принимает
значения натуральных чисел, меньших n,
то есть
Например,
если n=I,
то
=0;
Функции
определяют
угловое распределение электронного
облака в атоме, а квантовые числа
,m
характеризуют связанное с этим
распределением свойство электрона —
его вектор момента импульса
.
Из
решения уравнения Шредингера вытекает
следующие свойства.
Модуль
момента импульса принимает дискретные
значения, определяемые по формуле:
Орбитальное квантовое число
характеризует квантованность
(дискретность) модуля момента импульса
электрона в атоме.
Пространственная
ориентация вектора
определяется
магнитным квантовым числом m.
Если в пространстве имеется физическое
выделенное направление Z
(например, направление магнитного или
электрического поля), то вектор
принимает только такие направления,
что его проекция
на ось Z
принимает значения
Магнитное
квантовое
m
характеризует квантованность
(дискретность) проекции момента импульса
электрона на ось
Z
,
которая физически выделена.
Значение
m
определяемое по (42.6) следует ограничить:
поскольку проекция вектора не может
быть больше величины этого вектора
(42.8), то
,
то есть m
принимает значения
Эксперименты
показали, что состояние электрона
зависит ещё от одного квантового числа
—
,
называемого магнитным спиновым квантовым
числом. Существование
не
следует из уравнения Шредингера, а
вытекает из более общего уравнения
квантовой механики – уравнение Дирака.
Электрон, кроме орбитального момента
импульса
обладает собственным моментом импульса
,
— спином, проекция которого на физически
выделенное направление принимает
значения
где
(42.12)
Магнитное
спиновое квантовое число
характеризует
квантованность (дискретность) проекции
спина электрона на физически выделенное
направление Z.
Учтя
(42.10) и (42.12) окончательно можно утверждать,
что состояние электрона в атоме и его
волновая функция зависят от 4-х квантовых
чисел.
,
(42.13)
При
одном и том же значении главного
квантового числа n
возможно существование нескольких
состояний электрона с различными
значениями квантовых чисел
.
Этим состояниям соответствует одинаковое
значение энергии
(42.4),
так как энергия определяется только
главным квантовым числом n.
Состояния с одинаковой энергией
называются вырожденными. Им соответствует
один и тот же энергетический уровень.
Начертим
схему энергетических уровней атома
водорода. Для этого по вертикальной оси
отложим значения
,
найденные по формуле (42.4). ( 
<0,
поэтому значения
откладывается в сторону отрицательных
значений оси энергии). Состоянию с n=1
соответствует наиболее глубокий
энергетический уровень и наименьшая
энергия
,
состоянию с n=2
соответствует
и т.п.
На
рис.42.3 принята следующая система
обозначений: первое число указывает
значение n
(совпадает с номером уровня), буква после
числа указывает значение
,
причем буквам s,
p,
d,
f
соответствуют значения
,
равные 0, 1, 2, 3. Например Ls
– состояние электрона с n=2,
;
4p
означает, что n=4,
.
Из
рисунка видно, что состояние 2s
и 2p
имеют одинаковую энергию
;
состояния 3s,
3p,
2d
–энергия
и
т.п. О данном свойстве говорит наличие
вырождения по
.
Рис.42.3
Схема энергетических уровней атома
водорода
Состояние
с n=1
называется основным. В нем электрон в
невозбужденном атоме может находиться
как угодно долго, так как обладает
минимум энергии. При возбужденном атоме,
то есть сообщении ему добавочной энергии,
электрон переходит на более высокий
энергетический уровень. Возбуждение
атома может произойти при облучении,
столкновении его свободным электроном
и т.д.
Возбужденные
состояния неустойчивы, электрон в них
может находиться —
секунды,
после чего переходит в состояние с
меньшей энергией, или как говорят, на
более низкий энергетический уровень,
излучая при этом квант энергии hv.
Каждому переходу электрона между
уровнями соответствует излучение (или
поглощение) кванта электромагнитной
энергии hv,
равного разности энергии уровней, между
которыми произошел этот переход:
Совокупность
квантов одинаковой частоты создает в
спектре излучения вещества в газообразном
(атомном) состоянии одну спектральную
линию.
Различным
переходам соответствуют различные
линии спектра. Следует отметить, что в
отличие от водорода, у многоэлектронных
атомов значение энергии зависит не
только от n,
но и от других квантовых чисел. Это
происходит потому, что на каждый электрон
действует не только поле ядра, но и поле
созданное остальными электронами.
