Шпаргалка по "Физике"

 

Для электромагнитных волн, так же, как и для механических, справедливы свойства дифракции, интерференции, поляризации и другие.

 

36. Электромагнитное поле. Плотность энергии.

Электромагнитное  поле - особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Э. п. в вакууме характеризуется вектором напряжённости электрического поля Е и магнитной индукцией В, которые определяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и движущиеся заряженные частицы. Наряду с векторами Е и В, измеряемыми непосредственно, Э. п. может характеризоваться скалярным j и векторным А потенциалами, которые определяются неоднозначно, с точностью до градиентного преобразования . В среде Э. п. характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величинами: напряжённостью магнитного поля Н и электрической индукцией D.

 

Плотность энергии электромагнитного  поля - физическая величина, равная отношению: - энергии электромагнитного поля в некотором объеме; к - величине этого объема.

В изотропной среде плотность энергии  электромагнитного поля равна сумме  плотностей энергий электрического и магнитного полей.

 

Для электрического и магнитного полей  их энергия пропорциональна квадрату напряжённости поля. Следует отметить, что, строго говоря, термин энергия  электромагнитного поля является не вполне корректным. Вместо него в физике чаще используют понятие плотности энергии электромагнитного поля в данной точке пространства. Общая энергия поля равняется интегралу плотности энергии по всему пространству.

 

Плотность энергии электромагнитного  поля является суммой плотностей энергий электрического и магнитного полей. В системе СИ:

 

 

где E — напряжённость электрического поля, H — Напряжённость магнитного поля  — диэлектрическая проницаемость  и  — магнитная проницаемость  вакуума.

 

Вычисление полной энергии электрического поля даже одного электрона приводит к значению равному бесконечности, поскольку соответствующий интеграл расходится. Бесконечная энергия поля вполне конечного электрона составляет одну из теоретических проблем классической электродинамики.

 

 

37 Вектор  потока плотности энергии электромагнитного  поля.

Для электромагнитной волны плотность потока энергии определяется вектором Пойнтинга (вектором Умова) S. В системе СИ:

где  и  — векторы напряжённостей электрического и магнитного полей.

I = w u.                                                                                             (8.6.6)

 

Вектор

 

                                                              (8.6.7)

 

численно равный интенсивности  электромагнитной волны и направленный вдоль луча, т.е. вдоль направления переноса энергии, называется вектором Пойнтинга. Иногда его называют вектором Умова-Пойнтинга, в честь Н.А. Умова, впервые введшего аналогичный вектор для звуковых волн в 1874 – за 20 лет до Дж. Пойнтинга.

 

Важность введения вектора  Пойнтинга обусловлена доказанной Дж. Пойнтингом теоремой, выражающей баланс энергии W внутри некоторого объема V, ограниченного поверхностью S:

 

                                                                              (8.6.8)

 

В правой части равенства (8.6.8) стоит поток вектора Пойнтинга, выражающий убыль электромагнитной энергии в единицу времени  в объеме V, восполняемую за счет энергии источника Wист. Если в объеме нет источника, то левая часть рана нулю. Равенство нулю потока вектора Пойнтинга означает, что этот вектор на одной части S направлен внутрь поверхности, а на другой части -наружу, так что электромагнитная энергия проходит через объем V, а не выходит из него.

 

В электромагнитной волне  переносится не только энергия, но и  импульс. Действительно, при падении электромагнитной волны на среду в ней начинается механическое движение, связанное с действие электромагнитного поля на заряды внутри атомов (ионов) или молекул вещества. Основываясь на этом факте, Максвелл в 1873 году предсказал и вычислил величину давления электромагнитной волны на границу раздела двух сред. В 1899-1900 гг. эта теория была подтверждена экспериментами П.Н. Лебедева. Существование давления электромагнитного поля привело А. Эйнштейна к выводу, что электромагнитному полю присущ механический импульс (1905 г.). Импульс переносимый электромагнитной волной через единичную поперечную площадку за единицу времени равен w/c. Эта величина является достаточно большой только для излучения мощных лазеров или вблизи звезд, в других случаях импульс и давление электромагнитной волны весьма малы.

 

 

37. Давление света.

Давление света —  давление, которое оказывает свет, падающий на поверхность тела. Определяется формулой Максвелла.

Физический смысл

 

Согласно сегодняшним  представлениям свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом, то есть проявляет свойства частиц (фотонов) и свойства волн (электромагнитного излучения).

 

Если рассматривать  свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы  при ударе о тело должны передавать импульс, другими словами — оказывать давление. Такое давление иногда называют радиационным давлением.

 

Для вычисления давления света можно воспользоваться  следующей формулой:

 

 

где  W—  количество лучистой энергии, падающей нормально на 1 м2 поверхности за 1 с;  c— скорость света,  р— коэффициент отражения.

 

Специфические особенности  давления света обнаруживаются в  разреженных атомных системах при  резонансном рассеянии интенсивного света, когда частота лазерного  излучения равна частоте атомного перехода. Поглощая фотон, атом получает импульс в направлении лазерного пучка и переходит в возбужденное состояние. Далее, спонтанно испуская фотон, атом приобретает импульс (световая отдача) в произвольном направлении. При последующих поглощениях и спонтанных испусканиях фотонов произвольно направленные импульсы световой отдачи взаимно гасятся, и, в конечном итоге, резонансный атом получает импульс, направленный вдоль светового луча резонансное давление света. Сила F резонансного давления света на атом определяется как импульс, переданный потоком фотонов с плотностью N в единицу времени:

где  - импульс одного фотона, - сечение поглощения резонансного фотона,  - длина волны света

 

39   Тепловое излучение

Энергия, расходуемая  светящимся телом на излучение, может  пополняться из различных источников. Виды:

Хемилюминистенция- фосфор окисляется на воздухе и светится за счет энергии, выделяемой при хим. реакции. Электролюмин-ция- свечение, возникающее при различных видах самостоятельного. газового разряда. Тепловое излучение – свечение тел из-за их нагревания. Тепл.изл. имеет место при любой темп. При низких темп-х излучаются инфракрасные электомагн. волны.

             Окружим излучающее тело непрониц. оболочкой. Воздух        из оболочки удалим. Отраженное  оболочкой излуч-е  упав обратно на тело поглотится им => происходит непрерывный обмен энергией м/д телом и заполняющим оболочку излучением. 

 Состояние системы «тело - излучение» считается. равновесным если распределение Е м/д телом и излучением остается неизменным для любой волны. Эксперименты показывают, что равновесным может быть только тепловое излучение. Способность теплового излуч. находится в равновесии с излучающими телами обусловлено тем, что его интенсивность ­ при повыш. т-ры.

 Допустим, что равновесие  м /д телом и излучением нарушено и тело излучает Е большее чем поглощает. Тогда внутр. Е тела ¯ и т-ра тела понизится. Темп-ра тела будет понижается до тех пор, пока не станет равным кол-ву поглощаемой Е. Наступает тепловое равновесие.

При полном термодинамическом  равновесии все части системы тел имеют одну температуру и энергия Т. и., испускаемого каждым телом, компенсируется энергией поглощаемого этим телом Т. и. др. тел. В этом случае Т. и. находится в термодинамическом равновесии с веществом и называется равновесным излучением (равновесным является Т. и. абсолютно чёрного тела). Спектр равновесного излучения не зависит от природы вещества и определяется Планка законом излучения.

 

  Для Т. и. нагретых  тел в общем случае справедлив  Кирхгофа закон излучения, связывающий их испускательную и поглощательную способности с испускательной способностью абсолютно чёрного тела.

 

  При наличии ЛТР,  применяя законы излучения Кирхгофа  и Планка к испусканию и  поглощению Т. и. в газах  и плазме, можно изучать процессы  переноса излучения. Такое рассмотрение широко используется в астрофизике, в частности в теории звёздных атмосфер.

 

  40  Фотоэффект

Фотоэффект (или фотоэлектрический  эффект) состоит в вырывании электронов из вещества при облучении этого  вещества светом. В конденсированных телах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Эффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с открытым резонатором заметил, что если посветить ультрафиолетовым на цинковые разрядники, то прохождение  искры заметно облегчается. Исследования фотоэффекта показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения. Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованых порций. Из представления о свете как о частицах (фотонах) немедленно следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

где Aion — работа по ионизации  атомов вещества (для металлов Aion = 0), Aout — работа необходимая для выхода электрона из вещества,

— кинетическая энергия вылетающего  электрона, ν — частота падаюшего  фотона с энергией hν, h — постоянная Планка. Из этой формулы следует  существование красной границы  фотоэффекта, т.е. 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, на работу которую необходимо совершить для того, чтобы "вырвать" электрон, и остаток переходит в кинетическую энергию электрона. Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной  эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Законы внешнего фотоэффекта

Закон Столетова: при  неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок  насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1с, прямо пропорционально интенсивности света):

 и  

Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и  не зависит от его интенсивности.

Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν0 при которой возможен внешний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых  и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта. Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием света. Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называется возникновение под действием света ЭДС (фото-ЭДС) в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и металла или двух разнородных полупроводников (например в p-n переходе).

 

41. Эффект Комптона

Закономерность фотоэл. эффекта удалось объяснить предположив , что взаимод-е свет. патока  с вещ-ом пред-ет сабой взаимод-е отд.квантов с отд. электр., нах-ися в вещ-ве.Еще более отчетливо такой хар-р взаимодействия излуч-я с вещ-ом проявляется в явлении рассеивания ренгеновских лучей.С волновой точки зрения явление рассеивания света представляет сабой преоб-ие первичных электромагн-ых волн во вторичные волны.При этом , для электромагн-ой волны имеет место соотношение:{W=W₀  и λ= λ₀.Где λ₀-длина волны падающего , а λ –длина волны рассеян-го электромагн-го изл-ия.

Рассеивание , с квант. точк зр., -результат  столкновения квантов с электронами.При  этом столкн. должны вып.осн. законы сохранения:з.сохранения импульса и з. сохранения энергии.

Пусть квант hv сталк-ся с элек-ом в точке О.В рез-те сталкнов-ия эл-н приобретае от кванта Ек и нек. импульс(р_есверху вектор),образующий угол φ с направлением падающего кванта.Сам квант при этом полетит в направлении, определенным углом ψ.В рез-те сталкновения эн-я кванта и его импульс уменьш-ся.Поскольку энергия кванта связана сего частатой , то ум-ие энергии озн-ет , что частота кванта ум-сь.Об-м эту частоту через v’.

Из з. сохр. энергии следует: hv= hv’+ Ек(1),где hv и hv’-энергии пад-его и расе-го квантов. Ек-кин эн-я электрона после рассеивания.

Из з. сохр. импульса:вектор р= hvвектор/с= hv’вектор/ с +р_евектор.Где hvвектор/с и hv’вектор/с-импульсы пад-го и рассеянного квантов. р_евектор-импульс приобретенный электроном в рез-те сталкновения.