Какую природу имеет свет: Какую природу имеет гамма-излучение? — Школьные Знания.com

Интерференционные тайны природы

А. Голубев,
доктор технических наук
«Наука и жизнь» №1, 2008

В течение нескольких сотен лет физики пытались понять, что же такое свет — волны или поток частиц, названных позднее фотонами, и в конце концов выяснили, что слово «или» употреблять нельзя. В одних случаях свет ведёт себя как волна, в других — как поток фотонов, проявляя квантовый, то есть дискретный характер излучения. Другими словами, свет имеет двойственную природу. На научном языке это называется «корпускулярно-волновой дуализм» (слово «корпускула» означает «частица»). Интерференция считается одним из нагляднейших проявлений волновых свойств: ведь интерферировать могут только волны. Казалось бы, и спорить не о чем. Однако всё не так просто. Недаром существует весьма выразительное изречение: «Свет — самое тёмное место в физике»…

Интерференция — замечательное явление, имеющее множество применений.

Оно проявляется как в оптическом, так и в радиодиапазоне. Особенно впечатляюща интерференция света, так как мы можем её наблюдать непосредственно, в то время как радиоволны невидимы глазом. Часто интерференцию света характеризуют такой «парадоксальной» фразой: свет плюс свет может давать темноту. Человеку, совершенно незнакомому с физической оптикой, это может показаться очень странным: как это так — если к свету прибавить ещё свет, то должно стать ещё светлее! Правда, все мы изучали физику в школе, и, наверное, всё-таки у каждого остались хотя бы какие-то смутные воспоминания о том, что такое интерференция («Да… что-то связанное со светом… не очень помню, но вроде бы это какое-то наложение световых волн…»). Уже хорошо! Давайте же начнём с того, что освежим эти полузабытые знания, которые позволят нам побеседовать о крайне удивительных и интересных явлениях, связанных с интерференцией света.

Возьмём более или менее «направленный» источник света, например карманный фонарик (с галогенной лампочкой, дающей яркий свет, а ещё лучше — со светодиодом), и направим его на белый экран. На экране возникнет пятно света. Теперь возьмём второй такой же фонарик и направим его свет на то же место экрана. «И что, мы получим темноту?» — иронически спросит читатель, прочитавший предыдущий абзац, но настолько позабывший школьную физику, что слово «оптика» ассоциируется у него лишь с очками и лупами. Нет, конечно, никакой темноты мы не получим, световое пятно станет ещё ярче. «Ну и что в этом удивительного?» — заметит наш скептик. В этом — ничего. Но теперь сделаем следующее: возьмём лист плотного картона, проколем в нём иголкой две дырочки как можно ближе одну к другой (скажем, на расстоянии 0,5 миллиметра), поставим лист перед экраном (на расстоянии около 20–30 см) и осветим эти дырочки одним фонариком (см. рис. 1). Возможно, придётся немного порегулировать расстояние между фонариком и картоном, но мы обязательно найдём положение, при котором на экране светлое пятно будет пересекаться тёмными участками. Вот мы и получили темноту!

Почему же возникают эти тёмные участки? Почему их не было в случае двух фонариков, а появились они только при освещении отверстий в картоне одним фонариком?

Зададим такой «нелепый» вопрос. Сколько источников света было в этих двух случаях? Я назвал этот вопрос «нелепым» потому, что он может вызвать недоумение: как сколько? В первом случае мы включали оба фонарика, значит, было два источника света, а во втором светил только один фонарик, один источник света. Разве не так?

Нет, не так. Во втором случае было тоже два источника, которыми стали два отверстия в картоне (1 и 2, рис. 1). То есть исходный источник был, конечно, один, но свет на экран шёл из этих двух дырочек, которые играли роль вторичных источников света. А вот то, что свет этих вторичных источников образовался от одного исходного, сыграло фундаментальную роль.

Используя картон с дырочками, изображённый на рис. 1, мы воспроизвели (с некоторыми несущественными отличиями) знаменитый опыт Т. Юнга, впервые наблюдавшего интерференцию света от двух щелей в 1802 году.

Интерференция — это такое сложение волн, при котором происходит не просто суммирование интенсивностей этих волн, а их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других, в зависимости от разности фаз волн в этих точках.

Но прежде чем рассматривать интерференцию, необходимо поговорить об одном фундаментальном понятии, играющем ключевую роль.

Почему в случае с двумя фонариками происходило только суммирование интенсивностей (яркостей), а в случае с картоном мы могли наблюдать интерференцию? Потому, что в первом случае световые волны от двух источников были некогерентны, а во втором — когерентны, так как порождены одним источником. Следовательно, необходимым условием образования интерференции является когерентность волн. Что это такое?

Слово «когерентность» — греческого происхождения и в наиболее общем смысле означает «согласованность». Простейший пример: когда по улице прогуливается толпа людей, она идёт некогерентно, а когда марширует рота солдат, то она идёт когерентно.

Когерентные волны — это волны одинаковой частоты, между которыми сохраняется постоянная разность фаз (то есть они согласованы по фазе). При сложении двух когерентных волн одинаковой поляризации (с одним и тем же направлением колебаний напряженности электрического поля) амплитуда суммарной волны зависит от разности фаз складываемых волн — это и есть интерференция.

При интерференции световых волн удобнее иметь дело не с амплитудами, а с интенсивностями. Это не меняет существа дела, так как интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды. Если в какую-либо точку приходят две волны с интенсивностями I₁ и I₂ и фазами φ₁ и φ₂ соответственно, то результирующая интенсивность в этой точке определяется выражением

где ∆φ = |φ₁ – φ₂| — разность фаз, а множитель γ отражает степень когерентности волн. Из этой формулы наглядно видна зависимость результирующей интенсивности от разности фаз ∆φ и от величины γ.

В тех местах, куда волны приходят в одинаковой фазе, то есть «гребни» и «впадины» одной волны совпадают с «гребнями» и «впадинами» другой (∆φ = 0, cos∆φ = 1), волны усиливают одна другую и наблюдается максимальная интенсивность (

I_max). В тех местах, куда волны приходят в противофазе, «гребни» одной волны совпадают со «впадинами» другой (∆φ = 180°, cos∆φ = –1), волны гасят одна другую и результирующая интенсивность становится минимальной (I_min ). Таким образом, образуется интерференционная картина, состоящая из чередующихся светлых и тёмных участков.

Когерентность волн определяет их способность к интерференции. Практическим критерием степени постоянства разности фаз, то есть мерой степени когерентности γ, является контраст (видность, резкость, чёткость) интерференционных полос — важнейший параметр интерференционной картины. Если условие ∆φ = const не соблюдается, то, как видно из вышеприведённой формулы, изменяется и результирующая интенсивность I

рез, что приводит к «размытию» интерференционных полос — уменьшению контраста К. В общем случае контраст определяется выражением

K = (I_max — I_min) / (I_max + I_min).

При этом 0 К К = 0) и полной когерентности (К = 1) волн. Остальные значения соответствуют промежуточным случаям частичной когерентности. Смысл величины γ состоит в том, что она дает информацию о контрасте интерференционной картины.

Нетрудно показать, что если интенсивности интерферирующих волн равны (I₁ = I₂ = I), то К = γ, то есть значение γ непосредственно равно величине контраста К.

Теперь, прояснив наиболее существенные моменты, касающиеся интерференции, перейдём к нашей основной теме, сформулированной в заголовке статьи.

Существует множество интерференционных схем (интерферометров), но достаточно рассмотреть только одну из них. Вернёмся к уже знакомой схеме интерферометра Юнга (рис. 1). На экране наблюдается интерференционная картина. Будем постепенно уменьшать интенсивность света. Освещённость экрана станет падать, но интерференционная картина сохранится. Продолжим уменьшать интенсивность света, а вместо экрана поставим фотопластинку, потому что глазом уже ничего не видно (рис. 2). Увеличив время экспозиции и проявив пластинку, обнаружим на ней всё ту же интерференционную картину (на рис. 2 это показано кривой D, отображающей интерференционное распределение полос).

Уже интересно: значит, интерференция не зависит от интенсивности света? Продолжаем опыт, все больше уменьшая интенсивность и соответственно увеличивая время экспозиции. Короче говоря, при достаточно длительной экспозиции можно обнаружить интерференционную кривую D в принципе при сколь угодно малой интенсивности света. Но с уменьшением интенсивности светового пучка уменьшается число фотонов в нём, и наступит такой момент, когда вместо световых волн в интерферометр Юнга будут поступать отдельные фотоны. Вот излучился один фотон, за ним другой и т. д. — фотоны поступают в интерферометр сугубо поодиночке. Но при этом сохраняется интерференционный характер кривой D, на фотопластинке получается такая же интерференционная картина, как и от световых волн!

Как же это может быть? Ведь для получения интерференции необходимо, чтобы свет поступал на пластинку одновременно от двух отверстий 1 и 2. Но отдельный фотон не может пройти сразу через оба отверстия. Он проходит либо через отверстие 1, либо через отверстие 2. Очевидно также, что он не может разделиться на две «половинки». И вот тут мы сталкиваемся с совершенно мистической ситуацией. Фотон проходит через одно отверстие, но эффект такой, как будто он прошёл через оба. Это приводит к парадоксальному утверждению: нельзя считать, что фотон проходит через одно отверстие независимо от другого. Если бы это было так, то при прохождении, скажем, через отверстие 1 было бы совершенно безразлично, открыто или закрыто отверстие 2. Но если мы закроем отверстие 2, то, как показывает опыт, интерференционная картина немедленно исчезнет!

Всё это очень странно. Более того — непостижимо. Но вернёмся к схеме Юнга — нас ждёт ещё много интересного.

Итак, мы имеем дело с отдельными фотонами. Закроем отверстие 2. Теперь мы точно знаем, что фотоны проходят только через отверстие 1. Интерференция исчезает, и распределение попаданий фотонов на фотопластинку за некоторый достаточно большой интервал времени описывается кривой А (рис. 2). Теперь откроем отверстие 2 и закроем 1. Фотоны будут проходить только через открытое отверстие 2, и их распределение отобразится кривой В. Теперь откроем оба отверстия. Если, как этого требует логика, считать, что каждый фотон проходит либо через одно, либо через другое отверстие, то на фотопластинке-детекторе должна зафиксироваться сумма этих распределений, то есть кривая С (обозначенная на рис. 2 пунктиром). Но возникает не суммарное, а интерференционное распределение D. То есть фотон при прохождении того или другого отверстия каким-то образом «ощущает» соседнее отверстие; в противном случае, как уже говорилось, фотону было бы «безразлично», открыто или закрыто это соседнее отверстие, и при обоих открытых отверстиях должна была бы фиксироваться суммарная кривая С. Это удивительное появление интерференции при прохождении фотонов через одно отверстие — чисто квантовый эффект, один из парадоксов квантовой механики, который невозможно объяснить на основе классической теории.

Но пойдём дальше. Описанный эффект наблюдается не только с фотонами, но и с электронами, протонами, нейтронами, то есть с микрообъектами (подобные эксперименты производились неоднократно). Особенно наглядными были опыты с электронами, которые вроде бы уж точно «частицы», а не волны. И вот физики придумали, как «подглядеть», каким образом электрон проходит через отверстия. Они поместили вблизи каждого отверстия по источнику света и фотоприёмнику, расположив их так, что фотоприёмники регистрируют свет, рассеянный электроном. Если электрон проходит через одно отверстие, сработает один фотоприёмник, и мы узнаем, через какое именно отверстие прошёл электрон; если же он непостижимым образом пройдет сразу через оба отверстия, то сработают оба фотоприемника. Что же дал такой опыт?

Оказалось, что всегда срабатывает только один фотоприёмник и никогда не срабатывают оба одновременно. Значит, электрон всегда проходит только через одно отверстие, и мы всегда можем сказать, через какое именно. Что же получается? Что электрон, проходя через одно отверстие, каким-то образом «ощущает» другое? Но давайте наберём достаточно большое число попаданий электронов на разные места экрана и посмотрим, как распределятся эти попадания. (В случае электронов вместо фотопластинки используется передвижной детектор, например счётчик Гейгера или другое устройство, откликающееся при попадании на него электрона, скажем, щелчком в динамике.) И вот тут обнаруживается совершенно неожиданная вещь. Кривая распределения оказывается не интерференционной, а суммарной! А если мы уберём источники света и фотоприёмники, то получится интерференционная кривая. Другими словами, попытка «подглядеть» за электронами разрушает интерференцию!

Но может быть, освещая электроны, мы изменили их движение? Вполне возможно: ведь фотоны света, сталкиваясь с электронами, оказывают на них какое-то воздействие. Наверное, надо как-то уменьшить это воздействие до практически пренебрегаемого, чтобы интерференционная картина не разрушалась. Но как? Уменьшить интенсивность подсветки? Это ничего не даст, так как при этом будет уменьшаться число фотонов в пучке, и если мы добьёмся испускания света отдельными фотонами, то просто возрастёт количество «незарегистрированных» электронов. Нужно уменьшать не интенсивность, а энергию фотонов. Однако для этого есть только один путь — увеличивать длину волны света или, что то же, уменьшать частоту световых колебаний: энергия фотона (кванта света) Е связана с оптической частотой ν соотношением Е = hν, где h — постоянная Планка. Значит, чем больше длина волны, тем меньше её энергия и тем слабее воздействие на электрон. Самый длинноволновый свет в видимой области — красный; ещё лучше взять инфракрасное излучение, у которого длина волны может быть гораздо больше. Но — увы! — этот путь тоже оказывается тупиковым. Ибо, как только длина волны сравняется с расстоянием между отверстиями, невозможно будет разобрать, возле какого отверстия произошла вспышка. Если длина волны будет намного превышать расстояние между отверстиями — вот тогда возмущение, оказываемое светом, станет настолько слабым, что снова появится интерференционная кривая, но при этом не окажется никакой возможности установить, куда прошёл электрон.

Предпринималось ещё много попыток придумать опыт, который позволил бы «наблюдать» за электронами без разрушения интерференции, но ни одна из них не увенчалась успехом.

Мы рассмотрели эту проблему с чисто качественной стороны, ибо строгое аналитическое рассмотрение требует знакомства с математическим аппаратом квантовой механики. Поэтому ограничимся сказанным, из которого следует вывод: при интерференции отдельных фотонов, электронов и прочих микрообъектов любые попытки проследить, как она образуется, немедленно разрушают интерференционную картину. Почему природа не позволяет нам понять механизм подобного явления — на этот вопрос не может ответить никто, по крайней мере в настоящее время. И здесь уместно привести слова выдающегося американского физика Ричарда Фейнмана: «Мы говорим «в настоящее время», но мы очень серьёзно подозреваем, что всё это — уже навсегда и разгрызть этот орешек человеку не по зубам, ибо такова природа вещей».

Подробности для любознательныx

Кривые А и В на рис. 2 отражают распределение вероятностей попадания микрообъектов (фотонов, электронов) в ту или иную точку вдоль экрана (фотопластинки, детектора). При открытом отверстии 1 и закрытом 2 вероятность описывается кривой А; обозначим эту вероятность Р₁. При открытом отверстии 2 и закрытом 1 вероятность описывается аналогичной кривой В; эту вероятность обозначим Р₂. Если открыты оба отверстия, то логично ожидать, что результирующая вероятность Р будет суммой вероятностей Р₁ и Р₂, то есть Р = Р₁ + Р₂, что соответствует кривой С. Но опыт показывает, что этого не происходит: результирующая вероятность Р соответствует не суммарному, а интерференционному распределению, описываемому кривой D. Вероятность, соответствующую этому распределению, обозначим Р₁₂. Таким образом, при обоих открытых отверстиях получаем Р = Р₁₂ ≠ Р₁ + Р₂. Как это можно интерпретировать?

В квантовой механике вводят понятие комплексной волновой функции ψ, описывающей микрообъект и связанной с вероятностью таким образом, что вероятность есть квадрат модуля (абсолютной величины) волновой функции, то есть |ψ|². Термин «волновая функция» впоследствии заменили термином «амплитуда вероятности», чтобы подчеркнуть вероятностный характер описания микробъекта. Итак, для нашего случая имеем: Р₁ = |ψ₁|², Р₂ = |ψ₂|². А далее надо учесть принципиальное обстоятельство, связанное с различимостью взаимоисключающих событий. Что под этим понимается?

У микрообъекта — скажем, у электрона — имеется возможность альтернативной реализации двух вариантов (событий): пройти либо через отверстие 1, либо через отверстие 2. Когда подсветка выключена, то есть мы не наблюдаем за электроном, то эти события являются неразличимыми. Как только мы включаем свет, они становятся различимыми. Ничего подобного нет в классической физике (там все события всегда различимы), такая ситуация возможна только в микромире. Так вот, в квантовой механике справедливо такое правило: если события различимы, складываются соответствующие им вероятности; если же события неразличимы, складываются амплитуды вероятностей. В первом случае (с подсветкой) мы имеем Р = Р₁ + Р₂ = |ψ₁|² + |ψ₂|², интерференция отсутствует. Во втором случае (без подсветки) получаем: ψ = ψ₁ + ψ₂ и P = |ψ₁ + ψ₂| ². Возникает интерференция.

Página no encontrada % %sep%% % %sitename%%

Сообщите нам свой адрес электронной почты, чтобы подписаться на рассылку новостного бюллетеня. Предоставление адреса электронной почты является добровольным, но, если Вы этого не сделаете, мы не сможем отправить Вам информационный бюллетень. Администратором Ваших персональных данных является Акционерное Общество PCC Rokita, находящееся в Бжег-Дольном (ул. Сенкевича 4, 56-120 Бжег-Дольный, Польша ). Вы можете связаться с нашим инспектором по защите личных данных по электронной почте: .

