Жарықтың кванттық қасиеттері және оған мектепте есеп шығарудың методикасы

Жоспар
Кіріспе

1 Стефан.Больцман және Вин заңдары
2 Жарықтың кванттық теориясының пайда болуы.
3 Оптикалық пирометрия
4 Фотоэффект теориясы Эйнштейн теңдеуі.
5 Рентгендік сәулелер.
6 Жарық қысымы.
7 Жарықтың химиялық әсері.Фотосурет.
Комптон эффектісі

Стефан-Больцман және Вин заңдары
Абсалют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілеті оның температурасы жоғарылаған сайын күшейе түседі. Яғни, температура жоғарылағанда дененің жарқырауы да күшейіп, одан шығатын сәуленің түсі де өзгереді. Олай болса, белгілі бір температурада абсалют қара дененің әр түрлі толқын ұзындығына сәйкес салыстырма сәуле шығарғыштық қабілетін эксперименттік қисықтарынан байқауға болады.
Өте жоғары температурада дене қатты қызып, оның түсі қызғылт болады. Кейінірек температура одан ары жоғарылағанда түсі бірте-бірте ақ түске айналады. Сөйтіп, әрбір қисықтың максимумы температура артқан сайын қысқа толқындар алқабына қарай ығыса бастайды. Ол дене температурасы төмен болса, онда қисықтың максимум мәндері ұзын толқындар алқабына қарай ығысып, дене инфрақызыл сәулелерді шығарар еді. Міне, осыдан жылыулық сәулеленудің теориясын тереңірек зерттеу қажет болды.
Абсалют қара дененің сәуле шығару қисығын сан жағынан зерттеудің нәтижесінде мынадай заңдылықтар ашылған болатын.
Абсалют қара дененің толық жарқырауы R оның төрт дәрежеленген абсалют температурасына пропорционал болады, яғни
Мұндағы Стефан-Больцман тұрақтылғы.
Австрия физигі М.Стефан (1835-1893) 1879 жылы эксперименттердің нәтижелерін зерттей келе және Л.Больцман 1884 жылы термодинамикалық әдісті қолданып, теория жүзінде бір-біріне тәуелсіз абсалют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетінің температураға тәуелділігін анықтады. Сондықтан (1) формула Стефан-Больцман заңы деп аталады. Осы заңды пайдаланып, абсалют қара дененің бетінен бірлік уақытта шығарылатын сәулелік энергия мөлшерін есептеп, табуға болады. 1877 жылы неміс физигі В.Вин (1864-1928) термодинамика және электродинамика заідарына сүйене отырып жоғарыда айтылған (1-суреттегі) функциясының максимум мәніне сәйкес келетін толқын ұзындығының (Т) температураға тәуелділік заңдылығын ашты. Сонда абсалют қара дененің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілетінің максимал мәніне сәйкес келетін толқын ұзындығы оның (Т) абсалют температурасына кері пропорционал болады, яғни:
(2)
Мұндағы тәжірибемен табылған Вин тұрақтысы.

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 24 бет
Таңдаулыға:

Жарықтың кванттық қасиеттері және оған мектепте есеп шығарудың
методикасы

І. Жарықтың кванттық қасиеттері

Стефан-Больцман және Вин заңдары

Абсалют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілеті оның температурасы
жоғарылаған сайын күшейе түседі. Яғни, температура жоғарылағанда дененің
жарқырауы да күшейіп, одан шығатын сәуленің түсі де өзгереді. Олай болса,
белгілі бір температурада абсалют қара дененің әр түрлі толқын ұзындығына
сәйкес салыстырма сәуле шығарғыштық қабілетін эксперименттік қисықтарынан
байқауға болады. (118-с. 1-сурет)

Өте жоғары температурада дене қатты қызып, оның түсі қызғылт болады.
Кейінірек температура одан ары жоғарылағанда түсі бірте-бірте ақ түске
айналады. Сөйтіп, әрбір қисықтың максимумы температура артқан сайын қысқа
толқындар алқабына қарай ығыса бастайды. Ол дене температурасы төмен болса,
онда қисықтың максимум мәндері ұзын толқындар алқабына қарай ығысып, дене
инфрақызыл сәулелерді шығарар еді. Міне, осыдан жылыулық сәулеленудің
теориясын тереңірек зерттеу қажет болды.

