Основные свойства теплового излучения

-Тепловое излучение происходит по всему спектру частот от нуля до бесконечности

-Интенсивность теплового излучения неравномерна по частотам и имеет явно выраженный максимум при определенной частоте

-C ростом температуры общая интенсивность теплового излучения возрастает

-C ростом температуры максимум излучения смещается в сторону больших частот (меньших длин волн)

-Тепловое излучение характерно для тел независимо от их агрегатного состояния

-Отличительным свойством теплового излучения является равновесный характер излучения. Это значит, что если мы поместим тело в термоизолированный сосуд, то количество поглощаемой энергии всегда будет равно количеству испускаемой энергии.

Закон Стефана — Больцмана

 

Закон Вина

Формула Планка

 

76)

Уравнение энштейна

Применение фотоэффекта

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не 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. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света — сурьмяно-цезиевый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например фотоэлектрический экспонометр, люксметр (измеритель освещенности) и т. 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.

Для усиления фототока применяются уже рассмотренные выше (см. рис. 155) фотоэлектронные умножители, в которых наряду с фотоэффектом используется явление вторичной электронной эмиссии. Размеры фотоэлектронных умножителей немного превышают размеры обычной радиолампы, общий коэффициент усиления составляет »107 (при напряжении питания 1—1, 5 кВ), а их интегральная чувствительность может достигать 10 А/лм. Поэтому фотоэлектронные умножители начинают вытеснять фотоэлементы, правда, их применение связано с использованием высоковольтных стабилизированных источников питания, что несколько неудобно.

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. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют красную границу фотоэффекта не выше 1, 1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра (3¸ 4 мкм), а также в областях рентгеновского и гамма-излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений — их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем), обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность (примерно 2—30 мА/лм) и не нуждаются во внешнем источнике э.д.с. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купроксные, сернисто-серебряные и др.

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.

77)

78 ) Корпускулярно-волновой дуализм света

Понимая под светом все виды излучения - видимого, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и др., отметим, что важность света как объекта окружающего нас мира содержится еще в древнем библейском: " Да будет свет! ". Что же такое свет? Какова физическая природа света? Ответ на этот вопрос является принципиально важным как для понимания свойств окружающей природы, так и для развития физики в целом.

В конце столетия казалось, что ответ на вопрос о природе света найден и доказан экспериментально - свет есть распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Волновая теория света, исходя из такого представления о природе света, на основе общих свойств волновых процессов объяснила такие оптические явления как интерференция света, дифракция света, поляризация света и др.

Однако, уже в начале века при исследовании взаимодействия света с веществом были обнаружены такие оптические явления как фотоэффект, эффект Комптона, фотохимические реакции и др. При объяснении этих явлений представления о том, что свет есть распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны, оказались несостоятельными. Предсказания волновой теории света пришли в противоречие с наблюдаемыми в экспериментах закономерностями явлений квантовой оптики. Объясняя эти явления, в 1905 г. Эйнштейн выдвинул корпускулярную теорию света, которая, развивая идеи Ньютона о световых корпускулах, рассматривала свет как поток большого числа частиц, названных фотонами. Фотонная теория света легко объяснила все качественные и количественные закономерности явлений квантовой оптики.

Итак, на первый взгляд, казалось, что теперь, объединив электромагнитные волны и фотоны в одном объекте, мы и ответим на вопрос о природе света. Свет есть волны и частицы. Однако, критическое изучение такого ответа показало несостоятельность простого механического объединения волн и частиц. Оказалось, что представления об электромагнитной волне и представления о потоке частиц исключают друг друга.

Световая волна представляет собой нелокализованное электромагнитное поле, распределенное по пространству. Объемная плотность энергии электромагнитного поля волны, пропорциональная квадрату ее амплитуды, может изменяться на сколь угодно малую величину, то есть непрерывно.