Мы обрабатываем Ваши данные для того, чтобы отправить Вам информационный бюллетень — основанием для обработки является реализация нашей законодательно обоснованной заинтересованности или законодательно обоснованная заинтересованность третьей стороны – непосредственный маркетинг наших продуктов / продуктов группы PCC .

Как правило, Ваши данные мы будем обрабатывать до окончания нашего с Вами общения или же до момента, пока Вы не выразите свои возражения, либо если правовые нормы будут обязывать нас продолжать обработку этих данных, либо мы будем сохранять их дольше в случае потенциальных претензий, до истечения срока их хранения, регулируемого законом, в частности Гражданским кодексом.

В любое время Вы имеете право:

• выразить возражение против обработки Ваших данных;
• иметь доступ к Вашим данным и востребовать их копии;
• запросить исправление, ограничение обработки или удаление Ваших данных;
• передать Ваши персональные данные, например другому администратору, за исключением тех случаев, если их обработка регулируется законом и находится в интересах администратора;
• подать жалобу Президенту Управления по защите личных данных.

Получателями Ваших данных могут быть компании, которые поддерживают нас в общении с Вами и помогают нам в ведении веб-сайта, внешние консалтинговые компании (такие как юридические, маркетинговые и бухгалтерские) или внешние специалисты в области IT, включая компанию Группы PCC .

Больше о том, как мы обрабатываем Ваши данные Вы можете узнать из нашего Полиса конфиденциальности.

Урок 14. корпускулярно-волновой дуализм — Естествознание — 10 класс

Естествознание, 10 класс

Урок 14. Корпускулярно-волновой дуализм

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• В чем заключаются корпускулярные свойства полей;
• В чем заключается гипотеза о волновых свойствах частиц;
• При каких условиях проявляются волновые, а при каких — корпускулярные свойства частиц вещества и частиц поля;
• Каков смысл понятия «корпускулярно-волновой дуализм».

Глоссарий по теме

Квантовая теория – совокупность представлений, согласно которым электромагнитные волны излучаются, распространяются, поглощаются отдельными порциями, которые называются «квантами». Теория послужила основой для появления квантовой механики, объясняющей движение микрообъектов. Гипотеза была предложена М. Планком, развита А. Эйнштейном.

Квант — (от лат. quantum – «сколько») – обозначает в физике неделимую порцию величины, например, энергии, поля или момента инерции. Заметим, что применимо это понятие только к микромиру: может быть квант света и квант гравитационного поля.

Интерференция – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны. Примером может служить окрашивание поверхности мыльного пузыря.

Дифракция – огибание волнами краев препятствий – присуща любому волновому движению. Дифракция света наблюдается на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны (порядка 10^-7 м).

Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света. Открыто в 1886 году Г. Герцем, подробно изучено А. С. Столетовым. Квантовая теория света дала возможность объяснить это явление. А. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за работы по теории фотоэффекта.

Фотон — мельчайшая частица электромагнитного излучения, имеющая энергию в один квант.

Планетарная модель атома – предложена в 1906 году Э. Резерфордом. Согласно предложенной модели ядро атома имеет положительный заряд и располагается в центре, вокруг него по своим орбитам вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны. Оказалась несостоятельной.

Энергетические уровни – определенная энергия, которой характеризуется данный электрон в атоме, соответствующая его расстоянию от ядра. Термин предложен Н.Бором.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017 : с 64-71.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Кеттерле В. Когда атомы ведут себя как волны. Бозе-эйнштейновская конденсация и атомный лазер. Нобелевская лекция. 2001 г. Электронный доступ : https://ufn.ru/ru/articles/2003/12/e/

Корпускулярно-волновой дуализм https://www.youtube.com/watch?v=Qnywl9mnI_M

Как объяснить корпускулярно-волновой дуализм. д.ф-м.н., профессор, профессор ВолГУ А. Морозов / Электронный ресурс: https://www.youtube.com/watch?v=FWWlclQ0ozs

Корпускулярно-волновой дуализм — Эмиль Ахмедов Открытый образовательный ресурс: ассоциация специалистов в сфере образования, науки и просвещения «Издательский дом “ПостНаука”» адрес доступа: https://postnauka.ru/video/81299

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В классической физике частицы и волны резко противопоставлялись как олицетворение дискретности (прерывности) и непрерывности соответственно. В качестве существенных различий считалось, что частицы относительно строго локализованы в пространстве и движутся по определенным траекториям. Волны же наоборот не имеют строгой локализации и обладают следующими признаками: могут огибать препятствия, могут накладываться друг на друга, существовать в одной и той же точке пространства. При движении частиц происходит перенос вещества и энергии, а при распространении волн переноса вещества не происходит. Свойственное классической физике противопоставление вещества как дискретного образования и поля, как непрерывного, соответствует принципу «или – или». Однако исследование природы света сняла это противоречие.

Волновые свойства света

Ньютон в своем трактате «Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света», только выдвинул предположение, что свет обладает свойствами волны, однако не стал развивать эту идею. Ученый объяснял законы оптики с позиций корпускулярной теории. Считая свет потоком частиц

Однако, в 1801 году, Томас Юнг обнаружил явление интерференции у света, что характерно для всех волн. Суть явления заключается во взаимном усилении или ослаблении когерентных волн при наложении. Напомним, что «Когерентные» можно перевести как «синхронные», «согласованные»; у когерентных волн одинаковая частота (одинаковая длина волны). Если амплитуды волн света совпадут при наложении, то мы будем наблюдать усиление яркости светового пятна. Если волны будут противоположны по значению максимумов и минимумов (гребней и впадин), то мы можем добиться такого состояния, когда световое пятно не будет видимо. Волновая характеристика света помогла Т.Юнгу объяснить явление дисперсии (разложения) света призмой.

Если свет – это волна, то наряду с интерференцией должна наблюдаться и дифракция света. Ведь дифракция – огибание волнами краев препятствий – присуща волновому движению. В результате этого в области геометрической тени могут возникать светлые зоны. Наоборот, в области, куда в соответствии с законом прямолинейного распространения светового луча должен падать свет, может возникать темная зона.

Лишь после проведения качественных опытов, демонстрирующих интерференцию и дифракцию, волновая природа света стала признанной.

Корпускулярные свойства света

К концу 19 века волновая природа света не вызывала сомнения . Однако Макс Планк показывает, что электромагнитное поле излучается порциями – квантами. Альберт Эйнштейн, в свою очередь, подтверждает, что и поглощение происходит квантами. Эти идеи заложили основы квантовой теории и позволили точно описать явление фотоэффекта, суть которого заключается в том, что фотоны способны выбивать электроны из внешнего слоя вещества.

При этом количество выбитых электронов связано с частотой световых волн, но не с их интенсивностью. Другими словами, электроны будут вылетать с поверхности независимо от яркости света, но при условии, что электрон получит достаточную порцию энергии (напомним, что энергия пропорциональна частоте E=hν). Поскольку энергия кванта может быть поглощена только полностью, то не удивительно, что если энергия кванта света мала (большая длина волны), то и электрон не сможет покинуть вещество, т.е. не совершится работа выхода (Вспомните, что понимается под «работой» в физике). Квант света Эйнштейном был назван фотоном. Стоит отметить, что фотон это не абстрактная модель, это реально существующая частица, хотя и не имеющая массы покоя. Другими словами, фотон существует только в движении.

Корпускулярно-волновой дуализм света

Тем самым, электромагнитное поле проявляет одновременно и волновые, и квантовые (корпускулярные) свойства, как свойства непрерывности, так и свойства прерывности (дискретности). В одних явлениях (интерференция, дифракция) проявляются резче волновые свойства, в других (фотоэффект, фотохимические реакции) – квантовые свойства излучения. Однако ряд свойств можно объяснить в согласованности, как с волновых, так и квантовых позиций. Так, например, давление света можно объяснить в согласии с опытом как передачей фотонами (квантами света) импульса поверхности, на которую они падают, так и на основе представлений об электромагнитной волне, где электрическая составляющая возбуждает движение зарядов в проводящей поверхности, а магнитная обеспечивает действие сила Лоренца. Такого рода двоякое объяснение одного и того же явления говорит о том, что свет одновременно проявляет и те, и другие свойства, а потому одновременно обладает ими, обнаруживая единство. Это единство проявляется в основных характеристиках фотона. Он обладает, как любая частица, энергией (hν), массой(), и импульсом (), но эти корпускулярные характеристики выражаются через сугубо волновую характеристику – частоту.

Одновременно обладая и теми и другими свойствами, свет не всегда одновременно их проявляет. В зависимости от условий резче проявляются одни или другие свойства. Такая двойственность света называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Волновые свойства вещества

Итак, электромагнитное излучение обладает одновременно свойствами волн и свойствами частиц.

Но оказалось, что эта двойственность характерна не только для поля, что ей обладают и любые микрообъекты. Например, частица вещества – электрон.

Так, согласно современным представлениям, наряду с волнами электромагнитного поля имеются волны вещества. (Вспомним про тепловые излучения!). Эта идея, предложенная в 1924 году Луи де Бройлем, также была подтверждена опытным путем. Суть опыта состояла в том, что поток электронов определенной энергии направлялся на тонкую пластинку и после этого попадал на фотопластинку, на которой обнаруживалась типичная дифракционная картина. Электроны дифрагировали как волны.

С этих позиций изменились и современные представления о строении атома. На смену планетарной модели Эрнста Резерфорда, согласно которой электроны как планеты вращаются по своим траекториям пришла новая модель. Описанная по подобию движения планет Солнечной системы старая модель оказалась не состоятельной, поскольку не могла объяснить, почему электрон не падает на ядро, и почему спектры излучения и поглощения атомов линейчатые. Сегодня при описании атома учитывается дуальная природа электрона, существование которого связано с некоторым «стационарным» состоянием, в котором он свою энергию не теряет. Энергию электрон тоже может изменить дискретно при поглощении или испускании квантов. Таким образом существование электрона в атоме связано с энергетическими уровнями, которые, вследствие волновой природы электрона, можно представить, как области пространства вокруг ядра, где с наибольшей вероятностью мы можем его зафиксировать. Современные представления о микромире не могут быть описаны понятиями классической механики, поэтому на смену понятию орбита, приходит менее категоричное – орбиталь.

Из вероятностного характера описания следует крах концепции детерминизма (предполагает однозначность и предопределенность будущего, это вытекает из признания жесткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицает объективность случайности). В соответствии с квантовой теорией будущее состояние любой системы может быть предсказано лишь с некоторой вероятностью. Идея вероятностного характера процессов в микромире постепенно была распространена и на процессы в нашем макромире. Наше будущее, таким образом, не является жестко определенным.

Единство волновых и корпускулярных свойств, дискретности и непрерывности, т. е. корпускулярно-волновой дуализм, есть общая черта материальных объектов, которой обладают и поля, и все микрочастицы. И это еще одно доказательство единства материального мира.

Выводы:

Свет (электромагнитные волны) осуществляет распространение энергии порциями – квантами, проявляя наравне с волновыми и квантовые свойства.

Электрон в определенных условиях ведет себя как волна.

Волна, соответствующая определенной частице, определяет вероятность нахождения частицы в данной точке пространства.

Всем микрочастицам присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. В то же время любую из микрочастиц нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании. К корпускулярному и волновому описанию следует относиться как к дополняющим друг друга точкам зрения на один и тот же круг явлений.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля.

Задание1. Выберите один ответ

Интерференцией света объясняется физическое явление:

А: красный цвет абажура настольной лампы, светящейся белым светом

Б: красный цвет мыльной пленки, освещаемой белым светом

В: проявление цветного спектра настольной лампы, светящейся белым светом

Правильный ответ: Б

Пояснение: явления под А и В связаны с дисперсией

Задание2. Вставьте пропущенные элементы в тексте по смыслу:

«Единство ___________и корпускулярных свойств, дискретности и_____________, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, есть ________черта материальных объектов, которой обладают и поля, и все________. И это еще одно доказательство единства материального мира»

Варианты элементов для подстановки: непрерывности; общая; тела; микрочастицы; волновых; частная

Ответ: «Единство волновых и корпускулярных свойств, дискретности и непрерывности, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, есть общая черта материальных объектов, которой обладают и поля, и все микрочастицы. И это ещё одно доказательство единства материального мира»

Конец света или обычный ветер? Какую погоду ждать в Петербурге

наталья мироничева, ведущий синоптик отдела прогнозов гидрометцентра петербурга

Город 18 Сентября 2020

Разговоры о погоде теперь не дань вежливости, а едва ли не тема номер один. Благо журналистские материалы о ней все чаще напоминают сюжеты апокалиптических фильмов. Началом «конца света» становятся даже такие обыденные явления природы, как проливные дожди, сильные ветры и низкое давление.

ФОТО Романа ПИМЕНОВА/ИНТЕРПРЕСС

Так, 9 сентября поисковая система разразилась новостью: «Сегодня в Петербурге самое низкое давление за 20 лет. Ожидается, что барометр покажет 753 мм ртутного столба». Эту информацию тут же подхватили другие СМИ, попутно раскрасив ее дополнительными подробностями.

Одна газета сообщила, что «9 сентября давление побьет рекорд» и при этом дала ссылку на ФГБУ «Северо-Западное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды». Ее слова повторил сайт телеканала… Страшилка в одночасье стала сенсацией.

Хотя на поверку оказалось, что это сообщение не более чем обыкновенный фейк. ФГБУ «Северо-Западное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» лишь подтвердило факт того, что давление составило 753 мм ртутного столба. А вот то, что это «самый низкий показатель за последние 20 лет», журналисты выдумали сами. И это не соответствует истине.

На самом деле это было самое низкое за два десятилетия давление именно для 9 сентября, а не «вообще». Аналогично синоптики отмечают температурные рекорды каждого дня. Например, сообщение о последнем из зафиксированных в этом году выглядело так: «17 июня столбик термометра поднялся до отметки 32,4 градуса, и это стало самым высоким значением для этого дня. Предыдущий рекорд держался с 1905 года». То есть двадцать лет назад 9 сентября давление было ниже, чем в 2020 году. Новость банальная, сенсация дутая…

Впрочем, как я заметила, любая погодная встряска становится поводом раздуть из мухи слона. Например, штормовой ветер, который на прошлой неделе властвовал в Северной столице, вновь заставил городские СМИ вспомнить про глобальное потепление, влияние Эль-Ниньо (колебание температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана), катастрофические климатические изменения.

Да, действительно, за прошедшую неделю наш город изрядно продуло, промыло и пригрозило наводнением. Сильный ветер, который валил деревья в парках и дорожные указатели, гнул и срывал крыши с остановок, 11 сентября достигал в порывах 19 – 24 м/сек, а 13 сентября – 16 – 21 м/сек. Максимальные из этих значений были зафиксированы на прибрежных метеостанциях.

Затем наступил период затишья. Городские службы подсчитали ущерб, пострадавшие граждане засыпали заявлениями страховые компании.

Но на самом деле в Петербурге не произошло ничего такого, чего не было бы раньше. Да, повторяемость ветра такой силы невелика, но подобное встречается чуть ли не каждый год. Если сравнить с максимальными значениями скорости ветра, зафиксированными городскими метеостанциями в прошлые годы, то они составляют от 28 до 34 м/сек.

Дважды за прошлую неделю закрывались затворы водопропускных сооружений КЗС (дамбы) ввиду угрозы наводнения. Напомню, наводнением считается подъем воды в Неве до 161 см и выше. В результате максимальный подъем уровня составил 11 сентября – 144 см, в ночь с 13-го на 14-е – 128 см. И такое не раз случалось в истории, когда невские наводнения следовали парами, одно за другим, с разницей в один-три дня.

Например, 26 и 28 сентября 1983 года в Ленинграде произошли 255-е и 256-е по счету наводнения, подъемы уровня составляли 182 и 174 см, соответственно. В октябре 1967 года в течение пяти дней произошли целых три наводнения: 14, 18 и 19-го числа.

Конечно, глобальное потепление – факт, который сейчас никто отрицать не будет. Ведь за несколько последних десятилетий температура на Земле поднялась чуть больше, чем на полградуса. Это довольно много, но у нас по-прежнему нет способа определить, какая часть такого потепления имеет природную основу, а какая вызвана антропогенной деятельностью. И сохранится ли этот тренд в долгосрочной перспективе или нет – тоже повод для дискуссий. Ученые в оценках расходятся.

Кстати, именно с глобальным потеплением связывают и увеличение числа опасных и неблагоприятных погодных явлений – такая тенденция отмечается практически всеми национальными гидрометслужбами мира. Ущерб от стихийных явлений растет. Но в их росте виновата не только природа. Велика и доля человеческого фактора.

Когда на Кубани пятнадцать лет назад произошло наводнение, анализ причин бедствия показал, что все разрушения и жертвы случились в тех местах, где изначально нельзя было строить. А там, где жилье и хозяйственные постройки возвели много лет назад, они устояли.

Похожая история произошла и позднее в Крымске. Зачастую величина ущерба и потерь напрямую связана не с природными катаклизмами, а с безответственностью и нарушением норм и законов строительства.

Что же касается Эль-Ниньо, то это явление действительно оказывает заметное влияние на климат. Оно имеет периодичность от 3 до 8 лет, однако сила и продолжительность его сильно варьируются. Хотя это явление в последние годы активно изучается, прогнозируется оно пока плохо.