Абсалют қара дененің сәуле шығару қисығын сан жағынан зерттеудің
нәтижесінде мынадай заңдылықтар ашылған болатын.

Абсалют қара дененің толық жарқырауы R оның төрт дәрежеленген абсалют
температурасына пропорционал болады, яғни

Мұндағы Стефан-Больцман тұрақтылғы.

Австрия физигі М.Стефан (1835-1893) 1879 жылы эксперименттердің
нәтижелерін зерттей келе және Л.Больцман 1884 жылы термодинамикалық әдісті
қолданып, теория жүзінде бір-біріне тәуелсіз абсалют қара дененің сәуле
шығарғыштық қабілетінің температураға тәуелділігін анықтады. Сондықтан (1)
формула Стефан-Больцман заңы деп аталады. Осы заңды пайдаланып, абсалют
қара дененің бетінен бірлік уақытта шығарылатын сәулелік энергия мөлшерін
есептеп, табуға болады. 1877 жылы неміс физигі В.Вин (1864-1928)
термодинамика және электродинамика заідарына сүйене отырып жоғарыда
айтылған (1-суреттегі) функциясының максимум мәніне сәйкес келетін
толқын ұзындығының (Т) температураға тәуелділік заңдылығын ашты. Сонда
абсалют қара дененің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілетінің максимал
мәніне сәйкес келетін толқын ұзындығы оның (Т) абсалют
температурасына кері пропорционал болады, яғни:

(2)

Мұндағы тәжірибемен табылған Вин тұрақтысы.

Сондықтан да сәулелік энергияның максимум шамасы толқын ұзындығына
сәйкес ығысып, отыратындықтан, (2) өрнекті Виннің ығысу заңы деп атайды.
Егер температура өсетін болса, онда энергияның максимум шамасы толқын
ұзындығының ұзару жағына қарай (ИҚ аймаққа) ығысатын болады. Вин заңының
негізінде сәуле шығаратын денелердің өте жоғары температураларын өлшеу
әдісі табылады. Ол үшін арнайы приборлар арқылы максимал энергияға сәйкес
толқын ұзындығын біле отырып, (2) формуласы арқылы температурасын
анықтайды. Мысалы, күн сәулесінің спектрлерін зерттеуде оның максимум
энергиясына сәйкес келетін толқын ұзындығы

болса, онда ескеріп, Күннің беткі сәуле шығарушы қабатының
температурасын шамамен мынаған тең деуге болады

Стефан-Больцман және Вин заңдарының практикалық маңызы
зор,бірақ солай бола тұра бұл заңдылықтардың кемшілігі бар.Себебі,ииииии
функциясының тәуелділігін өткен ғасырдың соңғы кезінде орыс ғалымы
В.А.Михельсон және тағы басқа ғалымдар тәжірибенің болымсыздығынан
энергияның максимум мәнінің неліктен толқын ұзындығының қысқа жағына қарай
ығысу заңдылығын түсіндіре алмады.Сол сияқты эксперименттердің нәтижелері
теориялық қорытындыларға сәйкес келмеді.

Жарықтың кванттық теориясының пайда болуы.

Сонымен классикалық физика заңдары абсолют қара дене спектіріндегі
энергияның әр түрлі температураға сәйкес таралуындағы тәжірибелердің
нәтижелері мен теория қорытындыларының арасындағы алшақтықты түсіндірмек
болып еді,бірақ оларда нәтиже бермеді.

Сондықтан бұл мәселені тек 1900 жылы неміс физигі М.Планк (1858-
1947) бұрынғы қалыптасқан классикалық физика заңдарын қабылдамай,жаңа
теориялық пікір ұсынды.Планк жарық үздік-үздік,белгілі бір мөлшерде,энергия
порциялары немесе энергия кванттары түрінде шығарылады деп жорып,энергия
кванты тербеліс жиілігіне пропорционал деді.

(3)

Мұндағы Планк тұрақтысы деп аталады.Бірақ сәулелену порция түрінде
шығатын болғандықтан,энергия осцилляторы тек арнаулы дискретті мәндерді
ғана қабылдай алады.Планк өзі ұсынған гипотезаны-жылулық сәулеленудің
кванттық теориясының негізі ретінде қарап және статистикалық физика
заңдарын пайдалана отырып,абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық
қабілетінің толқын ұзындығы мен температураға тәуелділігін дұрыс көрсететін
формула қорытып шығарды.

(4)

Мұндағы, R-Больцман тұрақтысы

h-Планк тұрақтысы

C-жарық жылдамдығы

T-абсолют температура (4) формуланың теориялық
қорытып шығару әдісін М.Планк1900 ж,немістің физика қоғамының мәжілісінде
баяндап берді.

Планк формуласы температуралық жарық шығарудың негізгі заңы болып
табылады.Сөйтіп,Планктың энергия кванттары жайындағы гипотезасы тек абсолют
қара денелердің сәуле шығару заңдарын түсіндіріп қана қоймай,сонымен қатар
осы күнгі физиканың негізгі заңдарының бірі болып есептеледі.

Сонымен абсолют қара дене спектрінде энергияның әр түрлі
температураға сәйкес таралуын зерттеу мынадай заңдылықтарды қорытындылауға
мүмкіндік береді:

1)абсолют қара дененің сәулелену спектірі тұтас болып келеді;

2)сәулелену спектіріндегі энергияның таралуы толқын ұзындығына
тәуелді.Себебі толқын ұзындығы ұзарған сайын,оған сәйкес энергетикалық
жарқыраудың спектірлік тығыздығы артып,максимум мәніне жеткеннен кейін
қайта кеми бастайды;

3)температураның өсуіне байланысты сәулеленудің максимум мәні толқын
ұзындығының қысқа жағына қарай ығысады.

Біз жоғарыда Стефан-Больцман және Вин заңдарын Планк заңының
дербес түрлері деп айттық.

Олай болса,бұл заңдарды Планк формуласының негізінде қорытып шығаруға
болады.Мысалы,Стефан-Больцман формуласын былайша табамыз:

Мұндағы

Сонымен

Ал Вин заңы: мұндағы

Оптикалық пирометрия

Жылулық сәулелену заңдарын қызған және сәуле шығарғыш денелердің
температураларын өлшеу үшін қолданылады.Олай болса,қызған денелердңің өте
жоғары температура ларын өлшеу әдісі оптикалық пирометрия деп аталады.

Егер сәуле шығарушы дене абсолют қара болмаса,онда формуласы
бойынша табылған температура дененің шын температурасы болмай,оны дененің
түс температурасы Тm деп атайды.

Қызған денелер температурасын оның жарықтылығын абсолют қара дене
жарықтылығымен салыстыра отырып табуға болады.Ол үшін абсолют қара денені
пайдаланып,пирометрді градуирлейді де,кез келген температураларды
өлшейді.Егер зерттеліп отырған дене абсолют қара дене болса,онда пирометр
оның шын температурасын көрсетеді(T).Ал дене абсолют қара болмаса,онда
өлшенген температура оның шын температурасы болмай,оның жарықтылық
температурасы –Tж болады.Ол үшін қылы көрінбей кететін пирометрдің түрі
қолданылады.

Стефан-Больцман заңы арқылы абсолют қара денелердің
температурасын,денелердің шығарған толық сәулелік энергиясын радиациялық
пирометр деп аталатын прибормен өлшеуге болады.Егер дене абсолют қара
болмаса,онда радиациялық пирометрмен өлшенген температура оның шын
температурасы болмай,оның радиациялық температурасы Тр болады.

Сөйтіп бұл температура мынаған тең болады.

(5)

Сонымен,дененің радиациялық температурасы-толық сәулелік энергиясы,осы
дененің толық сәулелік энергиясына тең абсолют қара дене температурасы
болып шығады.Қара емес денелердің шын температурасы олардың радиациялық
температурасынан жоғары болады.

Сөйтіп әр түрлі әдістерді пайдаланып,Тm-түс температурасын,Tp-
радиациялық температураны және Tж-жарықтылық температурасын өлшеуге болады.

Сыртқы фотоэффект құбылысы және оның заңдары

Электромагниттік толқындарды тапқан неміс ғалымы Генрих Герц 1887 жылы
электр ұшқындары пайда болатын вибратор саңылауына ультракүлгін
сәулелерімен жарық түсіргенде,электр ұшқындары көбейіп,электр разрядының
күшейетіндігін бірінші рет байқаған.Онан кейін ғалымдар осы құбылысты
зерттей отырып,мысалы теріс зарядталған таза мырыш плпстинаға ультракүлгін
сәулелері түсірілгенде,оның теріс заряды бірте-бірте кеміп,керісінше оң
зарядталатындығын анықтады.(2-суре

Осы екі құбылысты заттың бетіне түсірілген жарық әсерінен заттан
электрондардың бөлініп шығатындығымен түсіндіруге болады.Олай болса,түскен
жарық ықпалынан заттан электрондардың бөлініп шығу құбылысын фотоэлектрлік
эффект (фотоэффект) деп аталады.

Фотоэффект құбылысын 1888 жылы орыс физигі.А.Г.Столетов (1889-1896)
тереңірек зерттеді.Мұндай құбылыстар Сыртқы фотоэлектрлік құбылыстар деп
аталады.Сыртқы фотоэффект құбылысын толығырақ түсіндіру үшін Столетов
мынадай тәжірибе жасады.(3-сурет).Анод (А) және катод (К) электродтары
бар,ішінен ауасы сорылған шыны түтік ток көзімен қосылған.Монохромат жарық
сәулелерінің әсерінен катодтан электрондар бөлініп шығады, осындай
электрондар фотоэлектрондар,ал олардың ағыны фотоэлектр тогы немесе фототок
деп аталады.Тізбектегі фототок (mA)гольвонометрмен,Б-батарея қыздырған
электродтар арасындағы потенциалдар айырмасы (U) вольтметрмен өлшенеді.Шыны
түтіктегі катодты толқын ұзындықтары әр түрлі жарық сәулелерімен
сәулелендірудің нәтижесінде Столетов мынадай заңдылықтарды қорытындылады:

1) Жарық әсерінен котодтан тек теріс зарядты электрондар бөлініп
шығатындығы анықталды.

2) Катодқа күлгін және ультракүлгін сәулелер түсірілсе,бұл құбылыстың
күшейе түсетіндігі байқалды;

3) Катодтан бөлініп шығатын электрондардың мөлшері катод бетінің
жарықталынуына немесе түскен жарық ағынына тура пропорционал болады.

Катод бетінен,жарықтың әсерінен,тек теріс зарядты электрондар бөлініп
шығатындығын 1899 жылы неміс ғалымы Ф.Ленорд(1862-1947) және У.Томсон
электр және магнит өрістерінде зарядтардың ауытқуы кезінде олардың
меншікті зарядын анықтау арқылы дәлелдеді.Енді фотоэффект құбылысының
вольт-амперлік сипаттамасын зерттейік.Яғни,фототок күшінің (Іф)
потенциалдар айырмасына (U) тәуелділігін қарастырайық (4-сурет).