Например, для многоэлектронных атомов
уровни 2s
и 2p,
а также 3s,
3p,3d
не совпадают. В этих случаях говорят о
снятии вырождения по
.
При переходе электронов в состояния с
различными
излучаются
кванты hv
различной частоты. Поэтому спектры
многоэлектронных атомов значительно
богаче линиями, чем спектр водорода.
Когда
снято вырождение, то переход с одного
уровня на другой возможен только тогда,
когда разность квантовых чисел
принимает определенные значения. Эти
правила, лимитирующие процесс перехода
с одного энергетического уровня на
другой, называются правилами
отбора.
Например,
квантовое число
меняется только на единицу при переходе
с одного уровня на другой
,
(42.16)
и
это правило называется « правилом отбора
по
».
Аналогичные
правила отбора существуют для других
квантовых чисел.
Физическое
объяснение этого факта заключается в
том, что при излучении (поглощении)
излучается (поглощается) фотон, собственный
момент количества движения которого
.
Согласно
закону сохранения момента импульса, L
и Lz
изменяются при этом не больше, чем на
.
Этому
и соответствует изменение
(42.16),
(42.17).
На
рис. 42.3 зачеркнуты все переходы между
уровнями с одинаковыми
,
поскольку они запрещены правилом (2-16).
- Переводы на русский язык
- Принципы волновой теории света Гюйгенса
- отражение
- Первый закон
- Второй закон
- преломление
- дифракция
- Оставшиеся без ответа вопросы теории Гюйгенса
- Ссылки
- Оптика и теория волн
- Точно так же Юнг также объяснил через волновую модель рассеивание белого света в различных цветах радуги. Он показал, что в каждой среде каждый из цветов, составляющих свет, имеет характерную частоту и длину волны.
- Ромейн Я. и А. Столпы нидерландской культуры. — М. : Квадрига, 2009. Франкфурт У. И., Френк А. М. Христиан Гюйген. — М. : Наука, 1962. Храмов Ю. А. Гюйгенс Христиан // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера . — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука , 1983. — С. 95. — 400 с. — Шаль, Мишель . Исторический обзор происхождения и развития геометрических методов . — 1883. — Т. 1. — С. 11—14. Портрет отца Гюйгенса (в центре) и его пяти детей (Христиан справа). Работа Портрет Христиана Гюйгенса. Бернард Вайлант
- Ромейн Я. и А.
- Франкфурт У. И., Френк А. М.
- Портрет отца Гюйгенса (в центре) и его пяти детей (Христиан справа). Работа Портрет Христиана Гюйгенса. Бернард Вайлант
- Horologium oscillatorium
, 1673 (Маятниковые часы, на латинском). - Сosmotheeoros
. (английский перевод издания 1698 года
) — астрономические открытия Гюйгенса, гипотезы об иных планетах. - Treatise on Light
(Трактат о свете, английский перевод).
Переводы на русский язык
- «Книга мирозрения и мнение о небесно-земных глобусах и их украшениях». Пер. Якова Брюса
. Санкт-Петербург, 1717; 2-е изд., 1724 (в русском издании не указаны имя автора и имя переводчика, но согласно «ЭСБЕ» и «РБСП» это был Христофор Гавенский
). - Архимед. Гюйгенс. Лежандр. Ламберт.
О квадратуре круга. С приложением истории вопроса, составленной Ф. Рудио. Пер. С. Н. Бернштейна. Одесса, Mathesis, 1913. ( Репринт: М.: УРСС, 2002). - Гюйгенс Х.
Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что с ним происходит при отражении и преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла. М.-Л.: ОНТИ, 1935. - Гюйгенс Х.
Три мемуара по механике. М.: Изд. А Н СССР, 1951. Серия: Классики науки.- Маятниковые часы.
- О движении тел под влиянием удара.
- О центробежной силе.
- ПРИЛОЖЕНИЯ:
- К. К. Баумгарт. Христиан Гюйгенс. Краткий биографический очерк.
- К. К. Баумгарт. Работы Христиана Гюйгенса по механике.
Принципы волновой теории света Гюйгенса
В 1678 году Кристиан Гюйгенс сформулировал свою волновую теорию света, которую позже, в 1690 году, опубликовал в своей работе «Трактат о свете».