Несколько лет назад мне довелось участвовать в международной конференции климатологов, где один из докладов был посвящен Эль-Ниньо, его влиянию на формирование погодных условий в разных частях земного шара. Так вот, наибольшее влияние оно оказывает на сопредельные территории экваториальной части Тихого океана. Например, на западе Южной Америки в период Эль-Ниньо идут аномальные дожди, а в Юго-Восточной Азии и Австралии свирепствуют засуха и лесные пожары. На юге Африки при Эль-Ниньо наблюдается дефицит осадков, а на юго-востоке происходят наводнения. В наших районах влияние Эль-Ниньо минимально, у нас на формирование погодных условий влияют другие механизмы и факторы.

Вообще хочу подчеркнуть, что все природные процессы на Земле цикличны, периоды более активной циклонической деятельности сменяются ее ослаблением. Климатологи выделяют столетние циклы, тридцатилетние, одиннадцатилетние. ..

Наша же память довольно кратковременна, и мы не можем достоверно оценить то или иное погодное событие с точки зрения его уникальности и интенсивности. Только работа с погодными архивами поможет дать точную оценку природному событию. Но даже такой анализ не критерий точности, так как наши архивы содержат достоверные данные о погоде за последние 140 лет, тогда как город стоит на берегах Невы уже более трех столетий.

В общем, что бы нам с вами ни казалось, никаких сенсаций, никаких уникальных событий с погодой у нас пока не произошло.

Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 168 (6766) от 18.09.2020 под заголовком «Непогода нынче в моде».

Материалы рубрики

Свет и его роль в жизни организмов

Свет — это первичный источник энергии, без которого не­возможна жизнь на Земле. Он участвует в фотосинтезе, обес­печивая создание растительностью Земли органических соеди­нений из неорганических , и в этом его важнейшая энергетиче­ская функция. Но в фотосинтезе участвует лишь часть спектра в пределах от 380 до 760 нм, которую называют областью фи­зиологически активной радиации (ФАР). Внутри нее для фото­синтеза наибольшее значение имеют красно-оранжевые лучи (600—700 нм) и фиолетово-голубые (400—500 нм), наимень­шее — желто-зеленые (500—600 нм). Последние отражаются, что и придает хлорофиллоносным растениям зеленую окраску.

Однако свет не только энергетический ресурс, но и важней­ший экологический фактор, весьма существенно влияющий на биоту в целом и на адаптационные процессы и явления в орга­низмах.

За пределами видимого спектра и ФАР остаются инфра­красная (ИК) и ультрафиолетовая (УФ) области. УФ-излучение несет много энергии и обладает фотохимическим воздейст­вием — организмы к нему очень чувствительны. ИК-излучение обладает значительно меньшей энергией, легко поглощается водой, но некоторые сухопутные организмы используют его для поднятия температуры тела выше окружающей.

Важное значение для организмов имеет интенсивность ос­вещения. Растения по отношению к освещенности подразделя­ются на светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (сциофиты) и теневыносливые.

Первые две группы обладают разными диапазонами толе­рантности в пределах экологического спектра освещенности. Яркий солнечный свет — оптимум гелиофитов (луговые тра­вы, хлебные злаки, сорняки и др.), слабая освещенность — оп­тимум тенелюбивых (растения таежных ельников, лесостеп­ных дубрав, тропических лесов). Первые не выносят тени, вто­рые — яркого солнечного света.

Теневыносливые растения имеют широкий диапазон толе­рантности к свету и могут развиваться как при яркой освещен­ности, так и в тени.

Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает орные адаптации организмов. Одним из самых надежных сигналов, регулирующих активность организмов во времени, является длина дня — фотопериод.

фотопериодизм как явление — это реакция организма на сезонные изменения длины дня. Длина дня в данном месте, в данное время года всегда одинакова, что позволяет растению и животному определиться на данной широте со временем года, т. е. временем начала цветения, созревания и т. п. Иными сло­вами, фотопериод — это некое «реле времени», или «пусковой механизм», включающий последовательность физиологических процессов в живом организме.

Фотопериодизм нельзя отождествлять с обычными внеш­ними суточными ритмами, обусловленными просто сменой дня и ночи. Однако суточная цикличность жизнедеятельности у жи­вотных и человека переходит во врожденные свойства вида, т. е. становится внутренними (эндогенными) ритмами. Но в отличие от изначально внутренних ритмов их продолжитель­ность может не совпадать с точной цифрой — 24 часа — на 15— 20 минут, и в связи с этим, такие ритмы называют циркадны-ми (в переводе — близкие к суткам).

Эти ритмы помогают организму чувствовать время, и эту способность называют «биологическими часами». Они помога­ют птицам при перелетах ориентироваться по солнцу и вообще ориентируют организмы в более сложных ритмах природы.

Фотопериодизм, хотя и наследственно закреплен, прояв­ляется лишь в сочетании с другими факторами, например тем­пературой: если в день X холодно, то растение зацветает поз­же, или в случае с вызреванием — если холод наступает рань­ше дня X, то, скажем, картофель дает низкий урожай, и т. п. В субтропической и тропической зоне, где длина дня по сезонам года меняется мало, фотопериод не может служить важным экологическим фактором — на смену ему приходит чередова­ние засушливых и дождливых сезонов, а в высокогорье глав­ным сигнальным фактором становится температура.

Так же, как на растениях, погодные условия отражаются на пойкилотермных животных, а гомойотермные отвечают на это изменениями в своем поведении: изменяются сроки гнездова­ния, миграции и др.

Человек научился использовать описанные выше явления.

Длину светового дня можно изменять искусственно, тем са­мым изменяя сроки цветения и плодоношения растений (выра­щивание рассады еще в зимний период и даже плодов в тепли­цах), увеличивая яйценоскость кур, и др.

Развитие живой природы по сезонам года происходит в со­ответствии сбиоклиматическим законом, который носит имя Хопкинса: сроки наступления различных сезонных явлений (фе-нодат) зависят от широты, долготы местности и ее высоты над уровнем моря. Значит, чем севернее, восточнее и выше ме­стность, тем позже наступает весна и раньше осень. Для Евро­пы на каждом градусе широты сроки сезонных событий насту­пают через три дня, в Северной Америке — в среднем через четыре дня на каждый градус широты, на пять градусов долго­ты и на 120 м высоты над уровнем моря.

Знание фенодат имеет большое значение для планирова­ния различных сельхозработ и других хозяйственных мероприя­тий.

Ионизирующее излучение, последствия для здоровья и защитные меры

Что такое ионизирующее излучение? 

Ионизирующее излучение — это вид энергии, высвобождаемой атомами в форме электромагнитных волн (гамма- или рентгеновское излучение) или частиц (нейтроны, бета или альфа). Спонтанный распад атомов называется радиоактивностью, а избыток возникающей при этом энергии является формой ионизирующего излучения. Нестабильные элементы, образующиеся при распаде и испускающие ионизирующее излучение, называются радионуклидами.

Все радионуклиды уникальным образом идентифицируются по виду испускаемого ими излучения, энергии излучения и периоду полураспада.

Активность, используемая в качестве показателя количества присутствующего радионуклида, выражается в единицах, называемых беккерелями (Бк): один беккерель — это один акт распада в секунду. Период полураспада — это время, необходимое для того, чтобы активность радионуклида в результате распада уменьшилась наполовину от его первоначальной величины. Период полураспада радиоактивного элемента — это время, в течение которого происходит распад половины его атомов. Оно может находиться в диапазоне от долей секунды до миллионов лет (например, период полураспада йода-131 составляет 8 дней, а период полураспада углерода-14 — 5730 лет).

Источники излучения

Люди каждый день подвергаются воздействию естественного и искусственного излучения. Естественное излучение происходит из многочисленных источников, включая более 60 естественным образом возникающих радиоактивных веществ в почве, воде и воздухе. Радон, естественным образом возникающий газ, образуется из горных пород, почвы и является главным источником естественного излучения. Ежедневно люди вдыхают и поглощают радионуклиды из воздуха, пищи и воды.

Люди подвергаются также воздействию естественного излучения из космических лучей, особенно на большой высоте. В среднем 80% ежегодной дозы, которую человек получает от фонового излучения, это естественно возникающие наземные и космические источники излучения. Уровни такого излучения варьируются в разных реогрфических зонах, и в некоторых районах уровень может быть в 200 раз выше, чем глобальная средняя величина.

На человека воздействует также излучение из искусственных источников — от производства ядерной энергии до медицинского использования радиационной диагностики или лечения. Сегодня самыми распространенными искусственными источниками ионизирующего излучения являются медицинские аппараты, как рентгеновские аппараты, и другие медицинские устройства.

Воздействие ионизирующего излучения

Воздействие излучения может быть внутренним или внешним и может происходить различными путями.

Внутренне воздействие ионизирующего излучения происходит, когда радионуклиды вдыхаются, поглощаются или иным образом попадают в кровообращение (например, в результате инъекции, ранения). Внутреннее воздействие прекращается, когда радионуклид выводится из организма либо самопроизвольно (с экскрементами), либо в результате лечения.

Внешнее радиоактивное заражение может возникнуть, когда радиоактивный материал в воздухе (пыль, жидкость, аэрозоли) оседает на кожу или одежду. Такой радиоактивный материал часто можно удалить с тела простым мытьем.

Воздействие ионизирующего излучения может также произойти в результате внешнего излучения из соответствующего внешнего источника (например, такое как воздействие радиации, излучаемой медицинским рентгеновским оборудованием). Внешнее облучение прекращается в том случае, когда источник излучения закрыт, или когда человек выходит за пределы поля излучения.

Люди могут подвергаться воздействию ионизирующего излучения в различных обстоятельствах: дома или в общественных местах (облучение в общественных местах), на своих рабочих местах (облучение на рабочем месте) или в медицинских учреждениях (пациенты, лица, осуществляющие уход, и добровольцы).

Воздействие ионизирующего излучения можно классифицировать по трем случаям воздействия.

Первый случай — это запланированное воздействие, которое обусловлено преднамеренным использованием и работой источников излучения в конкретных целях, например, в случае медицинского использования излучения для диагностики или лечения пациентов, или использование излучения в промышленности или в целях научных исследований.

Второй случай — это существующие источники воздействия, когда воздействие излучения уже существует и в случае которого необходимо принять соответствующие меры контроля, например, воздействие радона в жилых домах или на рабочих местах или воздействие фонового естественного излучения в условиях окружающей среды.

Последний случай — это воздействие в чрезвычайных ситуациях, обусловленных неожиданными событиями, предполагающими принятие оперативных мер, например, в случае ядерных происшествий или злоумышленных действий.

На медицинское использование излучения приходится 98% всей дозы облучения из всех искусственных источников; оно составляет 20% от общего воздействия на население.  Ежегодно в мире проводится 3 600 миллионов радиологических обследований в целях диагностики, 37 миллионов процедур с использованием ядерных материалов и 7,5 миллиона процедур радиотерапии в лечебных целях.

Последствия ионизирующего излучения для здоровья

Радиационное повреждение тканей и/или органов зависит от полученной дозы облучения или поглощенной дозы, которая выражается в грэях (Гр).

Эффективная доза используется для измерения ионизирующего излучения с точки зрения его потенциала причинить вред. Зиверт (Зв) — единица эффективной дозы, в которой учитывается вид излучения и чувствительность ткани и органов.  Она дает возможность измерить ионизирующее излучение с точки зрения потенциала нанесения вреда. Зв учитывает вид радиации и чувствительность органов и тканей. 

Зв является очень большой единицей, поэтому более практично использовать меньшие единицы, такие как миллизиверт (мЗв) или микрозиверт (мкЗв). В одном мЗв содержится тысяча мкЗв, а тысяча мЗв составляют один Зв. Помимо количества радиации (дозы), часто полезно показать скорость выделения этой дозы, например мкЗв/час или мЗв/год. 

Выше определенных пороговых значений облучение может нарушить функционирование тканей и/или органов и может вызвать острые реакции, такие как покраснение кожи, выпадение волос, радиационные ожоги или острый лучевой синдром. Эти реакции являются более сильными при более высоких дозах и более высокой мощности дозы. Например, пороговая доза острого лучевого синдрома составляет приблизительно 1 Зв (1000 мЗв).

Если доза является низкой и/или воздействует длительный период времени (низкая мощность дозы), обусловленный этим риск существенно снижается, поскольку в этом случае увеличивается вероятность восстановления поврежденных тканей. Тем не менее риск долгосрочных последствий, таких как рак, который может проявиться через годы и даже десятилетия, существует. Воздействия этого типа проявляются не всегда, однако их вероятность пропорциональна дозе облучения. Этот риск выше в случае детей и подростков, так как они намного более чувствительны к воздействию радиации, чем взрослые.

Эпидемиологические исследования в группах населения, подвергшихся облучению, например людей, выживших после взрыва атомной бомбы, или пациентов радиотерапии, показали значительное увеличение вероятности рака при дозах выше 100 мЗв. В ряде случаев более поздние эпидемиологические исследования на людях, которые подвергались воздействию в детском возрасте в медицинских целях (КТ в детском возрасте), позволяют сделать вывод о том, что вероятность рака может повышаться даже при более низких дозах (в диапазоне 50-100 мЗв).

Дородовое воздействие ионизирующего излучения может вызвать повреждение мозга плода при сильной дозе, превышающей 100 мЗв между 8 и 15 неделей беременности и 200 мЗв между 16 и 25 неделей беременности. Исследования на людях показали, что до 8 недели или после 25 недели беременности связанный с облучением риск для развития мозга плода отсутствует. Эпидемиологические исследования свидетельствуют о том, что риск развития рака у плода после воздействия облучения аналогичен риску после воздействия облучения в раннем детском возрасте.

Деятельность ВОЗ

ВОЗ разработала радиационную программу защиты пациентов, работников и общественности от опасности воздействия радиации на здоровье в планируемых, существующих и чрезвычайных случаях воздействия. Эта программа, которая сосредоточена на аспектах общественного здравоохранения, охватывает деятельность, связанную с оценкой риска облучения, его устранением и информированием о нем.

В соответствии с основной функцией, касающейся «установления норм и стандартов, содействия в их соблюдении и соответствующего контроля» ВОЗ сотрудничает с 7 другими международными организациями в целях пересмотра и обновления международных стандартов базовой безопасности, связанной с радиацией (СББ). ВОЗ приняла новые международные СББ в 2012 году и в настоящее время проводит работу по оказанию поддержки в осуществлении СББ в своих государствах-членах.

 

Источники света в оптической микроскопии – Д-микро

В оптической микроскопии источник света играет очень важное значение в формировании изображения. Грамотный выбор источника света позволяет успешно проводить множество исследований, будь то рутинная задача анализа мазка или гистологического препарата, вплоть до сложнейшей многоканальной конфокальной микроскопии. В статье мы рассмотрим самые популярные на сегодняшний момент источники света, преимущества и недостатки «конкурирующих» систем для решения схожих задач, возможности применения того или иного источника света в зависимости от поставленной задачи.

Галогенная лампа (Halogen bulb)

Галогенные лампы в современных микроскопах встречаются наиболее часто, хотя в последнее время их активно вытесняет светодиодное освещение. Их основное применение – светлопольная микроскопия в отраженном и проходящем свете. Поляризационные исследования, решение множества материаловедческих и биологических задач, где необходимо получать изображения в видимом свете без применения флуоресценции.

Галогенная лампа 6V 20W широко используется в рутинных микроскопах проходящего света

В микроскопах используются галогенные лампы различной мощности (от 20 до 100 Вт). Цветовая температура галогенных ламп находится в районе 3400К (100W Philips 7023). Свет галогенных ламп подчеркивает теплые тона, смещен в сторону теплых оттенков, поэтому для получения изображений, приближенных к цветовой температуре дневного освещения, обычно используют цветобалансирующий фильтр (LBD или Daylight filter).

LBD фильтр для коррекции цветовой температуры 100 Вт галогенной лампы

Достоинства галогенных ламп – малый размер осветителей, отсутствие необходимости активного охлаждения (достаточно пассивной вентиляции), невысокая стоимость и хорошая цветопередача.
К недостаткам можно отнести сравнительно низкую яркость, малый срок службы около 50 часов.

Ртутная флуоресцентная/люминесцентная лампа HBO (Mercury HBO Lamp)

Ртутные газоразрядные лампы высокого давления применяются для получения качественных флуоресцентных изображений. Они в 10-100 раз ярче ламп накаливания и могут обеспечить интенсивное освещение в выбраном диапазоне длин волн по всей видимой и УФ области спекта при использовании соответсвующих фильтров.
Этот источник света очень надежен и дает хорошую плотность светового потока.

Ртутная флуоресцентная лампа HBO 100

Самой популярной ртутной лампой, применяемой в микроскопии, является лампа HBO 100W. Уникальная спектральная характеристика лампы идеально подходит для исследователей, занимающихся флуоресценцией. Только треть спектра испускания лампы находится в видимой области. Около половины спектра лежит в ультрафиолетовой области, поэтому при работе с подобными источниками необходимо уделять должное внимание защите, в первую очередь, глаз исследователя, а во вторую очередь, стойкости к УФ излучению исследуемых препаратов. Остальная часть излучения ртутной лампы рассеивается в виде теплового длинноволнового ИК излучения.

Спектральная интенсивность ртутной лампы HBO 100

Ртутная газоразрядная лампа имеет одно из самых высоких значений яркости среди непрерывно работающих источников света и очень тесно приближена к идеальной модели точечного источника света. Тем не менее, ртутные лампы имеют большие колебания интенсивности, зависящие от эрозии электродов, магнитных полей в помещении, а также периодическое отклонение дуги (флаттер), возникающее из-за конвекционных потоков в парах ртути. Эти особенности ртутной лампы препятствуют ее использованию в количественных оценках флуоресценции (измерение яркости флуоресценции и т.п.)

Ламповый домик ртутной лампы HBO 50. Имеются регулировочные винты настройки положения лампы, зеркала а также мощный радиатор, позволяющий отводить тепловое излучение.

Помимо перечисленных артефактов дуговой природы света ртутной лампы, у нее есть ряд следующих недостатков: малый срок службы (200 часов), значительное изменение спектральной характеристики в зависимости от возраста лампы, необходимость временных промежутков между включениями для полного остывания лампы.
В типовой конфигурации оптического микроскопа, ртутная лампа находится внутри специализированного осветителя, состоящего из корпуса лампы, вогнутого зеркального рефлектора, а также регулируемой системы линз коллектора для фокусировки дуги лампы.

В зависимости от конструкции, ртутный ламповый домик (это микроскопический термин, в английском языке lamphouse) может также содержать фильтры, блокирующие УФ излучение лампы, а также Hot Mirror фильтры для снижения теплового излучения, нагревающего внутренние линзы микроскопа и исследуемый образец.

Ртутная лампа требует тщательной юстировки для освещения образца равномерным полем максимальной интенсивности. Подробно настройка ртутного лампового домика описана в статье «Юстировка лампового домика флуоресцентной лампы HBO».

 

Металлогалоидные лампы (Metal Halide Arc Lamps)

Сегодня металлогалоидные лампы постепенно вытесняют ртутные и ксеноновые лампы с позиции флуоресцентных источников.

Конструктивно такие осветители выполнены в виде высокопроизводительной дуговой лампы, размещенной на эллиптическом отражателе. Отражатель фокусирует свет на торце жидкого световода для последующей передачи его на вход оптической системы микроскопа. Иногда металлогалоидные осветители дополнены колесами фильтров (filter wheels) для выбора необходимой длины волны возбуждения, а также специальными шиберами и нейтральными фильтрами для коррекции плотности и интенсивности освещения. Спектр металлогалоидной лампы имеет схожие очертания с «ртутным» спектром, однако более сильная межпиковая интенсивность вместе с большей шириной пиков позволяет получать флуоресценцию на 50% мощнее чем ртутные лампы HBO 100.

Спектральная чувствительность металлогалоидной лампы в сравнении со ртутной лампой HBO. Интенсивность пиков металлогалоидной лампы немного ниже, но мощность в межпиковых областях и ширина пиков позволяют получать качественные флуоресцентные изображения.

Металлогалоидные лампы прекрасно подходят для экспериментов с живыми клетками с использованием EGFP (зеленый флуоресцентный белок). Кроме того они производят гораздо более равномерное освещение в пространстве из-за конструкции жидкого световода и конденсора. Более равномерная жизненная характеристика лампы вместе со сроком службы в 2 тысячи часов (против 200 часов у ртутных осветителей) позволяют проводить количественные анализы флуоресценции.

 

Светодиодные источники света (Light-Emitting Diodes, LEDs)

Светодиодные источники света – самое перспективное направление из новых технологий в микроскопии. Эти универсальные полупроводниковые осветители обладают всеми функциями ламп накаливания и газоразрядных ламп, имея при этом возможность работать от батареек, а также низковольтных и недорогих импульсных блоков питания.

Разнообразные спектральные характеристики LED осветителей позволяют выбрать необходимый светодиод и установить оптимальное возбуждение в диапазоне длин волн, охватывающем ультрафиолетовую, видимую и ближнюю ИК области.  Кроме того, новые мощные светодиоды обладают достаточной интенсивностью для получения качественного флуоресцентного изображения.

Спектральная характеристика светодиодов, использующихся в световой микроскопии.

Компактные светодиоды можно комбинировать в одном ламповом блоке для получения мультиканального флуоресцентного изображения, либо для получения UV и видимого изображения.

Светодиодный осветитель, комбинирующий три светодиодных источника при помощи полупрозрачных зеркал. Позволяет работать с мультиканальной флуоресценцией.

Существует возможность устанавливать современные светодиодные осветители в микроскопы заказчика вне зависимости от возраста и состояния прибора. Эта процедура позволяет вывести качество изображения на новый уровень при использовании старой оптики и при минимальных финансовых затратах. Подробнее об этом можно прочитать в статье Модернизация микроскопа. LED Освещение.

1.1: Природа света

Навыки для развития

• Объясните основное поведение волн, включая бегущие и стоячие волны
• Опишите волновую природу света
• Используйте соответствующие уравнения для вычисления связанных свойств световой волны, таких как период, частота, длина волны и энергия

Видео \ (\ PageIndex {1} \): Свет — это частица или волна? В этом разделе мы исследуем ответы на этот вопрос.

Природа света была предметом исследования с древних времен. В семнадцатом веке Исаак Ньютон провел эксперименты с линзами и призмами и смог продемонстрировать, что белый свет состоит из отдельных цветов радуги, объединенных вместе. Ньютон объяснил свои открытия в оптике «корпускулярным» взглядом на свет, в котором свет состоит из потоков чрезвычайно крошечных частиц, движущихся с высокими скоростями в соответствии с законами движения Ньютона. Другие в семнадцатом веке, такие как Христиан Гюйгенс, показали, что оптические явления, такие как отражение и преломление, могут быть столь же хорошо объяснены с точки зрения света, как волны, движущиеся с высокой скоростью через среду, называемую «светоносным эфиром», которая, как считалось, пронизывала все Космос.В начале девятнадцатого века Томас Янг продемонстрировал, что свет, проходя через узкие, близко расположенные щели, создает интерференционные картины, которые нельзя объяснить с помощью ньютоновских частиц, но можно легко объяснить с помощью волн. Позже, в девятнадцатом веке, после того как Джеймс Клерк Максвелл разработал свою теорию электромагнитного излучения и показал, что свет является видимой частью обширного спектра электромагнитных волн, представление о свете в виде частиц было полностью дискредитировано.К концу девятнадцатого века ученые рассматривали физическую вселенную как примерно состоящую из двух отдельных областей: материи, состоящей из частиц, движущихся согласно законам движения Ньютона, и электромагнитного излучения, состоящего из волн, управляемых уравнениями Максвелла. Сегодня эти области называют классической механикой и классической электродинамикой (или классическим электромагнетизмом). Хотя было несколько физических явлений, которые нельзя было объяснить в рамках этой структуры, ученые в то время были настолько уверены в общей надежности этой структуры, что рассматривали эти аберрации как загадочные парадоксы, которые в конечном итоге каким-то образом будут разрешены в рамках этой структуры.Как мы увидим, эти парадоксы привели к современной структуре, которая тесно связывает частицы и волны на фундаментальном уровне, называемом дуальностью волна-частица, которая вытеснила классический взгляд.

Видимый свет и другие формы электромагнитного излучения играют важную роль в химии, поскольку их можно использовать для определения энергии электронов внутри атомов и молекул. Большая часть современных технологий основана на электромагнитном излучении. Например, радиоволны от мобильного телефона, рентгеновские лучи, используемые стоматологами, энергия, используемая для приготовления пищи в вашей микроволновой печи, лучистое тепло от раскаленных докрасна объектов и свет экрана вашего телевизора — это формы электромагнитного излучения, которые все демонстрируют волнообразное поведение.

Волны

Видео \ (\ PageIndex {2} \): Исследование света как волны.

Волна — это колебание или периодическое движение, которое может переносить энергию из одной точки пространства в другую. Обычные примеры волн встречаются повсюду. Встряхивание конца веревки передает энергию от руки к другому концу веревки, падение камешка в пруд заставляет волны подниматься наружу вдоль поверхности воды, а расширение воздуха, которое сопровождает удар молнии, генерирует звуковые волны (гром ), которые могут путешествовать на несколько миль. В каждом из этих случаев кинетическая энергия передается через материю (веревку, воду или воздух), в то время как материя остается практически на месте. Поучительный пример волны возникает на спортивных стадионах, когда болельщики в узкой зоне сидений одновременно поднимаются и стоят с поднятыми вверх руками в течение нескольких секунд, прежде чем снова сесть, в то время как болельщики в соседних частях также встают и садятся по очереди. Хотя эта волна может быстро охватить большой стадион за несколько секунд, никто из фанатов на самом деле не движется вместе с волной — все они остаются на своих местах или над ними.

Волнам не нужно ограничивать движение сквозь материю. Как показал Максвелл, электромагнитные волны состоят из электрического поля, колеблющегося синхронно с перпендикулярным магнитным полем, оба из которых перпендикулярны направлению движения. Эти волны могут распространяться в вакууме с постоянной скоростью 2,998 × 10 ⁸ м / с, скоростью света (обозначается как c ).

Все волны, включая формы электромагнитного излучения, характеризуются длиной волны (обозначается λ , строчная греческая буква лямбда), частотой (обозначается ν , строчной греческой буквой ню) и амплитудой.Как видно на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), длина волны — это расстояние между двумя последовательными пиками или впадинами волны (измеряется в метрах в системе СИ). Электромагнитные волны имеют длины волн, которые попадают в огромный диапазон — длины волн от километров (10 ³ м) до пикометров (10 ⁻¹² м) наблюдались. Частота — это количество волновых циклов, которые проходят определенную точку в пространстве за определенный промежуток времени (в системе СИ это измеряется в секундах).Цикл соответствует одной полной длине волны. Единицей измерения частоты, выраженной в циклах в секунду [с ^-1 ], является герц (Гц). Общие кратные этого устройства — мегагерцы (1 МГц = 1 × 10 ⁶ Гц) и гигагерцы (1 ГГц = 1 × 10 ⁹ Гц). Амплитуда соответствует величине смещения волны, поэтому на рисунке это соответствует половине высоты между пиками и впадинами. Амплитуда связана с интенсивностью волны, которая для света — это яркость, а для звука — громкость.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Одномерные синусоидальные волны показывают взаимосвязь между длиной волны, частотой и скоростью. Волна с самой короткой длиной волны имеет самую высокую частоту. Амплитуда равна половине высоты волны от пика до впадины.

Произведение длины волны ( λ ) и ее частоты ( ν ), λν , и есть скорость волны. Так, для электромагнитного излучения в вакууме:

\ [c = \ mathrm {2.{−1}} = λν \ label {6.2.1} \]

Длина волны и частота обратно пропорциональны: с увеличением длины волны частота уменьшается. Обратная пропорциональность показана на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). На этом рисунке также показан электромагнитный спектр, диапазон всех видов электромагнитного излучения. Каждый из различных цветов видимого света имеет определенные частоты и длины волн, связанные с ними, и вы можете видеть, что видимый свет составляет лишь небольшую часть электромагнитного спектра.Поскольку технологии, разработанные для работы в различных частях электромагнитного спектра, различны, по причинам удобства и исторического наследия, для разных частей спектра обычно используются разные единицы. Например, радиоволны обычно указываются как частоты (обычно в единицах МГц), тогда как видимая область обычно указывается в длинах волн (обычно в единицах нм или ангстремах).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Части электромагнитного спектра показаны в порядке убывания частоты и увеличения длины волны.Примеры некоторых приложений для различных длин волн включают сканирование позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), получение рентгеновских изображений, дистанционное управление, беспроводной Интернет, сотовые телефоны и радио. (кредит «Космический луч»: модификация работы НАСА; кредит «ПЭТ-сканирование»: модификация работы Национального института здравоохранения; кредит «Рентген»: модификация работы доктора Йохена Ленгерке; кредит «Стоматологическое лечение» : модификация работы военно-морского ведомства; кредит «Ночное видение»: модификация работы министерства армии; кредит «Remote»: модификация работы Эмилиана Роберта Виколя; кредит «Сотовый телефон»: модификация работы Бретт Джордан; кредит «Микроволновая печь»: модификация работы Билли Мабрея; кредит «Ультразвук»: модификация работы Джейн Уитни; кредит «AM-радио»: модификация работы Дэйва Клаузена)

Область Тера-Герц

Терагерцовое излучение — это область электромагнитного спектра с частотами 0. От 3 до 3 ТГц (или от 1 мм до 0,1 мм) и ранее определялся как микроволновые радиоволны или дальний ИК-диапазон. Из-за того, что он предназначен для микроволн и инфракрасного излучения, ученые начали называть этот регион «терагерцовым промежутком». Из-за способности нескольких атмосферных газов поглощать энергию в этой области спектра он не подходит для радиосвязи, но За последнее десятилетие было проведено множество исследований использования технологий в этой области спектра. Чтобы узнать больше об этом, посетите здесь или здесь.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): определение частоты и длины волны излучения

Натриевый уличный фонарь излучает желтый свет с длиной волны 589 нм (1 нм = 1 × 10 ⁻⁹ м). Какая частота у этого света?

Решение

Мы можем переставить уравнение \ ref {6.2.1}, чтобы найти частоту:

\ [\ nu = \ dfrac {c} {λ} \]

Поскольку c выражается в метрах в секунду, мы также должны преобразовать 589 нм в метры. {−1}} \]

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Одна из частот, используемых для передачи и приема сигналов сотовых телефонов в США, составляет 850 МГц. Какая длина в метрах этих радиоволн?

Видео \ (\ PageIndex {3} \): Краткое описание поведения света как волны.

Беспроводная связь

Многие ценные технологии работают в радиодиапазоне (3 кГц — 300 ГГц) частотной области электромагнитного спектра.На низкочастотном (низкоэнергетическом, длинноволновом) конце этой области находятся радиосигналы AM (амплитудная модуляция) (540–2830 кГц), которые могут передаваться на большие расстояния. Радиосигналы FM (частотная модуляция) используются на более высоких частотах (87,5-108,0 МГц). В AM-радио информация передается путем изменения амплитуды волны (Рисунок \ (\ PageIndex {5} \)). В FM-радио, напротив, амплитуда постоянна, а мгновенная частота меняется.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Вышки радиосвязи и сотовой связи обычно используются для передачи длинноволнового электромагнитного излучения. Все чаще вышки сотовой связи проектируются так, чтобы гармонировать с ландшафтом, как в Тусоне, штат Аризона, вышка сотовой связи (справа), замаскированная под пальму. (слева: модификация работы сэра Милдред Пирс; в середине: модификация работы М.О. Стивенса)

Другие технологии также работают в радиоволновой части электромагнитного спектра. Например, сигналы сотовых телефонов 4G имеют частоту около 880 МГц, а сигналы глобальной системы позиционирования (GPS) работают на частотах 1,228 и 1.575 ГГц, локальные беспроводные сети (Wi-Fi) работают на частотах от 2,4 до 5 ГГц, а датчики дорожных сборов работают на частоте 5,8 ГГц. Частоты, связанные с этими приложениями, удобны, потому что такие волны, как правило, не сильно поглощаются обычными строительными материалами.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): На этой схеме показано, как амплитудная модуляция (AM) и частотная модуляция (FM) могут использоваться для передачи радиоволн.

Одно особенно характерное явление волн возникает при контакте двух или более волн: они интерферируют друг с другом. На рисунке \ (\ PageIndex {5} \) показаны интерференционные картины, которые возникают, когда свет проходит через узкие щели, расположенные близко друг от друга на расстоянии длины волны друг от друга. Образцы полос зависят от длины волны, при этом полосы расположены более близко друг к другу, чтобы свет с более короткой длиной волны проходил через заданный набор щелей. Когда свет проходит через две щели, каждая щель эффективно действует как новый источник, в результате чего две близко расположенные волны вступают в контакт с детектором (в данном случае камерой).Темные области на рисунке \ (\ PageIndex {5} \) соответствуют областям, где пики для волны из одной щели совпадают с впадинами для волны из другой щели (деструктивная интерференция), а самые яркие области соответствуют области, в которых пики двух волн (или их двух впадин) совпадают (конструктивная интерференция). Точно так же, когда два камня бросают близко друг к другу в пруд, интерференционные картины видны во взаимодействиях между волнами, создаваемыми камнями. Такие интерференционные картины нельзя объяснить движением частиц по законам классической механики.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Образцы интерференционных полос показаны для света, проходящего через две близко расположенные узкие щели. Расстояние между полосами зависит от длины волны, при этом полосы более близко расположены для более коротковолнового синего света. (кредит: PASCO)

Дороти Ходжкин

Поскольку длины волн рентгеновских лучей (10-10 000 пикометров [пм]) сравнимы с размерами атомов, рентгеновские лучи можно использовать для определения структуры молекул.Когда пучок рентгеновских лучей проходит через молекулы, упакованные вместе в кристалле, рентгеновские лучи сталкиваются с электронами и рассеиваются. Конструктивная и деструктивная интерференция этих рассеянных рентгеновских лучей создает специфическую дифракционную картину. Рассчитывая назад по этой схеме, можно очень точно определить положение каждого из атомов в молекуле. Одним из пионеров, которые помогли создать эту технологию, была Дороти Кроуфут Ходжкин.

Она родилась в Каире, Египет, в 1910 году, где ее британские родители изучали археологию.Еще в юности она увлекалась минералами и кристаллами. Когда она была студенткой Оксфордского университета, она начала исследовать, как рентгеновскую кристаллографию можно использовать для определения структуры биомолекул. Она изобрела новые методы, которые позволили ей и ее ученикам определить структуру витамина B ₁₂ , пенициллина и многих других важных молекул. Диабет, заболевание, которым страдают 382 миллиона человек во всем мире, связано с гормоном инсулином. Ходжкин начала изучать структуру инсулина в 1934 году, но потребовалось несколько десятилетий прогресса в этой области, прежде чем она наконец сообщила о структуре в 1969 году.Понимание структуры привело к лучшему пониманию болезни и вариантов лечения.

Не все волны являются бегущими волнами. Стоячие волны (также известные как стационарные волны) остаются ограниченными в некоторой области пространства. Как мы увидим, стоячие волны играют важную роль в нашем понимании электронной структуры атомов и молекул. Простейшим примером стоячей волны является одномерная волна, связанная с колеблющейся струной, которая фиксируется в двух конечных точках.На рисунке \ (\ PageIndex {6} \) показаны четыре стоячие волны с наименьшей энергией (основная волна и три низшие гармоники) для колеблющейся струны с определенной амплитудой. Хотя струна движется в основном в плоскости, сама волна считается одномерной, так как она проходит по длине струны. Движение сегментов струны в направлении, перпендикулярном длине струны, порождает волны, и поэтому амплитуда волн видна как максимальное смещение кривых, показанных на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).Ключевое наблюдение из рисунка состоит в том, что могут образовываться только те волны, которые имеют целое число n половин длин волн между конечными точками. Система с фиксированными конечными точками, такая как эта, ограничивает количество и тип возможных сигналов. Это пример квантования, в котором наблюдаются только дискретные значения из более общего набора непрерывных значений некоторого свойства. Еще одно важное наблюдение заключается в том, что все гармонические волны (волны, отображающие более половины длины волны) имеют одну или несколько точек между двумя конечными точками, которые не находятся в движении.Эти особые точки являются узлами. Энергии стоячих волн заданной амплитуды в колеблющейся струне возрастают с увеличением числа полуволн n . Поскольку количество узлов составляет n — 1, можно также сказать, что энергия зависит от количества узлов, как правило, возрастая с увеличением числа узлов.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Вибрирующая струна показывает некоторые одномерные стоячие волны. Поскольку две конечные точки струны удерживаются фиксированными, могут образовываться только волны, имеющие целое число полуволн.Точки на веревке между конечными точками, которые не двигаются, называются узлами.

Пример двумерных стоячих волн показан на рисунке \ (\ PageIndex {7} \), который показывает колебательные узоры на плоской поверхности. Хотя амплитуды колебаний нельзя увидеть так, как они могли бы быть в колеблющейся струне, узлы стали видимыми, посыпав поверхность барабана порошком, который собирается на участках поверхности с минимальным смещением. Для одномерных стоячих волн узлы были точками на линии, но для двумерных стоячих волн узлами являются линии на поверхности (для трехмерных стоячих волн узлами являются двумерные поверхности в трехмерном пространстве). объем).Из-за круговой симметрии поверхности барабана его граничные условия (поверхность барабана жестко ограничена окружностью барабана) приводят к двум типам узлов: радиальным узлам, которые охватывают все углы с постоянным радиусом и, таким образом, видны как круги вокруг центра и угловые узлы, которые охватывают все радиусы под постоянными углами и, таким образом, видны как линии, проходящие через центр. Верхнее левое изображение на рисунке \ (\ PageIndex {7} \) показывает два радиальных узла, в то время как изображение в правом нижнем углу показывает колебательный паттерн, связанный с тремя радиальными узлами и двумя угловыми узлами.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \) : Двумерные стоячие волны можно визуализировать на вибрирующей поверхности. Поверхность присыпана порошком, который собирается около узловых линий. Видны два типа узлов: радиальные узлы (круги) и угловые узлы (радиусы). Чтобы посмотреть более анимированное видео, перейдите по этой ссылке.

Радиальные узлы и Imogen Heap

Вы можете наблюдать за формированием различных радиальных узлов внизу, пока певица Имоджен Хип проецирует свой голос на барабан.

Видео \ (\ PageIndex {4} \): Певица Имоджен Хип проецирует свой голос на барабан.

Излучение черного тела и ультрафиолетовая катастрофа

Последние несколько десятилетий девятнадцатого века стали свидетелями интенсивной исследовательской деятельности по коммерциализации недавно открытого электрического освещения. Это потребовало лучшего понимания распределения света, излучаемого различными рассматриваемыми источниками. Искусственное освещение, как правило, имитирует естественный солнечный свет в пределах ограничений базовой технологии.Такое освещение состоит из диапазона широко распределенных частот, образующих непрерывный спектр. На рисунке \ (\ PageIndex {8} \) показано распределение длин волн солнечного света. Наиболее интенсивное излучение находится в видимой области, при этом интенсивность быстро спадает для более коротковолнового ультрафиолетового (УФ) света и медленнее для более длинноволнового инфракрасного (ИК) света.

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Спектральное распределение (интенсивность света в зависимости от длины волны) солнечного света достигает атмосферы Земли в виде ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света.Непоглощенный солнечный свет в верхней части атмосферы имеет распределение, которое приблизительно соответствует теоретическому распределению черного тела при 5250 ° C, представленному синей кривой. (кредит: модификация работы Американского общества испытаний материалов (ASTM) для эталонных наземных спектров для оценки фотоэлектрических характеристик)

На рисунке \ (\ PageIndex {8} \) солнечное распределение сравнивается с репрезентативным распределением, называемым спектром черного тела, которое соответствует температуре 5250 ° C. Спектр абсолютно черного тела достаточно хорошо совпадает со спектром Солнца. Черное тело — это удобный идеальный излучатель, который приближается к поведению многих материалов при нагревании. Он «идеален» в том же смысле, что идеальный газ — это удобное, простое представление реальных газов, которое хорошо работает, при условии, что давление не слишком высокое, а температура слишком низкая. Хорошее приближение к черному телу, которое можно использовать для наблюдения излучения черного тела, — это металлическая печь, которую можно нагреть до очень высоких температур.В духовке есть небольшое отверстие, через которое свет, излучаемый внутри духовки, можно наблюдать с помощью спектрометра, чтобы можно было измерить длины волн и их интенсивность. На рисунке \ (\ PageIndex {8} \) показаны полученные кривые для некоторых типичных температур. Каждое распределение зависит только от одного параметра: температуры. Максимумы на кривых черного тела, λ _max , смещаются в сторону более коротких длин волн при повышении температуры, отражая наблюдение, что металлы, нагретые до высоких температур, начинают светиться более темным красным цветом, который становится ярче при повышении температуры, в конечном итоге становясь белым горячим при очень высоких температурах, так как становится заметной интенсивность всех видимых длин волн. Это общее наблюдение лежало в основе первого парадокса, показавшего фундаментальные ограничения классической физики, которые мы рассмотрим.

Физики вывели математические выражения для кривых черного тела, используя общепринятые концепции из теорий классической механики и классического электромагнетизма. Теоретические выражения в зависимости от температуры хорошо соответствуют наблюдаемым экспериментальным кривым черного тела на более длинных волнах, но показывают значительные расхождения на более коротких длинах волн.Теоретические кривые не только не показывали пика, но и абсурдно показывали, что интенсивность становится бесконечно большой по мере уменьшения длины волны, что означает, что предметы повседневного обихода при комнатной температуре должны излучать большое количество УФ-света. Это стало известно как «ультрафиолетовая катастрофа», потому что никто не мог найти никаких проблем с теоретической трактовкой, которая могла бы привести к такому нереалистичному коротковолновому поведению. Наконец, около 1900 года Макс Планк вывел теоретическое выражение для излучения абсолютно черного тела, которое точно соответствовало экспериментальным наблюдениям (в пределах экспериментальной ошибки).Планк развил свою теоретическую трактовку, расширив более раннюю работу, основанную на предположении, что атомы, составляющие печь, колеблются с возрастающими частотами (или уменьшающимися длинами волн) при повышении температуры, причем эти колебания являются источником испускаемого электромагнитного излучения. Но там, где более ранние методы лечения позволяли вибрирующим атомам иметь любые значения энергии, полученные из непрерывного набора энергий (совершенно разумные, согласно классической физике), Планк обнаружил, что, ограничивая колебательные энергии дискретными значениями для каждой частоты, он мог получить выражение для излучения черного тела, интенсивность которого правильно быстро падает для коротких волн в УФ-области.

\ [E = nhν, \: n = 1,2,3, \ :. . . \]

Величина h — это постоянная, теперь известная как постоянная Планка в его честь. Хотя Планк был доволен, что разрешил парадокс излучения черного тела, он был обеспокоен тем, что для этого ему нужно было предположить, что колеблющимся атомам требуется квантованная энергия, которую он не мог объяснить. Значение постоянной Планка очень мало, 6,626 × 10 ^-34 джоуль-секунд (Дж · с), что помогает объяснить, почему квантование энергии не наблюдалось ранее в макроскопических явлениях.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Кривые спектрального распределения черного тела показаны для некоторых типичных температур.

Видео \ (\ PageIndex {5} \): Обзор ультрафиолетовой катастрофы.

Фотоэлектрический эффект

Следующий парадокс классической теории, который необходимо разрешить, касается фотоэлектрического эффекта (Рисунок \ (\ PageIndex {10} \)). Было замечено, что электроны могут быть выброшены с чистой поверхности металла, когда на нее падает свет с частотой выше некоторой пороговой частоты. Удивительно, но кинетическая энергия выброшенных электронов не зависела от яркости света, а возрастала с увеличением частоты света. Поскольку электроны в металле удерживают определенное количество энергии связи, падающий свет должен обладать большей энергией для освобождения электронов. Согласно классической волновой теории, энергия волны зависит от ее интенсивности (которая зависит от ее амплитуды), а не от ее частоты. Одна часть этих наблюдений заключалась в том, что количество электронов, выброшенных за определенный период времени, увеличивалось по мере увеличения яркости.В 1905 году Альберт Эйнштейн смог разрешить парадокс, включив результаты квантования Планка в дискредитированное представление о свете в виде частиц (Эйнштейн на самом деле получил Нобелевскую премию за эту работу, а не за теорию относительности, которой он наиболее известен).

Эйнштейн утверждал, что квантованные энергии, которые Планк постулировал в своей трактовке излучения черного тела, можно применить к свету в фотоэлектрическом эффекте, так что свет, падающий на металлическую поверхность, следует рассматривать не как волну, а как поток частиц. (позже называемые фотонами), энергия которых зависит от их частоты, согласно формуле Планка, E = hν (или, используя длину волны, используя c = νλ , \ (E = \ dfrac {hc} { λ} \)).Электроны выбрасывались при попадании фотонов с достаточной энергией (с частотой выше порога). Чем больше частота, тем больше кинетическая энергия передается убегающим электронам в результате столкновений. Эйнштейн также утверждал, что интенсивность света не зависит от амплитуды приходящей волны, а соответствует количеству фотонов, падающих на поверхность в течение заданного периода времени. Это объясняет, почему количество выброшенных электронов увеличивается с увеличением яркости, поскольку чем больше количество поступающих фотонов, тем больше вероятность того, что они столкнутся с некоторыми электронами.

С открытиями Эйнштейна природа света приобрела новую загадочность. Хотя многие световые явления можно объяснить либо с помощью волн, либо с помощью частиц, некоторые явления, такие как интерференционные картины, полученные при прохождении света через двойную щель, полностью противоречили представлению о свете частиц, в то время как другие явления, такие как фотоэлектрические эффект, были полностью противоположны волновому взгляду на свет. Каким-то образом на глубоком фундаментальном уровне, еще не полностью изученном, свет одновременно волнообразен и подобен частицам.Это известно как дуальность волна-частица.

Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): Фотоны с низкими частотами не обладают достаточной энергией, чтобы вызвать выброс электронов посредством фотоэлектрического эффекта. Для любой частоты света, превышающей пороговую, кинетическая энергия выброшенного электрона будет линейно увеличиваться с энергией падающего фотона.

Пример \ (\ PageIndex {2} \): расчет энергии излучения

Когда мы видим свет от неоновой вывески, мы наблюдаем излучение возбужденных атомов неона.{−19} \: J}
\ end {align *} \]

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

Микроволны в духовке имеют определенную частоту, которая нагревает молекулы воды, содержащиеся в пище. (Вот почему большинство пластиков и стекла не нагреваются в микроволновой печи — они не содержат молекул воды. ) Эта частота составляет примерно 3 × 10 ⁹ Гц. Какова энергия одного фотона в этих микроволнах?

Ответ

2 × 10 ⁻²⁴ Дж

Пример \ (\ PageIndex {3} \): Фотоэлектрический эффект

Определите, какие из следующих утверждений неверны, и, при необходимости, измените слово или фразу, выделенные курсивом, чтобы сделать их правдивыми, в соответствии с объяснением фотоэлектрического эффекта Эйнштейном.

1. Увеличение яркости падающего света увеличивает кинетическую энергию выброшенных электронов.
2. Увеличение длины волны входящего света увеличивает кинетическую энергию выброшенных электронов.
3. Увеличение яркости падающего света увеличивает количество выброшенных электронов.
4. Увеличение частоты входящего света может увеличить количество выброшенных электронов.

Решение

1. Ложь. Увеличение яркости падающего света не влияет на кинетическую энергию выброшенных электронов, . Только энергия, а не количество или амплитуда фотонов влияет на кинетическую энергию электронов.
2. Ложь. Увеличение частоты входящего света увеличивает кинетическую энергию выброшенных электронов. Частота пропорциональна энергии и обратно пропорциональна длине волны.Частоты выше порогового значения переводят избыточную энергию в кинетическую энергию электронов.
3. Верно. Поскольку количество столкновений с фотонами увеличивается с увеличением яркости света, увеличивается количество выброшенных электронов.
4. Верно в отношении пороговой энергии связывания электронов с металлом. Ниже этого порога электроны не испускаются, а выше — они. После превышения порогового значения дальнейшее увеличение частоты не приводит к увеличению количества выброшенных электронов

Упражнение \ (\ PageIndex {3} \)

Рассчитайте пороговую энергию в кДж / моль электронов в алюминии, учитывая, что фотон с самой низкой частотой, для которого наблюдается фотоэлектрический эффект, равен \ (9. {14} \; Гц \).

Ответ

\ (3.94 \: кДж / моль \)

Видео \ (\ PageIndex {6} \): Обзор фотоэлектрического эффекта.

Сводка

Видео \ (\ PageIndex {7} \): Обзор волновой природы света.

Свет и другие формы электромагнитного излучения движутся в вакууме с постоянной скоростью c , равной 2.998 × 10 ⁸ м с ⁻¹ . Это излучение демонстрирует волнообразное поведение, которое можно охарактеризовать частотой ν и длиной волны λ , так что c = λν . Свет — это пример бегущей волны. К другим важным волновым явлениям относятся стоячие волны, периодические колебания и колебания. Стоячие волны демонстрируют квантование, поскольку их длины волн ограничены дискретными целыми числами, кратными некоторым характерным длинам. Электромагнитное излучение, которое проходит через две близко расположенные узкие щели, имеющие размеры, примерно равные длине волны, покажет интерференционную картину, которая является результатом конструктивной и деструктивной интерференции волн. Электромагнитное излучение также демонстрирует свойства частиц, называемых фотонами. Энергия фотона связана с частотой (или, альтернативно, длиной волны) излучения как E = hν (или \ (E = \ dfrac {hc} {λ} \)), где h — постоянная Планка. Этот свет демонстрирует как волнообразное, так и частичное поведение, известное как дуальность волны-частицы. Все формы электромагнитного излучения обладают этими свойствами, хотя различные формы, включая рентгеновские лучи, видимый свет, микроволны и радиоволны, по-разному взаимодействуют с веществом и имеют очень разные практические применения.Электромагнитное излучение может быть вызвано возбуждением вещества до более высоких энергий, например, нагреванием. Излучаемый свет может быть либо непрерывным (источники накаливания, например, солнце), либо дискретным (от определенных типов возбужденных атомов). Непрерывные спектры часто имеют распределения, которые можно аппроксимировать как излучение абсолютно черного тела при некоторой соответствующей температуре. Линейчатый спектр водорода можно получить, пропустив свет от наэлектризованной трубки с газообразным водородом через призму. Этот линейчатый спектр был достаточно простым, чтобы из спектра можно было вывести эмпирическую формулу, называемую формулой Ридберга.Три исторически важных парадокса конца 19 — начала 20 веков, которые не могли быть объяснены в рамках существующих рамок классической механики и классического электромагнетизма, — это проблема черного тела, фотоэлектрический эффект и дискретные спектры атомов. Разрешение этих парадоксов в конечном итоге привело к квантовым теориям, которые вытеснили классические теории.

Предварительный просмотр раздела 1.2

Видео \ (\ PageIndex {8} \): Переход к следующему разделу…

Ключевые уравнения

• с = λν
• \ (E = hν = \ dfrac {hc} {λ} \), где h = 6,626 × 10 ⁻³⁴ Дж с

Глоссарий

амплитуда

степень смещения, вызванного волной (для синусоидальных волн это половина разницы между высотой пика и глубиной впадины, а интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды)

черное тело

идеальный идеальный поглотитель всего падающего электромагнитного излучения; такие тела излучают электромагнитное излучение в характерных непрерывных спектрах, называемых излучением черного тела

непрерывный спектр

электромагнитное излучение, испускаемое в непрерывной серии длин волн (например,г. , белый свет от солнца)

электромагнитное излучение

энергия, передаваемая волнами, имеющими компонент электрического поля и компонент магнитного поля

электромагнитный спектр

диапазон энергий, которое может содержать электромагнитное излучение, включая радио, микроволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-лучи; поскольку энергия электромагнитного излучения пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны, спектр также может быть задан диапазонами частот или длин волн

частота ( ν )

количество волновых циклов (пиков или впадин), которые проходят заданную точку в пространстве за единицу времени

герц (Гц)

единица частоты, которая представляет собой количество циклов в секунду, с ^-1

интенсивность

свойство энергии, распространяемой волной, связанное с амплитудой волны, например яркость света или громкость звука

картина интерференции

узор, обычно состоящий из чередующихся светлых и темных полос; возникает в результате конструктивной и деструктивной интерференции волн

узел

любая точка стоячей волны нулевой амплитуды

фотон

Наименьший возможный пакет электромагнитного излучения, частица света

квантование

встречается только в определенных дискретных значениях, а не непрерывно

стоячая волна

(также, стационарная волна) явление локализованной волны, характеризующееся дискретными длинами волн, определяемыми граничными условиями, используемыми для генерации волн; стоячие волны по своей природе квантованы

волна

колебание, которое может переносить энергию из одной точки в другую в пространстве

длина волны ( λ )

расстояние между двумя последовательными пиками или впадинами волны

дуальность волна-частица

термин, используемый для описания того факта, что элементарные частицы, включая материю, проявляют свойства как частиц (включая локализованное положение, импульс), так и волн (включая нелокализацию, длину волны и частоту)

Авторы

• Пол Флауэрс (Университет Северной Каролины — Пембрук), Клаус Теопольд (Университет Делавэра) и Ричард Лэнгли (Стивен Ф. Austin State University) с участвующими авторами. Учебный контент, созданный OpenStax College, находится под лицензией Creative Commons Attribution License 4.0. Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/85abf193-2bd…[email protected]).

• Аделаида Кларк, Технологический институт Орегона
• Crash Course Physics: ускоренный курс является подразделением Complexly, и видео можно бесплатно транслировать в образовательных целях.
• Crash Course Astronomy: Crash Course — это подразделение Complexly, и видео можно бесплатно транслировать в образовательных целях.
• Стремление TED-Ed создавать уроки, которыми стоит поделиться, является продолжением миссии TED по распространению великих идей. В растущей библиотеке TED-Ed анимаций вы найдете тщательно подобранные образовательные видео, многие из которых представляют собой сотрудничество между талантливыми педагогами и аниматорами, номинированными через веб-сайт TED-Ed.

Обратная связь

Хотите оставить отзыв об этом тексте? Кликните сюда.

Нашли опечатку и хотите получить дополнительный балл? Кликните сюда.

Волновая природа света

7.1: Волновая природа света

Природа света была предметом исследования с древних времен. В семнадцатом веке Исаак Ньютон провел эксперименты с линзами и призмами и смог продемонстрировать, что белый свет состоит из отдельных цветов радуги, объединенных вместе. Ньютон объяснил свои открытия в оптике «корпускулярным» взглядом на свет, в котором свет состоит из потоков чрезвычайно крошечных частиц, движущихся с высокими скоростями в соответствии с законами движения Ньютона.

Другие в семнадцатом веке, такие как Христиан Гюйгенс, показали, что оптические явления, такие как отражение и преломление, могут быть столь же хорошо объяснены с точки зрения света, как и волны, распространяющиеся с высокой скоростью через среду, называемую «светоносный эфир», которая, как считалось, пронизывала все пространство. В начале девятнадцатого века Томас Янг продемонстрировал, что свет, проходя через узкие, близко расположенные щели, создает интерференционные картины, которые нельзя объяснить с помощью ньютоновских частиц, но можно легко объяснить с помощью волн. Позже, в девятнадцатом веке, после того как Джеймс Клерк Максвелл разработал свою теорию электромагнитного излучения и показал, что свет является видимой частью обширного спектра электромагнитных волн, представление о свете в виде частиц было полностью дискредитировано.

К концу девятнадцатого века ученые рассматривали физическую вселенную как примерно состоящую из двух отдельных областей: материи, состоящей из частиц, движущихся согласно законам движения Ньютона, и электромагнитного излучения, состоящего из волн, управляемых уравнениями Максвелла.Сегодня эти области называют классической механикой и классической электродинамикой (или классическим электромагнетизмом). Хотя было несколько физических явлений, которые нельзя было объяснить в рамках этой структуры, ученые в то время были настолько уверены в общей надежности этой структуры, что рассматривали эти аберрации как загадочные парадоксы, которые в конечном итоге каким-то образом будут разрешены в рамках этой структуры. Эти парадоксы привели к современной структуре, которая тесно связывает частицы и волны на фундаментальном уровне, называемом дуальностью волна-частица, которая вытеснила классический взгляд.

Видимый свет и другие формы электромагнитного излучения играют важную роль в химии, поскольку их можно использовать для определения энергии электронов внутри атомов и молекул. Большая часть современных технологий основана на электромагнитном излучении. Например, радиоволны от мобильного телефона, рентгеновские лучи, используемые стоматологами, энергия, используемая для приготовления пищи в вашей микроволновой печи, лучистое тепло от раскаленных докрасна объектов и свет экрана вашего телевизора — это формы электромагнитного излучения, которые все демонстрируют волнообразное поведение.

Волны

Волна — это колебание или периодическое движение, которое может переносить энергию из одной точки пространства в другую. Обычные примеры волн встречаются повсюду. Встряхивание конца веревки передает энергию от руки к другому концу веревки, падение камешка в пруд заставляет волны подниматься наружу вдоль поверхности воды, а расширение воздуха, которое сопровождает удар молнии, генерирует звуковые волны (гром ), которые могут путешествовать на несколько миль. В каждом из этих случаев кинетическая энергия передается через материю (веревку, воду или воздух), в то время как материя остается практически на месте.

Волнам не нужно ограничивать движение сквозь материю. Как показал Максвелл, электромагнитные волны состоят из электрического поля, колеблющегося синхронно с перпендикулярным магнитным полем, оба из которых перпендикулярны направлению движения. Эти волны могут распространяться в вакууме с постоянной скоростью 2,998 × 10 ⁸ м / с, скоростью света (обозначается как c ).

Все волны, включая формы электромагнитного излучения, характеризуются длиной волны (обозначается λ , строчная греческая буква лямбда), частотой (обозначается ν , строчной греческой буквой ню) и амплитудой.

Длина волны — это расстояние между двумя последовательными пиками или впадинами волны (измеряется в метрах в системе СИ). Электромагнитные волны имеют длины волн, которые попадают в огромный диапазон — длины волн от километров (103 м) до пикометров (10-12 м) наблюдались. Частота — это количество волновых циклов, которые проходят определенную точку в пространстве за определенный промежуток времени (в системе СИ это измеряется в секундах). Цикл соответствует одной полной длине волны. Единицей измерения частоты, выраженной в циклах в секунду [с ^-1 ], является герц (Гц).Общие кратные этого устройства — мегагерцы (1 МГц = 1 × 10 ⁶ Гц) и гигагерцы (1 ГГц = 1 × 10 ⁹ Гц).

Амплитуда соответствует величине смещения волны, и это соответствует половине высоты между пиками и впадинами. Амплитуда связана с интенсивностью волны, которая для света — это яркость, а для звука — громкость. Произведение длины волны ( λ ) и ее частоты ( ν ), λν , и есть скорость волны.Таким образом, для электромагнитного излучения в вакууме скорость равна фундаментальной постоянной, c :

Длина волны и частота обратно пропорциональны: с увеличением длины волны частота уменьшается. Электромагнитный спектр — это диапазон всех видов электромагнитного излучения.

Этот текст адаптирован из Openstax, Chemistry 2e, раздел 6.1: Электромагнитная энергия.

Природа света | Безграничная химия

Свойства волн и света

Во многих случаях свойства света можно объяснить как волну, как было показано в эксперименте Юнга с двумя щелями.

Цели обучения

Обсудите, как возникает волновое движение и его измеримые свойства, принимая во внимание выводы эксперимента Юнга с двойной щелью.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Волновое движение возникает, когда периодическое возмущение какого-либо вида распространяется через упругую среду. Вариации давления в воздухе, поперечные движения струны гитары или изменения интенсивности местных электрических и магнитных полей в космосе, известные как электромагнитное излучение, — все это примеры волн.
• Есть три измеримых свойства волнового движения: амплитуда, длина волны и частота.
• Окончательным экспериментом стал эксперимент Юнга с двойной щелью, который продемонстрировал, что свет, падающий на две щели на экране, показывает интерференционную картину, характерную для световых волн, а не для частиц.
• Фаза, связанная с волной, также важна для описания определенных явлений.
• Скорость волны — произведение длины волны и частоты.

Ключевые термины

• амплитуда : максимальное значение переменной, достигаемое в любом направлении.
• волна : форма, которая попеременно изменяется от максимума в двух противоположных направлениях.
• частота : Количество колебаний в секунду.
• длина волны : расстояние, пройденное волной за полный период (1 / частота).

В этом разделе мы сосредоточимся на волновых свойствах света.Позже вы узнаете о дуальности волна / частица (как свет ведет себя как волна и как частица одновременно), здесь мы обсудим волновую природу света и экспериментальные эффекты этого поведения.

Введение в волновое движение

Волновое движение возникает, когда в среде распространяется какое-либо периодическое возмущение. Вариации давления в воздухе, поперечные движения вдоль струны гитары или изменения интенсивности локальных электрических и магнитных полей в пространстве, которые составляют электромагнитное излучение, — все это типичные примеры волнового движения.Для каждой среды существует характерная скорость распространения возмущения.

Синусоидальная волна : На этом изображении показана анатомия синусоидальной кривой: гребень — это пик каждой волны, а впадина — это впадина; амплитуда — это расстояние между гребнем и осью абсцисс; а длина волны — это расстояние между двумя гребнями (или двумя впадинами).

Есть три измеримых свойства волнового движения: амплитуда, длина волны и частота (количество колебаний в секунду).Связь между длиной волны λ (по-гречески лямбда ) и частотой волны ν (по-гречески nu ) определяется скоростью распространения v , так что

[латекс] v = \ nu \ lambda [/ латекс]

Для света это уравнение принимает вид

[латекс] \ nu = \ frac {c} {\ lambda} [/ латекс]

, где c — скорость света, 2,998 x 10 ⁸ м / с.

При использовании этих уравнений для определения длины волны, частоты или скорости путем изменения уравнения важно отметить, что длины волн выражаются в единицах длины, таких как метры, сантиметры, нанометры и т. Д .; а частота обычно выражается в мегагерцах или герцах (s ^–1 ).

Пример

Какова длина волны музыкальной ноты A = 440 Гц, когда она распространяется в воздухе со скоростью звука 343 м / с?

λ = v (343 м с – 1) / v (440 с – 1) = 0,780 м

Эксперимент Юнга с двумя щелями

Эксперимент Юнга с двойной щелью : Если бы свет был чисто частицей, он не демонстрировал бы интерференционную картину, показанную здесь.

В начале 19 века английский ученый Томас Янг провел знаменитый эксперимент с двумя щелями (также известный как эксперимент Юнга), который продемонстрировал, что луч света, когда он разделен на два и затем рекомбинирован, будет проявлять интерференционные эффекты, которые могут можно объяснить только в предположении, что свет — это волнение. Если бы свет состоял строго из обычных или классических частиц, и эти частицы выстреливали по прямой линии через щель и позволяли им падать на экран с другой стороны, мы бы ожидали увидеть узор, соответствующий размеру и форме щели. Однако, когда этот эксперимент с одной щелью фактически выполняется, узор на экране представляет собой дифракционный узор, в котором свет распространяется. Чем меньше щель, тем больше угол раскрытия.

Точно так же, если бы свет состоял исключительно из классических частиц и мы освещали две параллельные щели, ожидаемый узор на экране был бы просто суммой двух узоров с одной щелью.На самом деле, однако, картина меняется на серию чередующихся светлых и темных полос. Когда Томас Янг впервые продемонстрировал это явление, он указал, что свет состоит из волн, поскольку распределение яркости можно объяснить попеременно аддитивной и вычитающей интерференцией волновых фронтов. Эксперимент Юнга, проведенный в начале 1800-х годов, сыграл жизненно важную роль в принятии волновой теории света, заменив корпускулярную теорию света, предложенную Исааком Ньютоном, которая была общепринятой моделью распространения света в 17 и 18 веках. Почти столетие спустя, в 1905 году, исследование фотоэлектрического эффекта, удостоенное Нобелевской премии Альберта Эйнштейна, продемонстрировало, что при определенных условиях свет может вести себя так, как будто он состоит из дискретных частиц. Эти, казалось бы, противоречивые открытия заставили выйти за рамки классической физики и принять во внимание квантовую природу света.

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр — это диапазон всех возможных частот электромагнитного излучения.

Цели обучения

Вычислить частоту или энергию фотона, определить три физических свойства электромагнитных волн

Основные выводы

Ключевые моменты

• Электромагнитный спектр включает обычные режимы, такие как ультрафиолетовый, видимый, микроволновый и радиоволны.
• Электромагнитные волны обычно описываются одним из следующих трех физических свойств: частотой (f), длиной волны (λ) или интенсивностью (I). Кванты света обычно описываются частотой (f), длиной волны (λ) или энергией фотона (E). Спектр можно упорядочить по частоте или длине волны.
• Электромагнитное излучение по-разному взаимодействует с веществом в разных частях спектра. Типы взаимодействия могут варьироваться от электронного возбуждения до молекулярной вибрации в зависимости от различных типов излучения, таких как ультрафиолетовое, рентгеновское, микроволны и инфракрасное излучение.

Ключевые термины

• гамма-излучение : Электромагнитное излучение высокой частоты и, следовательно, высокой энергии на фотон.
• спектр : Диапазон цветов, представляющий свет (электромагнитное излучение) смежных частот; отсюда электромагнитный спектр, видимый спектр, ультрафиолетовый спектр и т. д.
• фотон : Квант света и другой электромагнитной энергии, рассматриваемый как дискретная частица, имеющая нулевую массу покоя, электрический заряд и неопределенно долгое время жизни.

Диапазон электромагнитного спектра

Электромагнитный спектр — это диапазон всех возможных частот электромагнитного излучения. Электромагнитный спектр объекта имеет другое значение: это характерное распределение электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого этим конкретным объектом.

Свойства электромагнитного спектра : Длины волн в различных областях электромагнитного спектра показаны вместе с приблизительным представителем размера длины волны.

Электромагнитный спектр простирается от нижних частот, используемых для современной радиосвязи, до гамма-излучения на коротковолновой (высокочастотной) стороне, охватывая длины волн от тысяч километров до долей размера атома.Предел для длинных волн — это размер самой Вселенной, в то время как считается, что предел для коротких волн находится в районе планковской длины (1,616 x 10 ^-35 м), хотя в принципе спектр бесконечен и непрерывен. .

Большинство частей электромагнитного спектра используются в науке для спектроскопических и других зондирующих взаимодействий, как способов изучения и определения характеристик материи. В общем случае, если длина волны электромагнитного излучения аналогична длине волны конкретного объекта (атома, электрона и т. Д.)), то можно исследовать этот объект с помощью этой частоты света. Кроме того, было обнаружено, что излучение из различных частей спектра имеет много других применений в связи и производстве.

Энергия фотона

Электромагнитные волны обычно описываются одним из следующих трех физических свойств: частотой (f) (также иногда обозначаемой греческой буквой nu, ν), длиной волны (λ) или энергией фотона (E). Частоты, наблюдаемые в астрономии, варьируются от 2 до 2.4 × 10 ²³ Гц (гамма-лучи 1 ГэВ) вплоть до локальной плазменной частоты ионизированной межзвездной среды (~ 1 кГц). Длина волны обратно пропорциональна частоте волны; следовательно, гамма-лучи имеют очень короткие длины волн, которые составляют часть размера атомов, тогда как другие длины волн могут быть такими же длинными, как и Вселенная. Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны, поэтому фотоны гамма-излучения имеют самую высокую энергию (около миллиарда электрон-вольт), в то время как радиоволновые фотоны имеют очень низкую энергию (около фемтоэлектронвольт). Эти отношения иллюстрируются следующими уравнениями:

[латекс] f = \ frac {c} {\ lambda} \, \, \, \ text {или} \, \, \, f = \ frac {E} {h} \, \, \, \ text {или} \, \, \, E = \ frac {hc} {\ lambda} [/ latex]

c = 299 792 458 м / с — скорость света в вакууме

h = 6,62606896 (33) × 10 ⁻³⁴ Дж с = 4,13566733 (10) × 10 ⁻¹⁵ эВ с = постоянная Планка.

Когда электромагнитные волны существуют в среде с веществом, их длина уменьшается. Длины волн электромагнитного излучения, независимо от того, в какой среде они проходят, обычно указываются в терминах длины волны вакуума, хотя это не всегда указывается явно.Как правило, электромагнитное излучение классифицируется по длине волны на радиоволны, микроволны, терагерцовое (или субмиллиметровое) излучение, инфракрасное, видимую область, которую мы воспринимаем как свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Поведение электромагнитного излучения зависит от его длины волны. Когда электромагнитное излучение взаимодействует с отдельными атомами и молекулами, его поведение также зависит от количества энергии на квант (фотон), которое оно несет.

А.2.1. Опишите электромагнитный спектр IB Chemistry SL — YouTube : На этот раз уравнениями! Число волны = 1 / длина волны в см. Скорость света = длина волны x частота. Энергия = постоянная Планка x частота. Доктор Аткинсон вскоре перешел на ненужные гамма-лучи и улучшил их до дельта-лучей!

Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом

Электромагнитное излучение по-разному взаимодействует с веществом в разных частях спектра. Типы взаимодействия могут быть настолько разными, что кажется оправданным относить к разным видам излучения.В то же время существует континуум, содержащий все эти различных видов электромагнитного излучения. Таким образом, мы говорим о спектре, но разделяем его на основе различных взаимодействий с материей. Ниже представлены области спектра и их основные взаимодействия с веществом:

• Радио: Коллективные колебания носителей заряда в массивном материале (плазменные колебания). Примером может служить колебание электронов в антенне.
• Микроволновая печь через дальний инфракрасный диапазон: колебания плазмы, вращение молекул.
• Ближний инфракрасный свет: молекулярные колебания, плазменные колебания (только для металлов).
• Видимый: молекулярное электронное возбуждение (включая молекулы пигмента в сетчатке глаза человека), плазменные колебания (только для металлов).
• Ультрафиолет: возбуждение молекулярных и атомных валентных электронов, включая выброс электронов (фотоэлектрический эффект).
• Рентгеновские лучи: возбуждение и выброс остовных атомных электронов, комптоновское рассеяние (для малых атомных номеров).
• Гамма-лучи: энергетический выброс остовных электронов в тяжелых элементах, комптоновское рассеяние (для всех атомных номеров), возбуждение атомных ядер, включая диссоциацию ядер.
• Гамма-лучи высоких энергий: Создание пар частица-античастица. При очень высоких энергиях одиночный фотон может создать ливень высокоэнергетических частиц и античастиц при взаимодействии с веществом.

Эта классификация идет в порядке возрастания частоты и порядка убывания длины волны, что характерно для типа излучения. Хотя в целом схема классификации точна, в действительности часто существует некоторое совпадение между соседними типами электромагнитной энергии.Например, радиоволны SLF с частотой 60 Гц могут приниматься и изучаться астрономами или могут передаваться по проводам в качестве электроэнергии, хотя последнее, в строгом смысле, вовсе не является электромагнитным излучением.

Помехи и дифракция

Интерференция и дифракция — это термины, которые описывают волну, взаимодействующую с чем-то, что изменяет ее амплитуду, например, с другой волной.

Цели обучения

Признать разницу между конструктивной и деструктивной интерференцией, а также между интерференцией и дифракцией

Основные выводы

Ключевые моменты

• В физике интерференция — это явление, при котором две волны накладываются друг на друга, образуя результирующую волну большей или меньшей амплитуды.
• Конструктивная интерференция возникает, когда разность фаз между волнами кратна 2π, тогда как деструктивная интерференция возникает, когда разность фаз составляет π, 3π, 5π и т. Д.
• Дифракция относится к различным явлениям, которые происходят, когда волна встречает препятствие. В классической физике явление дифракции описывается как видимый изгиб волн вокруг небольших препятствий и распространение волн за небольшие отверстия.

Ключевые термины

• помехи : Эффект, вызванный наложением двух систем волн, например искажение широковещательного сигнала из-за атмосферных или других эффектов.В физике интерференция — это явление, при котором две волны накладываются друг на друга, образуя результирующую волну большей или меньшей амплитуды.
• дифракция : Распад электромагнитной волны, когда она проходит через геометрическую структуру (например, щель), с последующим восстановлением волны интерференцией.
• амплитуда : Максимальное абсолютное значение некоторой переменной величины, особенно волны.

В физике интерференция — это явление, при котором две волны накладываются друг на друга, образуя результирующую волну большей или меньшей амплитуды.Интерференция обычно относится к взаимодействию волн, которые коррелированы или когерентны друг с другом, либо потому, что они исходят из одного источника, либо потому, что они имеют одинаковую (или почти одинаковую) частоту. Эффекты интерференции можно наблюдать со всеми типами волн, включая световые, радио, акустические и поверхностные волны воды. В химии применение интерференции к свету наиболее актуально для изучения вещества.

Механизм вмешательства

Принцип суперпозиции волн гласит, что когда две или более волны падают на одну и ту же точку, полное смещение в этой точке равно векторной сумме смещений отдельных волн.Если гребень волны встречается с гребнем другой волны той же частоты в той же точке, то величина смещения является суммой отдельных величин; это называется конструктивным вмешательством. Если гребень одной волны встречает впадину другой волны, то величина смещений равна разнице индивидуальных величин; это называется деструктивным вмешательством.

Интерференция двух волн : Эти два примера представляют конструктивную (слева) и деструктивную интерференцию (справа) в волновых явлениях.Когда две волны находятся «в фазе», их периоды смещены на 2nπ * период. Однако, когда они точно не в фазе, возникают деструктивные помехи, если разность фаз равна nπ * период.

Конструктивная интерференция возникает, когда разность фаз между волнами кратна 2π, тогда как деструктивная интерференция возникает, когда разность составляет π, 3π, 5π и т. Д. Если разница между фазами является промежуточной между этими двумя крайними значениями, то величина смещение суммированных волн лежит между минимальным и максимальным значениями.

Два источника помех : Эффект двух волн, мешающих друг другу, например, два камня, брошенные в бассейн с водой.

Рассмотрим, например, что происходит, когда два одинаковых камня падают в стоячий бассейн с водой в разных местах. Каждый камень генерирует круговую волну, распространяющуюся наружу от места падения камня. Когда две волны перекрываются, чистое смещение в определенной точке является суммой смещений отдельных волн.В некоторые моменты они будут совпадать по фазе и производить максимальное смещение. В других местах волны будут в противофазе, и в этих точках не будет чистого смещения. Таким образом, части поверхности будут неподвижными.

Дифракция

Дифракция относится к различным явлениям, которые происходят, когда волна встречает препятствие. В классической физике явление дифракции описывается как видимый изгиб волн вокруг небольших препятствий и распространение волн за небольшие отверстия.Подобные эффекты возникают, когда световые волны проходят через среду с переменным показателем преломления или звуковая волна через среду с переменным акустическим импедансом. Дифракция происходит со всеми волнами, включая звуковые волны, волны воды и электромагнитные волны, такие как видимый свет, рентгеновские лучи и радиоволны. Поскольку физические объекты обладают волнообразными свойствами (на атомном уровне), дифракция также происходит с веществом и может быть изучена в соответствии с принципами квантовой механики. Итальянский ученый Франческо Мария Гримальди ввел слово дифракция и был первым, кто записал точные наблюдения этого явления в 1665 году.

Дифракция : В классической физике явление дифракции описывается как видимое отклонение волн вокруг небольших препятствий и распространение волн за небольшие отверстия.

Эффекты дифракции часто наблюдаются в повседневной жизни. Самые яркие примеры дифракции — это дифракция света; например, близко расположенные дорожки на компакт-диске или DVD действуют как дифракционная решетка, образуя знакомый радужный узор, наблюдаемый при взгляде на диск.Этот принцип может быть расширен для создания решетки со структурой, которая будет создавать любую желаемую дифракционную картину; голограмма на кредитной карте является примером. Дифракция в атмосфере на мелких частицах может привести к тому, что вокруг яркого источника света, такого как солнце или луна, будет видно яркое кольцо. Тень твердого объекта, использующая свет от компактного источника, показывает небольшие полосы по краям. Все эти эффекты возникают из-за того, что свет распространяется как волна.

Ричард Фейнман сказал: «Никто никогда не мог удовлетворительно определить разницу между интерференцией и дифракцией.Это просто вопрос использования, и между ними нет конкретной важной физической разницы ».

Он предположил, что, когда есть только несколько источников, скажем два, мы называем это интерференцией (как в щелях Юнга), но при большом количестве источников процесс можно назвать дифракцией.

Хотя дифракция возникает всякий раз, когда распространяющиеся волны сталкиваются с такими изменениями, ее эффекты, как правило, наиболее заметны для волн, длина волны которых примерно равна размерам дифрагирующих объектов.Если в препятствующем объекте имеется несколько близко расположенных отверстий, может возникнуть сложный узор различной интенсивности. Это происходит из-за суперпозиции или интерференции различных частей волны, которая шла к наблюдателю разными путями (см. Дифракционную решетку).

Квантовая теория Планка

Макс Планк предположил, что энергия света пропорциональна его частоте, также показывая, что свет существует в виде дискретных квантов энергии.

Цели обучения

Рассчитайте элемент энергии E = hv, используя квантовую теорию Планка.

Основные выводы

Ключевые моменты

• До конца 19 века в научном мировоззрении доминировала физика Ньютона.Однако к началу 20 века физики обнаружили, что законы классической механики неприменимы в атомном масштабе.
• Фотоэлектрический эффект нельзя было рационализировать на основе существующих теорий света, так как увеличение интенсивности света не приводило к такому же результату, как увеличение энергии света.
• Планк постулировал, что энергия света пропорциональна частоте, а константа, которая их связывает, известна как постоянная Планка (h). Его работа привела к тому, что Альберт Эйнштейн определил, что свет существует в виде дискретных квантов энергии или фотонов.

Ключевые термины

• фотоэлектрический эффект : Эмиссия электронов с поверхности материала после поглощения электромагнитного излучения.
• электромагнитное излучение : Излучение (квантованное как фотоны), состоящее из осциллирующих электрических и магнитных полей, ориентированных перпендикулярно друг другу, движущихся в пространстве.

В конце 18 века физика достигла больших успехов. Классическая ньютоновская физика в то время была широко принята в научном сообществе за ее способность точно объяснять и предсказывать многие явления. Однако к началу 20 века физики обнаружили, что законы классической механики неприменимы в атомном масштабе, а такие эксперименты, как фотоэлектрический эффект, полностью противоречили законам классической физики. В результате этих наблюдений физики сформулировали ряд теорий, ныне известных как квантовая механика. В некотором смысле квантовая механика полностью изменила взгляд физиков на Вселенную, а также положила конец идее часовой Вселенной (идеи, что Вселенная предсказуема).

Электромагнитное излучение

Электромагнитное (ЭМ) излучение — это форма энергии с волновыми и частицеобразными свойствами; видимый свет является хорошо известным примером. С волновой точки зрения все формы электромагнитного излучения могут быть описаны с точки зрения их длины волны и частоты.Длина волны — это расстояние от одного пика волны до другого, которое может быть измерено в метрах. Частота — это количество волн, которые проходят через данную точку каждую секунду. Хотя длина волны и частота электромагнитного излучения могут изменяться, его скорость в вакууме остается постоянной и составляет 3,0 x 10 ⁸ м / с, скорость света. Длина волны или частота любого конкретного случая электромагнитного излучения определяет его положение в электромагнитном спектре и может быть рассчитана по следующему уравнению:

[латекс] c = \ lambda \ nu [/ латекс]

, где c — постоянная 3. 0 x 10 ⁸ м / сек (скорость света в вакууме), [latex] \ lambda [/ latex] = длина волны в метрах, а [latex] \ nu [/ latex] = частота в герцах (1 / с). Важно отметить, что с помощью этого уравнения можно определить длину волны света на заданной частоте и наоборот.

Длина волны электромагнитного излучения : показано расстояние, используемое для определения длины волны. Свет имеет множество свойств, связанных с его волновой природой, и длина волны частично определяет эти свойства.

Открытие кванта

Волновая модель не может объяснить явление, известное как фотоэлектрический эффект. Этот эффект наблюдается, когда свет, сфокусированный на определенных металлах, испускает электроны. Для каждого металла существует минимальная пороговая частота электромагнитного излучения, при которой возникает эффект. Замена света вдвое большей интенсивности и половинной частотой не даст такого же результата, в отличие от того, что можно было бы ожидать, если бы свет действовал строго как волна. В этом случае эффект света будет кумулятивным — свет должен постепенно накапливаться, пока он не вызовет испускание электронов.Вместо этого существует четко определенная минимальная частота света, которая вызывает выброс электронов. Подразумевалось, что частота прямо пропорциональна энергии, причем более высокие частоты света имеют больше энергии. Это наблюдение привело к открытию минимального количества энергии, которое может получить или потерять атом. Макс Планк назвал это минимальное количество «квантом», множественное число «кванты», что означает «сколько». Один фотон света несет ровно один квант энергии.

Планк считается отцом квантовой теории.Согласно Планку: E = h [латекс] \ nu [/ latex] , где h — постоянная Планка (6,62606957 (29) x 10 ^-34 Дж / с), ν — частота, а E — энергия. электромагнитной волны. Планк (осторожно) настаивал на том, что это просто аспект процессов поглощения и испускания излучения и не имеет ничего общего с физической реальностью самого излучения. Однако в 1905 году Альберт Эйнштейн переосмыслил квантовую гипотезу Планка и использовал ее для объяснения фотоэлектрического эффекта, при котором сияющий свет на определенных материалах может выталкивать электроны из материала.

Дополнительные доказательства теории энергии частиц

Когда электрический ток проходит через газ, некоторые электроны в молекулах газа переходят из своего основного энергетического состояния в возбужденное состояние, которое находится дальше от их ядер. Когда электроны возвращаются в основное состояние, они излучают энергию различной длины волны. Призма может использоваться для разделения длин волн, что упрощает их идентификацию. Если свет действовал только как волна, то призма должна создавать непрерывную радугу.Вместо этого есть дискретные линии, созданные на разных длинах волн. Это связано с тем, что электроны испускают световые волны определенной длины при переходе из возбужденного состояния в основное.

Спектр излучения газообразного азота : Каждая длина волны излучаемого света (каждая цветная линия) соответствует переходу электрона с одного энергетического уровня на другой, высвобождая квант света с определенной энергией (цветом).

Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект — это способность электромагнитного излучения высокой энергии выбрасывать электроны из данного материала.

Цели обучения

Объясните фотоэлектрический эффект и поймите его математическое описание

Основные выводы

Ключевые моменты

• При фотоэлектрическом эффекте электроны испускаются веществом (обычно металлами и неметаллическими твердыми телами) в результате поглощения ими энергии электромагнитного излучения высокой частоты (короткой длины волны), например ультрафиолетового света.
• Когда электромагнитное излучение взаимодействует с атомом, оно либо возбуждает электроны на более высокий энергетический уровень, известный как возбужденное состояние , либо, если энергия света достаточно высока, оно может ионизировать атом, удаляя электрон.
• Для данного металла существует определенная минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэлектроны не испускаются. Эта частота называется пороговой частотой.

Ключевые термины

• работа выхода : Минимальная энергия, необходимая для удаления электрона с поверхности материала.
• остановочное напряжение : напряжение, необходимое для полного баланса кинетической энергии электронов, выбрасываемых с поверхности материала.

При фотоэлектрическом эффекте электроны испускаются материей (металлами и неметаллическими твердыми телами, жидкостями или газами) в результате поглощения ими энергии электромагнитного излучения высокой частоты (короткой длины волны), например ультрафиолетового излучения. Электроны, испускаемые таким образом, можно назвать фотоэлектронами. Это явление впервые наблюдал Генрих Герц в 1887 году.

Фотоэлектрический эффект : Электроны испускаются из материи поглощенным светом.

Фотоэлектрический эффект был продемонстрирован с использованием света с энергией от нескольких электронвольт (эВ) до более 1 МэВ в элементах с высоким атомным номером. Изучение фотоэлектрического эффекта привело к лучшему пониманию квантовой механики, а также к пониманию дуальности света волна-частица. Это также привело к открытию Максом Планком квантов (E = h [latex] \ nu [/ latex]), которые связывают частоту ([latex] \ nu [/ latex]) с энергией фотона (E).

Постоянная Планка h также известна как «квант действия.«Это константа субатомного масштаба и одна из самых маленьких констант, используемых в физике. Другие явления, при которых свет влияет на движение электрических зарядов, включают эффект фотопроводимости (также известный как фотопроводимость или фоторезистивность), фотоэлектрический эффект и фотоэлектрохимический эффект.

Механизм выброса

У всех атомов электроны на орбиталях с четко определенными энергетическими уровнями. Когда электромагнитное излучение взаимодействует с атомом, оно может возбудить электрон на более высокий энергетический уровень, который затем может упасть, вернувшись в основное состояние.Однако, если энергия света такова, что электрон возбужден выше энергетических уровней, связанных с атомом, электрон может фактически вырваться из атома, что приведет к ионизации атома. Это, по сути, фотоэлектрический эффект.

Фотоны луча света имеют характеристическую энергию, пропорциональную частоте света. В процессе фотоэмиссии, если электрон внутри некоторого материала поглощает энергию одного фотона и приобретает больше энергии, чем работа выхода материала (энергия связи электрона), он выбрасывается.Если энергия фотона слишком мала, электрон не может покинуть материал. Увеличение интенсивности света увеличивает количество фотонов в луче света и, таким образом, увеличивает количество возбужденных электронов, но не увеличивает энергию, которой обладает каждый электрон. Энергия испускаемых электронов не зависит от интенсивности падающего света (количества фотонов), а только от энергии или частоты отдельных фотонов. Это строго взаимодействие между падающим фотоном и самым удаленным электроном.

Электроны могут поглощать энергию фотонов при облучении, но обычно они следуют принципу «все или ничего». Обычно энергии одного фотона достаточно, чтобы вызвать испускание электрона, или энергия теряется, когда атом возвращается в основное состояние. Если поглощается избыточная энергия фотона, часть энергии высвобождает электрон из атома, а остальная часть вносит вклад в кинетическую энергию электрона как свободной частицы.