Катодқа әсер етуші жарықтың спектрлік құрамы және оның ағынының
ағынының қуаты тұрақты болса,фототок күші потенциалдар айырмасына
тәуелді болады,яғни

Үдетуші потенциалдар айырмасы (Ur) артканда фототокта Іф
артады.Ал үдетуші потенциалдың мәні белгілі бір шамаға жеткенде
фототок күші өзінің қанығу мәніне жетеді (Iқ).Өйткені катодтан шыққан
электрондар түгелімен анодқа жетеді.Сонымен қанығу фототок шамасы
фотоэлектрондар санына пропорционал болады:

(6)

Мұндағы n-катодтан бірлік уақыт ішінде шыққан электрондар саны.

e-электрондар заряды.

Бұл тәжірибеден,катод пен анод арасындағы потенциалдар айырмасы
U=0 болғанда да,фототок шамасы нөлге тең болмайды,себебі
электрондардың бастапқы жылдамдықтарының әсерінен нөлге тең емес
кинетикалық энергиясы болады.

(7)

мұндағы U электронның бастапқы максимал жылдамдығы.Сыртқы
фотоэффект құбылысы үшін Столетов мынадай үш заңын тағайындайды.

1)Фотоэлектрондардың алғашқы максимал жылдамдығы фотолатодқа түскен
жарықтың интенсивтігіне тәуелді болмай,тек жарықтың тербеліс жиілігіне
байланысты анықталады.

2)Бірлік уақыт ішінде катодтан бөлініп шыққан фотоэлектрондар саны түскен
жарық интенсивтілігіне пропорционал болады.

3)Кез-келген заттың әліде болса фотоэффект құбылыстарын қоздыра алатын
жарық жиілігін фотоэффектінің қызыл шегі деп атайды.

Сонымен фотоэлектрондардың кинематикалық энергиясы жарықтың тербелістер
жиілігіне тәуелді болады,катодқа түскен жарықтың тербеліс жиілігі көп
болса,электрондардың жылдамдығы да соғұрлым кқп болады.

Фотоэффект теориясы Эйнштейн теңдеуі.

Фотоэффект құбылысын Максвелдің электродинамика заңдарының негізінде
түсіндірмек болған пікірлердің бәрі нәтижесіз болды.Сонымен қатар
электрондар металлдан бөлініп шыққанда белгілі бір жұмыс ооооооо.Осы
жұмыстың шамасын шығу жұмысы деп атайды.Сөйтіп фотоэлектрондар металлдан
бөлініп шығуы үшін жарық толқыны өрісінен электронға берілетін энергия
мөлшері әлгі шығу жұмысына тең боларлықтай болуы керек.Жарық жиілігі
фотоэффектінің қызыл шегіне сәйкес жиіліктен,яғни,кем болмаса,жарық
интенсивтілігі қаншама аз болғанымен,фотоэффект құбылысы байқалады.

Сонымен классикалық физика фотоэффект құбылысын түсіндіре алмады.Бұл
құбылысты атақты неміс физигі А.Эйнштейн 1905 ж Плонктың жарықтың үздік-
үздік сәулесінің энергия шығаруы жөніндегі идеясын пайдаланып,бірінші рет
жарықтың кванттық теоиясының негізінде түсіндірді.Эйнштейннің
пікірінше,белгілі бір жиіліктегі жарық кеңістікте тарала отырып,жеке
порциялар түрінде зат бетіде жұтылады және шығарылады.Олай болса,жарық
таралғанда энергия кванттары ағын түрінде таралады.Яғни,жарық энергиясының
кванттары фотондар деп аталады.Сонымен жарық ағыны дегеніміз фотондар ағыны
болып есептеледі.