Голландский физик предположил, что свет излучается во всех направлениях как набор волн, движущихся через среду, которую он назвал эфиром. Поскольку гравитация не влияет на волны, предполагалось, что скорость волн уменьшалась, когда они входили в более плотную среду.
Его модель оказалась особенно полезной при объяснении закона отражения и преломления Снелла-Декарта. Он также удовлетворительно объяснил явление дифракции.
Его теория основывалась в основном на двух понятиях:
а) Источники света излучают волны сферической формы, похожие на волны, возникающие на поверхности воды. Таким образом, световые лучи определяются линиями, направление которых перпендикулярно поверхности волны.
б) Каждая точка волны, в свою очередь, является новым центром излучателя вторичных волн, которые излучаются с той же частотой и скоростью, что и первичные волны. Бесконечность вторичных волн не воспринимается, так что волна, возникающая от этих вторичных волн, является ее оболочкой.
Однако волновая теория Гюйгенса не была принята учеными его времени, за исключением нескольких исключений, таких как Роберт Гук.
Огромный престиж Ньютона и огромный успех, который достиг его механики, а также проблемы, связанные с пониманием концепции эфира, сделали большинство современных ученых тем, кто предпочел корпускулярную теорию английского физика.
отражение
Отражение — это оптическое явление, которое имеет место, когда волна падает косо на поверхность разделения между двумя средами и претерпевает изменение направления, возвращаясь в первую среду вместе с частью энергии движения.
Законы отражения следующие:
Первый закон
Отраженный луч, падающий и нормальный (или перпендикулярный), расположены в одной плоскости.
Второй закон
Значение угла падения точно такое же, как у угла отражения.
Принцип Гюйгенса позволяет продемонстрировать законы отражения. Проверено, что когда волна достигает разделения сред, каждая точка становится новым источником излучения, излучающим вторичные волны. Фронт отраженной волны является оболочкой вторичных волн. Угол этого отраженного фронта вторичной волны в точности совпадает с углом падения.
преломление
Однако рефракция — это явление, которое возникает, когда волна падает косо в промежутке между двумя средами, которые имеют различный показатель преломления.
Когда это происходит, волна проникает и передается второй средой вместе с частью энергии движения. Преломление происходит как следствие различной скорости распространения волн в разных средах.
Типичный пример явления преломления можно наблюдать, когда объект частично вставлен (например, ручка или ручка) в стакан с водой.
Принцип Гюйгенса дал убедительное объяснение рефракции. Точки на волновом фронте, расположенные на границе между двумя средами, действуют как новые источники распространения света, и, следовательно, направление распространения изменяется.
дифракция
Дифракция — это физическое явление, характерное для волн (оно встречается во всех типах волн), которое состоит из отклонения волн, когда они находят препятствие на своем пути или проходят через щель.
Следует иметь в виду, что дифракция возникает только тогда, когда волна искажается из-за препятствия, размеры которого сопоставимы с его длиной волны.
Теория Гюйгенса объясняет, что когда свет падает на щель, все точки его плоскости становятся вторичными источниками излучающих волн, как это уже объяснялось ранее, новых волн, которые в этом случае получают название дифрагированных волн.
Оставшиеся без ответа вопросы теории Гюйгенса
Принцип Гюйгенса оставил ряд вопросов без ответа. Его утверждение о том, что каждая точка волнового фронта, в свою очередь, является источником новой волны, не объясняет, почему свет распространяется как назад, так и вперед.
Точно так же объяснение концепции эфира не было полностью удовлетворительным и было одной из причин, почему его теория изначально не была принята.
Ссылки
- Берк, Джон Роберт (1999). Физика: природа вещей. Мехико: международные редакторы Thomson.
- «Христиан Гюйгенс». Энциклопедия мировой биографии. 2004. Encyclopedia.com. (14 декабря 2012 г.).
- Типлер, Пол Аллен (1994). Физика. 3-е издание. Барселона: Реверте.
- Исправлен принцип распространения волн Дэвида А. Б. Миллера Гайгенса, Optics Letters 16, pp. 1370-2 (1991)
- Принцип Гюйгенса-Френеля (н.д.). В википедии. Получено 1 апреля 2018 г. с сайта en.wikipedia.org.
- Свет (н.д.) В википедии. Получено 1 апреля 2018 г. с сайта en.wikipedia.org.
Эксперимент Юнга (н.д.). В википедии. Получено 1 апреля 2018 г. с сайта es.wikipedia.org.
Гравюра с картины Каспара Нечера
работы Г. Эделинка, 1684
— 1687
гг.
Если сложный маятник, выйдя из покоя, совершил некоторую часть своего качания, большую полуразмаха, и если связь между всеми его частицами будет уничтожена, то каждая из этих частиц поднимется на такую высоту, что общий центр тяжести их при этом будет на той высоте, на которой он был при выходе маятника из покоя.
Это предложение, не доказанное у Гюйгенса, является у него в качестве основного начала, между тем как теперь оно представляет простое следствие закона сохранения энергии
.
Последняя книга «ΚΟΣΜΟΘΕΩΡΟΣ sive de terris coelestibus earumque ornatu conjecturae» (на латинском языке; опубликована посмертно в Гааге в 1698 году) — философско-астрономическое размышление о Вселенной. Полагал, что другие планеты также населены людьми. Книга Гюйгенса получила широчайшее распространение в Европе, где была переведена на английский (1698), голландский (1699), французский (1702), немецкий (1703), русский (1717) и шведский (1774) языки. На русский язык по указу Петра I
была переведена Яковом Брюсом
под названием «Книга мирозрения». Считается первой в России книгой, где излагается гелиоцентрическая система Коперника
.
Оптика и теория волн
Ему принадлежит изобретение часовой спирали, заменяющей маятник, крайне важное для навигации; первые часы со спиралью были сконструированы в Париже часовым мастером Тюре в 1674 году
. В 1675 году запатентовал
карманные часы.
Гюйгенс первым призвал выбрать всемирную натуральную меру длины, в качестве которой предложил 1/3 длины маятника с периодом колебаний 1 секунда (это примерно 8 см).
- Джон Дж. О’Коннор
и Эдмунд Ф. Робертсон
. Гюйгенс, Христиан
(англ.)
— биография в архиве MacTutor
. - Работы Christiaan Huygens
в проекте «Гутенберг»
- Комментарии
- Согласно нидерландско-русской практической транскрипции
, эти имя и фамилию по-русски правильнее воспроизводить как Кристиан Хёйгенс
.
- Источники
В честь Гюйгенса названы:
- Пик Гюйгенса
на Луне
и расположенный рядом кратер
Гюйгенс А [22]
; - Кратер
на Марсе
; - Астероид
2801 Huygens
; - Европейский космический зонд
, достигший Титана
; - . Дата обращения: 31 января 2016.
Архивировано из
оригинала
26 мая 2008 года.
— лаборатория в Лейденском университете,Нидерланды
Восстановление волновой модели
Только в 19 веке, когда волновая модель была восстановлена. Во многом благодаря вкладу Томаса Янга, который смог объяснить все явления света на том основании, что свет — это продольная волна.
В частности, в 1801 году он провел свой знаменитый эксперимент с двумя щелями. В этом эксперименте Юнг проверил схему интерференции света от удаленного источника света, когда он дифрагировал после прохождения через две щели.
Точно так же Юнг также объяснил через волновую модель рассеивание белого света в различных цветах радуги. Он показал, что в каждой среде каждый из цветов, составляющих свет, имеет характерную частоту и длину волны.
Таким образом, благодаря этому эксперименту он продемонстрировал волновую природу света.
Интересно, что со временем этот эксперимент оказался ключом к демонстрации корпускулярной волны света, фундаментальной особенности квантовой механики.
Фотоэлектрические приемники оптического излучения с внешним фотоэффектом
использовались
фотоэлементы — приемники излучения,
работающие на основе фотоэффекта и
преобразующие энергию излучения в
электрическую.
Простейшим
фотоэлементом с внешним фотоэффектом
является вакуумный фотоэлемент. Он
представляет собой откачанный стеклянный
баллон, внутренняя поверхность которого
(за исключением окошка для доступа
излучения) покрыта фоточувствительным
слоем, служащим фотокатодом. В качестве
анода обычно используется кольцо или
сетка, помещаемая в центре баллона.
Фотоэлемент включается в цепь батареи,
э.д.с. которой выбирается такой, чтобы
обеспечить фототок насыщения. д.