В отличие от волны, фотон, как световая частица, в данный момент времени локализован вблизи некоторой точки пространства и со временем перемещается в пространстве. Световая энергия в такой модели изменяется не непрерывно, а только дискретно, оставаясь всегда кратной минимальной порции (кванту) энергии, которую несет одиночный фотон.

Как же непротиворечивым образом в одном материальном объекте объединить противоположности, казалось бы, исключающие друг друга? Ответ на этот вопрос содержался еще в работах крупнейших философов, которые пришли к выводу о том, что материальные объекты природы могут обладать внутренними противоречиями, объединяя в себе противоположные качества. Так, например, идея о единстве и борьбе противоположностей составляет основу диалектики Гегеля.

Именно так, диалектически, современная физика отвечает на вопрос о природе света. Свет есть материальный объект, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В различных физических процессах эти свойства могут проявляться в различной степени. При определенных условиях, то есть в ряде оптических явлений свет проявляет свои волновые свойства. В этих случаях мы должны рассматривать свет как электромагнитные волны. В других оптических явлениях свет проявляет свои корпускулярные свойства, и тогда его следует представлять как поток фотонов. Иногда, оптический эксперимент можно организовать так, что свет будет проявлять в нем как волновые, так и корпускулярные свойства. Действительно, в опыте Комптона (см. рис. 1.14) на первом этапе рассеяния излучения на мишени оно ведет себя как поток фотонов, но в измерительном блоке это же излучение как электромагнитная волна испытывает дифракцию на кристаллической решетке.

Существуют оптические явления, которые могут быть объяснены качественно и количественно как волновой, так и корпускулярной теориями света. Так, например, обе эти теории приводят к одинаковым соотношениям для давления, оказываемого светом при падении его на вещество. Это объясняется тем, что любая модель, и волновая, и корпускулярная учитывает наличие у света таких материальных характеристик как энергия, масса, импульс.

Итак, в результате углубления представлений о природе света, выяснилось, что свет обладает двойственной природой, получившей название корпускулярно-волнового дуализма света. С некоторыми объектами свет взаимодействует как волна, с другими - подобно потоку частиц. Однако, " не одна из этих картин (корпускулярная или волновая) не может сказать нам всей правды о природе света" - писал Д.Джинс. И хотя эти картины даже противоположны друг другу, одна картина дополняет другую. " Противоположности не противоречия, а дополнения" - гласит девиз Н.Бора.

Спор волновой и корпускулярной теорий света не привел ни к окончательной победе, ни к поражению какой-либо одной из них. В этом споре родилось качественно новое понимание природы света, объединяющее эти теории и отвечающее на вопрос " что такое свет? " диалектически.

В физике свет оказался первым объектом, у которого была обнаружена двойственная, корпускулярно-волновая природа. Как мы увидим в последующих разделах курса, дальнейшее развитие физики значительно расширило класс таких объектов.

В заключение укажем, что еще более тесно волны и частицы света можно связать, если предположить, что движение фотона подчиняется статистическим вероятностным законам, которые определяются волновым электромагнитным полем. Действительно, будем считать, что квадрат амплитуды электромагнитной волны, то есть ее интенсивность определяет в каждой точке пространства вероятность попадания в нее фотона и, следовательно, концентрацию фотонов в этой точке светового потока. Тогда явление интерференции света, проходящего через экран с двумя щелями, можно объяснить и с точки зрения корпускулярной теории света. При падении на экран одной световой волны вероятность попадания фотона в различные точки экрана одинакова, и мы наблюдаем равномерную освещенность экрана. При прохождении света через две щели вероятность попадания фотона в различных точках экрана изменяется. В местах интерференционных максимумов эта вероятность резко увеличивается, а в местах интерференционных минимумов - уменьшается. Тем самым, поток фотонов перераспределяется в пространстве и этим перераспределением управляет волновое поле.

Такой способ объединения корпускулярных и волновых свойств материальных объектов, когда с помощью волн мы описываем движение частиц, лежит в основе квантовой механики, к изложению основных положений которой мы приступим в следующих главах.