Эйнштейннің пікірінше,фотоэффект құбылысы кезінде әрбір электрон және
әрбір фотонның әсерінен бөлініп шығады.Яғни,әрбір фотоэлектрон тек бір
фотон энергиясын жұта алады.Сөйтіп жұтылған фотон энергиясы (hU)
фотоэлектронды металл бетінен бөлініп шығатын шығу жұмысына (Аш) және оның
кинеткалық энергияға айналады.Олай болса,Эйнштейн теңдеуі мына түрде
жазылады:

(8)

Бұл теңдеу фотоэффектіге қатысты негізгі мәселелерді түсіндіруге
мүмкіндік береді.Егер жарықтың жиілігі U белгілі бір минимал Uc мәнінен
артық болса ғана,кез келген зат үшін фотоэффект байқалады.Фотоэлектронды
металдан,оған кинематиеалық энергия берместен бұрын шығарып алу үшін Аш
шығу жұмысы істелуі керек.Олай болса,жарық квантының энергиясы бұл жұмыстан
артық болуға тиіс:

Шектік жиілік фотоэффектінің қызыл шекарасы деп аталады.Оны мына
өрнек арқылы жазамыз:

(9)

Шығу жұмысы (Aш) заттың тегіне тәуелді.Сондықтан әртүрлі заттар үшін
фотоэффектінің шектік жиілігі (Uc) түрліше болады.Мысалы, 122-суреттегі
шыны түтік ішінде орналасқан катод және анод электродтары әртүрлі
материалдан жасалғандықтан олардың фотоэффект шектік жиіліктері әр түрлі
болады.Оны тежеуішті кернеуді (Uт) мен фотоэлектрондар жиілігінің
арасындағы тәуелділік аралықты көрсетуге ьолады.(5-сурет)

Мұндағы және катод және анод материалдарының фотоэффект қызыл
шектік жиіліктері.Ал тежеулі кернеуі мен жиілік арасындағы байланысты
(7),(8) және (9) қрнектерден мынадай түрде жазуға болады,Яғни

(10)

Эйнштейн теңдеуінен ооооооо тұрақтысын анықтауға болады.Ол үшін жарық
толқынының жиілігін (V),шығу жұмысын (Aш) тәжірибе жүзінде анықтап және
фотоэлектрондардың кинематикалық энергиясын өлшеу керек.

Егер жарықтың итенсивтілігі қте жоғары болса,мысалы,лазерлік сәулелер
шоғы,онда копеотонды фотоэффект қозады.Яғни,металдан бөлініп шыққан
фотоэлектрон бір ғана фотон энергиясын емес,N санды фотондар (N=2,3,4,5 ... )
энергиясын алады.Ал көпфотонды фотоэффект құбылысы мынадай теңдеу арқылы
орындалады.

(11)

Көп фотонды фотоэффект қызыл шегінің жиілігі мынадай:

(11a)

Фотонның массасы мен импульсі.

Жарық шығару немесе жұтылу кезіндегі энергия һV-u тең бөлшектер ағыны болып
есептеледі делік.Олай болса,сәуле шығару немесе жұтылу кезінде байқалатын
жарықтың қасиеттері корпускалық бөлшек деп аталады.Жарық бөлшегінің өзі
фотон немесе жарық квантты болып есептеледі.Фотнның энергиясы
болғандықтан,оның массасы мына түрде анықталады

(12)

Фотонның тыныштық күйдегі массасы mо болмайды,яғни ол тыныштықта өмір
сүрмейді.

(13)

Фотонның импульсі жарық сәулесімен бағыттас болады.Фотонның заряды және
магниттік моменті болмайды.

Сөйтіп,ғалымдар жарықты бөлшектер ағыны деп түсіндіреді.

Сонда жарықтың табиғаты екі жақтылы диалзмдік қасиеттері блдады.Жарықтың
таралуы кезінде оның толқындық қасиеттері,ал заттармен әрекеттескенде
корпускуллық қасиеттері байқалады.Әрине,осының бәрін көзбен көріп байқау
мүмкін емес,бірақ шындық.

Рентгендік сәулелер.

1895 ж неміс ғалымы В.Рентен ауасы сорылған түтіктердегі электр тогын
зерттеу үстінде ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.