Для
увеличения интегральной чувствительности
вакуумных фотоэлементов (фототок
насыщения, приходящийся на 1 лм светового
потока) баллон заполняется разреженным
инертным газом (Аr или Ne при давлении
»1,3¸13 Па). Фототок в таком элементе,
называемом газонаполненным, усиливается
вследствие ударной ионизации молекул
газа фотоэлектронами. Интегральная
чувствительность газонаполненных
фотоэлементов (» 1 мА/лм) гораздо выше,
чем для вакуумных (20—150 мкА/лм), но они
обладают по сравнению с последними
большей инерционностью (менее строгой
пропорциональностью фототока интенсивности
излучения), что приводит к ограничению
области их применения.
Фотоэлементы
с внутренним фотоэффектом, называемые
полупроводниковыми фотоэлементами или
фотосопротивлениями (фоторезисторами),
обладают гораздо большей интегральной
чувствительностью, чем вакуумные. Для
их изготовления используются PbS, CdS, PbSe
и некоторые другие полупроводники.
Кремниевые
и другие вентильные фотоэлементы
применяются для создания солнечных
батарей, непосредственно преобразующих
световую энергию в электрическую. Эти
батареи уже в течение многих лет работают
на космических спутниках и кораблях.
К.п.д. этих батарей составляет »10% и, как
показывают теоретические расчеты, может
быть доведен до »22%, что открывает широкие
перспективы их использования в качестве
источников электроэнергии для бытовых
и производственных нужд.
Рассмотренные
виды фотоэффекта используются также в
производстве для контроля, управления
и автоматизации различных процессов,
в военной технике для сигнализации и
локации невидимым излучением, в технике
звукового кино, в различных системах
связи и т. д.
- The Britannica Guide to Sound and Light
/ Erik Gregersen. — Britannica Educational Publishing
, 2010. — С. 306. — ISBN 978-1-61530-374-8
.
- A. I. Sabra.
Theories of Light, from Descartes to Newton
(англ.)
. — Cambridge University Press
, 1981. — P. 186. — ISBN 978-0-521-28436-3
.
- Карцев В. П. « Приключения великих уравнений», М.: Знание, 1986.
В области физики не существует точных доказательств, а причины можно узнать только через последствия, делать предположения — только на основе опыта или известных явлений и стараться проверить, соответствуют ли этим предположениям другие явления
- Боголюбов А. Н.
// Математики. Механики. Биографический справочник
. — Киев: Наукова думка, 1983. — 639 с. - Веселовский И. Н.
Христиан Гюйгенс. — М.
: Учпедгиз, 1959. — 112 с. — (Классики физики). - Гиндикин С. Г.
Рассказы о физиках и математиках
. — издание третье, расширенное. — М.
: МЦНМО
, 2001. — 465 с. — ISBN 5-900916-83-9
. - Математика XVII столетия
// История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича
, в трёх томах. — М.
: Наука, 1970. — Т. II. - Колчинский И. Г., Корсунь А. А., Родригес М. Г.
Астрономы: Биографический справочник. — 2-е изд., перераб. и доп. — Киев: Наукова думка, 1986. — 512 с. - Костабель П.
Изобретение Христианом Гюйгенсом циклоидального маятника и ремесло математика // Историко-математические исследования
. — М.
, 1976. — . — . - Ласерна, Давид Бланко.
В погоне за лучом. Гюйгенс. Волновая теория света // Наука. Величайшие теории. — М.
: Де Агостини, 2015. — . — ISSN
2409-0069
. - Мах Э.
Механика. Историко-критический очерк её развития. — Ижевск: «РХД», 2000. — 456 с. — ISBN 5-89806-023-5
.
Ромейн Я. и А.
Столпы нидерландской культуры. — М.
: Квадрига, 2009.
Франкфурт У. И., Френк А. М.
Христиан Гюйген. — М.
: Наука, 1962.
Храмов Ю. А.
Гюйгенс Христиан // Физики : Биографический справочник / Под ред.
А. И. Ахиезера
. — Изд. 2-е, испр. и доп. —
М.
:
Наука
, 1983. — С. 95. — 400 с. —
Шаль, Мишель
.
Исторический обзор происхождения и развития геометрических методов
. — 1883. — Т. 1. — С. 11—14.
Портрет отца Гюйгенса (в центре) и его пяти детей (Христиан справа). Работа