Отметим, что корпускулярно-волновой дуализм света является далеко не тривиальным свойством этого физического объекта. При первом знакомстве с проблемой дуализма свойств света возникает естественный вопрос. Как представить себе объект, обладающий взаимоисключающими свойствами? Как такие свойства могут объединяться и дополнять друг друга?

Посмотрите на рис. 1.19. Что вы видите на этом рисунке? Можно предсказать два различных ответа на этот вопрос. Первый ответ: " Я вижу белую фигурную вазу на темном фоне". Второй ответ: " Я вижу темные силуэты двух лиц, сближающихся в поцелуе".

Значит может один рисунок содержать два различных изображения, проявляя либо одно из них, либо другое. Так этот пример наглядно, образно демонстрирует возможность дуальных свойств у одного объекта.

Двойственная природа света

Что представляют собой фотоны? Частицы или электромагнитные волны? Толком никто не знает.

 

Этот фундаментальный вопрос преследует ученых-физиков в течение многих десятилетий. И до последнего момента времени на него не было дано однозначного ответа из-за того, что свет имеет двойственную природу. Однако, во всех экспериментах, проводимых ранее учеными, свет имел свойства волны или свойства частицы, но никогда эти две стороны природы света не проявлялись одновременно.

 

Новый эксперимент продемонстрировал свет, ведущий себя и как частица и как волна одновременно, показывая истинный характер света и целого квантового мира. Такое поведение характерно не только для фотонов света, двойственную природу демонстрируют и другие субатомные частицы, включая электроны, кварки и даже не так давно обнаруженная частица, обладающая характеристиками неуловимого бозона Хиггса. Такая двойственная природа называется корпускулярно-волновым дуализмом (wave-particle duality) и она является одним из фундаментальных принципов теории квантовой механики.

 

Готовясь к проведению нового эксперимента, ученые задались вопросом, что является своего рода " выключателем", положение которого определяет то, чем является фотон света в текущий момент времени, волной или частицей? Или свет всегда является и частицей и волной одновременно? Для того, что бы найти ответы на эти вопросы ученые разработали принципиально новые методики измерений, которые могут обнаружить сразу волновую и корпускулярную составляющие света. Эти методики полагаются на очень странный квантовый эффект, называемый квантовой нелокальностью (quantum nonlocality), парадоксальное понятие, которое сводится к идее, что одна и та же самая частица может находиться одновременно в двух различных местоположениях.

 

 

" Наш научный прибор обнаружил очень сильное проявление эффекта квантовой нелокальности, что явилось подтверждением того, что фотон вел себя одновременно как частица и как волна в нашем эксперименте" - рассказывает Альберто Перуссо (Alberto Peruzzo), ученый-физик из Бристольского университета. - " Результаты наших измерений являются опровержением тех теорий, которые опровергают двойственную природу света и утверждают, что фотон света является исключительно волной или исключительно частицей".

 

Согласно статье, изданной в журнале Science от 2 ноября, проведенный эксперимент использовал еще один странный аспект квантовой механики - явление квантовой запутанности. Это явление заключается в том, что две частицы могут быть запутаны так, что воздействия, оказываемые на одну из частиц, моментально оказывают влияние на другую частицу, независимо от расстояния, разделяющего эти частицы. Используя явление квантовой запутанности, ученые в своем эксперименте " позволили" фотонам света задержаться некоторое время в двойственном состоянии, прежде чем перейти к волновому состоянию или состоянию частицы.

 

Сет Ллойд (Seth Lloyd), ученый-физик из Массачусетского технологического института, который не принимал участия в эксперименте, но занимался проверкой и анализом полученных данных, назвал этот эксперимент и полученные результаты " смелыми" с научной точки зрения. Согласно его заявлению, даже тот факт, что ученым удалось искусственно задержать на несколько наносекунд переход фотонов к состоянию частицы или волны, это пограничное состояние может еще и не являться двойственным состоянием фотонов

79)

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: