Вопросы к экзаменам 3

Характеристики теплового излучения.
Тепловое излучение - это явление испускания электромагнитных волн нагретыми твердыми
телами, жидкостями и газами за счет внутренней энергии.
Поток энергии излучения - это величина, равная энергии, испускаемой телом в единицу времени
по всем направлениям, во всём интервале частот
W
dW
Дж
Ф
 Вт .
- среднее значение, Ф 
- мгновенное значение, Ф  
t
dt
с
Энергетический светимость - это величина, равная потоку энергии, испускаемому единицей
поверхности излучающего тела по всем направлениям во всем интервале частот
Ф
dФ
Вт
R
- среднее значение, R 
- мгновенное значение, R   2 .
S
dS
м
Спектральная плотность энергетической светимости (или испускательная способность) - это
величина, равная энергетической светимости в единичном интервале частот (или длин волн)


dR
dR
Вт
r ,T 
, или r ,T 
, r ,T   2 , R   r ,T d   r ,T d .
d
d
м м
0
0
Поглощательная способность - это величина, равная отношению потока, поглощенного телом, к
Ф
потоку падающему   ,T  погл  1 .
Фпад
Абсолютно чёрное тело
Абсолютно чёрное тело (АЧТ) - по тело, полностью поглощающее все падающее на него
излучение всех частот. Для АЧТ коэффициент поглощения всегда равен единице   ,T  1 .
Тело, для которого   ,T  1 , называют серым.
Законы теплового излучения.
Закон Кирхгофа. Отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности
не зависит от природы тела и является для всех тел одной и той же универсальной функцией
r
r
температуры и частоты (или длины волны)  ,T  f ( , T ) или  ,T  f ( , T ) .
  ,T
  ,T
Для абсолютно чёрного тела   ,T  1 . Следовательно, f ( , T ) универсальная функция Кирхгофа есть испускательная способность абсолютно черного тела.
Закон Стефана-Больцмана. Энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо
Вт
пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры R  T 4 , где   5,67 10 8 2 2 м К
постоянная Стефана-Больцмана.
Законы Вина.
1) С повышением температуры максимум спектральной плотности энергетической светимости
c
смешается в сторону коротких волн m  1 , где c1  2,9 103 м  К - первая постоянная Вина.
Т
2) Максимальное значение спектральной плотности энергетической светимости пропорционально
Вт
пятой степени абсолютной температуры rmax  c2T 5 , где c2  1,29 10 5 3 - вторая постоянная
мК
Вина.
Постоянные Вина с1 и c2 получены экспериментально.
Квантовая гипотеза Планка, формула Планка.
Электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина
которых пропорциональна частоте излучения   hv  v , где h  6,62 1034 Дж  с - постоянная
h
 1,056 10 34 Дж  с .
Планка,  
2
Формула Планка дает спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела.
 3
1
,
f (, T )  2 2 
4 c kT
e 1
3
2hv
1
,
f (v, T ) 
hv
2
c
e kT  1
2
2hv
1
.
f ( , T ) 
hc
5

e kT  1
Фотоэффект: его виды.
Фотоэффект - это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря,
любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких)
выделяют внешний и внутренний фотоэффект.
Внешний фотоэффект - это испускание электронов веществом под действием падающего на него
электромагнитного излучения.
Внутренний фотоэффект - это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов
внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.
Вентильный фотоэффект - это возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух
разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического
поля).
Законы Столетова для внешнего фотоэффекта.
1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в
единицу времени, пропорционально интенсивности света, то есть сила фототока насыщения
пропорциональна интенсивности падающего на катод излучения.
2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия)
фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света
v0 , при которой ещё возможен внешний фотоэффект ( v0 зависит от химической природы вещества
и состояния его поверхности).
4. Фотоэффект явление практически безынерционное.
Закон Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода Авых из металла
и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии
2
mvmax
, (по закону сохранения
2
2
hc
mvmax
энергии). hv  Aвых 
, Aв ых  h 0 
- красная граница.
0
2
Тормозное рентгеновское излучение.
С катода в результате термоэлектронной эмиссии вылетают электроны (под действием тепла) 
далее ускоряются полем U [1;500] кВ  ударяясь об анод вызывают рентгеновское излучение.
U 2  U1
Ек  eU 
hc

 Отсюда определена Постоянная Планка: h 
eU
.
c
Эффект Комптона.
Эффект Комптона (Комптон-эффект) - явление изменения длины волны электромагнитного
излучения вследствие рассеивания его электронами.
Рассеивание гамма квантов (рентгеновского излучения) на свободных электронов (других
частицах).

1  cos   (1)
m0 c
 '  
h

- Приведенная постоянная Планка.
2

 k  2,43 10 12 ( м)
m0 c
  0 ,   0
 
  180о ,   2k
Формулу (1) можно получить из законов сохранения импульсов: p  p'  pe
   'E
Эффект Комптона наблюдается для более тяжелых частиц (протоны, ядра):  в 10 5 , 10 6 меньше.
Фотон, его характеристики.
Энергия, импульс, масса, частота, длина волны.
Фотон - элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, квант
электромагнитного поля. Фотоны обозначаются буквой  , поэтому их часто называют гаммаквантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны.
Энергия фотона:   hv  



Импульс фотона: p     k , p  k , здесь k  - волновое число; k - волновой вектор.
c
c
c
Выражения для импульса фотона следует из релятивистского инварианта с учетом того, что масса
фотона m  0 . Для фотона с энергией  имеем:  2  c 2 p 2  m 2c 4  inv .
Так как для фотона m  m  0 , то  2  c 2 p 2  0  p 

c
.
Масса фотона: m  0 .
Скорость фотона всегда постоянна и равна скорости света в вакууме: c  3 108 м / с .
c
Длина волны:  

Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.
Спектр излучения атома водорода.
Формула Бальмера.
Опыт по рассеянию альфа-частиц и модель атома Резерфорда.
Постулаты Бора.
Потенциальная, кинетическая и полная энергия электрона в атоме водорода.
Энергетические уровни.
Энергия ионизации и энергия возбуждения.
Опыт Франка-Герца.
Квантовые числа, их возможные значения и физический смысл.
Вырожденные состояния.
Степень вырождения.
Векторная модель атома.
Спин электрона.
Гипотеза де Бройля.
Дифракция электронов.
Соотношения неопределенностей.