Экспериментальные наблюдения фотоэлектрического излучения

Для данного металла существует определенная минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэлектроны не испускаются.Эта частота называется пороговой частотой. Увеличение частоты падающего луча и поддержание фиксированного количества падающих фотонов (что приводит к пропорциональному увеличению энергии) увеличивает максимальную кинетическую энергию испускаемых фотоэлектронов. Количество испускаемых электронов также изменяется, потому что вероятность того, что каждый столкнувшийся фотон приведет к испускаемому электрону, является функцией энергии фотона. Однако если просто увеличить интенсивность падающего излучения, это не повлияет на кинетическую энергию фотоэлектронов.

Для данного металла и частоты падающего излучения скорость выброса фотоэлектронов прямо пропорциональна интенсивности падающего света. Увеличение интенсивности падающего луча (при сохранении фиксированной частоты) увеличивает величину фотоэлектрического тока, хотя останавливающее напряжение остается прежним. Промежуток времени между падением излучения и испусканием фотоэлектрона очень мал, менее 10 ^-9 секунды, и на него не влияют изменения интенсивности.

Математическое описание

Максимальная кинетическая энергия выброшенного электрона равна

.

[латекс] K.E ._ {max} = hf- \ varphi [/ латекс]

, где h — постоянная Планка (6,626 x 10 ^-34 м ² кг / с), а f — частота падающего фотона. Термин [латекс] \ varphi [/ латекс] — это работа выхода (иногда обозначаемая W или ϕ), которая дает минимальную энергию, необходимую для удаления делокализованного электрона с поверхности металла.

Работа выхода удовлетворяет [latex] \ varphi = hf_ {0} [/ latex]

, где f ₀ — пороговая частота для металла.Тогда максимальная кинетическая энергия выброшенного электрона составляет

.

[латекс] K.E ._ {max} = h (f-f_0) [/ латекс]

Кинетическая энергия должна быть положительной, чтобы произошел выброс, поэтому мы должны иметь f> f ₀ , чтобы возник фотоэлектрический эффект.

Фотоумножители

Фотоумножители — это чрезвычайно светочувствительные вакуумные лампы с фотокатодом, нанесенным на часть (конец или сторону) внутренней части оболочки. Фотокатод содержит комбинации материалов, таких как цезий, рубидий и сурьма, специально подобранные для обеспечения низкой работы выхода, поэтому при освещении даже очень слабым светом фотокатод легко выделяет электроны.Посредством ряда электродов (динодов) при все более высоких потенциалах эти электроны ускоряются и значительно увеличиваются в количестве за счет вторичной эмиссии, чтобы обеспечить легко обнаруживаемый выходной ток. Фотоумножители по-прежнему широко используются там, где необходимо обнаруживать низкий уровень света.

свет: Природа света

Научное исследование поведения света называется оптикой и охватывает отражение света зеркалом или другим предметом, преломление линзой или призмой, дифракцию света, когда он проходит мимо края непрозрачный объект и интерференционные картины в результате дифракции. Также изучается поляризация света. Любая успешная теория природы света должна уметь объяснять эти и другие оптические явления.

Самые ранние научные теории природы света были предложены примерно в конце 17 века. В 1690 году Кристиан Гюйгенс предложил теорию, объясняющую свет как волновое явление. Однако в 1704 г. сэром Исааком Ньютоном была предложена конкурирующая теория. Ньютон, открывший видимый спектр в 1666 г., считал, что свет состоит из крошечных частиц или корпускул, испускаемых светящимися телами.Объединив корпускулярную теорию со своими законами механики, он смог объяснить многие оптические явления.

На протяжении более 100 лет корпускулярная теория света Ньютона имела преимущество перед волновой теорией, отчасти из-за большого престижа Ньютона, а отчасти потому, что не существовало достаточного количества экспериментальных данных, чтобы обеспечить адекватную основу для сравнения двух теорий. Наконец, важные эксперименты по дифракции и интерференции света были выполнены Томасом Янгом (1801 г. ) и А.Дж. Френеля (1814–15), что можно было интерпретировать только в рамках волновой теории. Поляризация света — еще одно явление, которое можно объяснить только с помощью волновой теории. Таким образом, в 19 в. волновая теория стала доминирующей теорией природы света.

Волновая теория получила дополнительную поддержку от электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла (1864), который показал, что электрическое и магнитное поля распространяются вместе и что их скорость идентична скорости света.Таким образом, стало ясно, что видимый свет — это форма электромагнитного излучения, составляющая лишь небольшую часть электромагнитного спектра. Теория Максвелла была подтверждена экспериментально с открытием радиоволн Генрихом Герцем в 1886 году.

С принятием электромагнитной теории света остались только две общие проблемы. Одним из них был светоносный эфир, гипотетическая среда, предложенная как переносчик световых волн, точно так же, как воздух или вода переносят звуковые волны. Предполагалось, что эфир обладает некоторыми очень необычными свойствами, например, он не имеет массы, но обладает высокой эластичностью. Ряд экспериментов, проведенных для доказательства существования эфира, в первую очередь А. А. Майкельсона в 1881 г. и Майкельсона и Э. В. Морли в 1887 г., не подтвердили гипотезу эфира. С публикацией специальной теории относительности в 1905 году Альбертом Эйнштейном было показано, что эфир не нужен для теории электромагнетизма.

Вторая главная проблема, более серьезная из двух, заключалась в объяснении различных явлений, таких как фотоэлектрический эффект, которые связаны с взаимодействием света с веществом.И снова решение проблемы было предложено Эйнштейном, также в 1905 году. Эйнштейн расширил квантовую теорию теплового излучения, предложенную Максом Планком в 1900 году, чтобы охватить не только колебания источника излучения, но и колебания самого излучения. Таким образом, он предположил, что свет, а также другие формы электромагнитного излучения, перемещаются в виде крошечных пучков энергии, называемых квантами света или фотонами. Энергия каждого фотона прямо пропорциональна его частоте.

С развитием квантовой теории атомной и молекулярной структуры Нильсом Бором и другими стало очевидно, что свет и другие формы электромагнитного излучения испускаются и поглощаются в связи с энергетическими переходами частиц вещества, излучающих или поглощающих свет.В этих процессах квантовая, или частичная, природа света более важна, чем его волновая природа. Однако при рассмотрении прохождения света природа волны преобладает над природой частицы. В 1924 году Луи де Бройль показал, что аналогичная картина имеет место для поведения частиц: движущиеся частицы обладают определенными волнообразными свойствами, которые управляют их движением, так что существует взаимодополняемость между частицами и волнами, известная как дуальность частица-волна (см. Также принцип дополнительности). .Квантовая теория света успешно объяснила все аспекты поведения света.

Колумбийская электронная энциклопедия, 6-е изд. Авторские права © 2012, Columbia University Press. Все права защищены.

Дополнительные статьи в энциклопедии: Физика

Природа света :: Anton Paar Wiki

В 1900 году Макс Планк опубликовал свою теорию излучения черного тела. Это можно представить как излучение, выходящее из небольшого отверстия в хорошо изолированной духовке, светящееся внутри.Видимое излучение меняет свой цвет с красных тонов на совершенно белый, когда температура духовки повышается с нескольких 100 ° C до более чем 3000 ° C. Это излучение не только содержит видимый свет, но также распространяется на инфракрасный и ультрафиолетовый свет. Чтобы описать это правильно, Планку пришлось предположить, что энергия излучения во внутренней камере печи была квантована. Это означает, что энергия излучения не может достигать какого-либо возможного уровня, а может быть кратной кванту — наименьшей возможной части энергии.Ему также пришлось предположить, что энергия кванта зависит от цвета света или длины волны. Планк много лет сомневался в своей теории; однако в 1918 году он был удостоен за это Нобелевской премии по физике, и сегодня он известен как основоположник квантовой теории.

Единственным человеком, который сразу же принял теорию Планка, был Альберт Эйнштейн. В 1905 г. он опубликовал на его основе статью, в которой описывает фотоэлектрический эффект. Электроны выбрасываются светом с металлической поверхности и затем могут быть обнаружены как электрический ток.Цвет света теперь может определять, течет ли ток. Например, есть случай, когда при красном свете нет тока, каким бы сильным он ни был, в то время как ток течет при желтом, зеленом и синем свете (рис. 2). Эйнштейн видел причину этого эффекта в том, что сам свет был квантован, то есть он состоял из минимальных порций энергии. Они показывают характеристики частиц и стреляют электронами из металла, если у них достаточно энергии для этого. Однако их энергия зависит только от цвета, а значит, от длины волны света.Эти кванты света позже были названы фотонами. В 1909 году, выступая на конгрессе немецких естествоиспытателей и врачей, Эйнштейн уже указывал, что некоторые эффекты можно объяснить только с помощью сочетания обеих моделей света — модели волны и частицы.

световых | Определение, свойства, физика, характеристики, типы и факты

Свет , электромагнитное излучение, которое может быть обнаружено человеческим глазом. Электромагнитное излучение происходит в чрезвычайно широком диапазоне длин волн, от гамма-лучей с длинами волн менее примерно 1 × 10 ⁻¹¹ метра до радиоволн, измеряемых в метрах.В пределах этого широкого спектра длины волн, видимые человеку, занимают очень узкую полосу, от примерно 700 нанометров (нм; миллиардных долей метра) для красного света до примерно 400 нм для фиолетового света. Спектральные области, прилегающие к видимому диапазону, часто также называют световыми, инфракрасными с одной стороны и ультрафиолетовыми с другой. Скорость света в вакууме — фундаментальная физическая константа, принятое в настоящее время значение которой составляет точно 299 792 458 метров в секунду, или около 186 282 миль в секунду.

видимый спектр света

Когда белый свет распространяется призмой или дифракционной решеткой, появляются цвета видимого спектра. Цвета различаются в зависимости от длины волны. У фиолетового цвета самые высокие частоты и самые короткие длины волн, а у красного — самые низкие частоты и самые длинные волны.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Британская викторина

27 правильных или ложных вопросов из самых сложных викторин «Британника»

Что вы знаете о Марсе? Как насчет энергии? Думаете, будет проще, если вам придется выбирать только истину или ложь? Узнайте, что вы знаете о науке, с помощью этой увлекательной викторины.

Нет однозначного ответа на вопрос «Что такое свет?» удовлетворяет множество контекстов, в которых свет переживается, исследуется и используется. Физика интересуют физические свойства света, художника — эстетическая оценка визуального мира. Через зрение свет является основным инструментом восприятия мира и общения в нем. Свет от Солнца согревает Землю, определяет глобальные погодные условия и инициирует поддерживающий жизнь процесс фотосинтеза.В самом широком масштабе взаимодействие света с материей помогло сформировать структуру Вселенной. Действительно, свет открывает окно во Вселенную, от космологического до атомного масштаба. Почти вся информация об остальной Вселенной достигает Земли в виде электромагнитного излучения. Интерпретируя это излучение, астрономы могут получить представление о самых ранних эпохах Вселенной, измерить общее расширение Вселенной и определить химический состав звезд и межзвездной среды.Подобно тому, как изобретение телескопа резко расширило возможности исследования Вселенной, изобретение микроскопа открыло замысловатый мир клетки. Анализ частот света, излучаемого и поглощаемого атомами, был основным импульсом для развития квантовой механики. Атомная и молекулярная спектроскопия по-прежнему является основным инструментом для исследования структуры материи, обеспечивая сверхчувствительные тесты атомных и молекулярных моделей и способствуя изучению фундаментальных фотохимических реакций.

Солнце

Солнце светит из-за облаков.

© Matthew Bowden / Fotolia

Свет передает пространственную и временную информацию. Это свойство лежит в основе оптики и оптических коммуникаций, а также множества связанных технологий, как зрелых, так и новых. Технологические приложения, основанные на манипуляциях со светом, включают лазеры, голографию и волоконно-оптические телекоммуникационные системы.

В большинстве повседневных обстоятельств свойства света могут быть получены из теории классического электромагнетизма, в которой свет описывается как связанные электрические и магнитные поля, распространяющиеся в пространстве как бегущая волна.Однако этой волновой теории, разработанной в середине XIX века, недостаточно для объяснения свойств света при очень низких интенсивностях. На этом уровне необходима квантовая теория для объяснения характеристик света и объяснения взаимодействий света с атомами и молекулами. В своей простейшей форме квантовая теория описывает свет как состоящий из дискретных пакетов энергии, называемых фотонами. Однако ни классическая волновая модель, ни классическая модель частиц не описывает правильно свет; свет имеет двойственную природу, которая раскрывается только в квантовой механике.Эта удивительная дуальность волна-частица присуща всем основным составляющим природы (например, электроны имеют как частицы, так и волновые аспекты). С середины 20-го века более полная теория света, известная как квантовая электродинамика (КЭД), рассматривается физиками как законченная. КЭД объединяет идеи классического электромагнетизма, квантовой механики и специальной теории относительности.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишись сейчас

Эта статья посвящена физическим характеристикам света и теоретическим моделям, описывающим природу света. Его основные темы включают введение в основы геометрической оптики, классические электромагнитные волны и эффекты интерференции, связанные с этими волнами, а также основополагающие идеи квантовой теории света. Более подробные и технические презентации этих тем можно найти в статьях оптика, электромагнитное излучение, квантовая механика и квантовая электродинамика. См. Также «Относительность » для получения подробной информации о том, как рассмотрение скорости света, измеренной в различных системах отсчета, имело решающее значение для развития специальной теории относительности Альберта Эйнштейна в 1905 году.

Теории света на протяжении всей истории world

Хотя есть явные свидетельства того, что простые оптические инструменты, такие как плоские и изогнутые зеркала и выпуклые линзы, использовались рядом ранних цивилизаций, древнегреческим философам обычно приписывают первые формальные предположения о природе света.Концептуальное препятствие различения человеческого восприятия визуальных эффектов от физической природы света препятствовало развитию теорий света. В этих ранних исследованиях доминировало созерцание механизма зрения. Пифагор ( c. 500 до н. Э.) Предположил, что зрение вызывается визуальными лучами, исходящими из глаза и поражающими объекты, тогда как Эмпедокл ( c. 450 до н. Э.), Похоже, разработал модель зрения, в которой свет испускался как предметы и глаз.Эпикур ( c. 300 до н. Э.) Считал, что свет излучается источниками, отличными от глаза, и что зрение создается, когда свет отражается от объектов и попадает в глаз. Евклид ( c. 300 до н. Э.) В своей работе Optics представил закон отражения и обсудил распространение световых лучей по прямым линиям. Птолемей ( c. 100 гг. Н. Э.) Предпринял одно из первых количественных исследований преломления света при его переходе от одной прозрачной среды к другой, составив таблицы пар углов падения и пропускания для комбинаций нескольких сред.

Пифагор

Пифагор, портретный бюст.

© Photos.com/Jupiterimages

С упадком греко-римского царства научный прогресс переместился в исламский мир. В частности, аль-Махмун, седьмой аббасидский халиф Багдада, основал Дом мудрости (Байт аль-Хикма) в 830 году нашей эры для перевода, изучения и улучшения эллинистических научных и философских работ. Среди первых ученых были аль-Хваризми и аль-Кинди. Аль-Кинди, известный как «арабский философ», расширил концепцию прямолинейного распространения световых лучей и обсудил механизм зрения.К 1000 году от пифагорейской модели света отказались, и появилась лучевая модель, содержащая основные концептуальные элементы того, что сейчас известно как геометрическая оптика. В частности, Ибн аль-Хайтам (латинизированный как Альхазен) в книге Китаб ал-маназир ( ок. 1038; «Оптика») правильно приписал зрение пассивному восприятию отраженных от объектов световых лучей, а не активному излучению. световых лучей из глаз. Он также изучил математические свойства отражения света от сферических и параболических зеркал и нарисовал подробные изображения оптических компонентов человеческого глаза.Работа Ибн аль-Хайсама была переведена на латынь в XIII веке и оказала большое влияние на францисканского монаха и натурфилософа Роджера Бэкона. Бэкон изучал распространение света через простые линзы и считается одним из первых, кто описал использование линз для коррекции зрения.

Роджер Бэкон

Английский философ-францисканец и реформатор образования Роджер Бэкон, изображенный в его обсерватории во францисканском монастыре, Оксфорд, Англия (гравюра около 1867 года).

© Photos.com/Thinkstock

21.3 Двойственная природа света — Физика

Цели обучения секции

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Опишите эффект Комптона
• Вычислить импульс фотона
• Объясните, как импульс фотона используется в солнечных парусах
• Объясните корпускулярно-волновой дуализм света

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

• (3) Научные процессы.Учащийся использует критическое мышление, научные рассуждения и решение проблем, чтобы принимать обоснованные решения в классе и за его пределами. Ожидается, что студент:
  • (D) объяснять влияние научного вклада различных исторических и современных ученых на научную мысль и общество.
• (8) Научные концепции. Студент знает простые примеры атомных, ядерных и квантовых явлений. Ожидается, что студент:
  • (А) описывают фотоэлектрический эффект и двойственную природу света.

Раздел Основные термины

Эффект Комптона

дуальность частица-волна

импульс фотона

Фотонный импульс

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Попросите учащихся прочитать заголовок раздела. Спросите их, демонстрируют ли фотоны импульс. Они должны ответить утвердительно, основываясь на фотоэффекте. Спросите их, какое уравнение они использовали бы для вычисления этого импульса. Подтолкнуть их к мысли, что уравнение импульса зависит от массы, а фотоны — безмассовые частицы.

Подчиняются ли фотоны фундаментальным свойствам физики? Могут ли пакеты электромагнитной энергии подчиняться тем же правилам, что и мяч для пинг-понга или электрон? Хотя это странно, но ответ на оба вопроса положительный.

Несмотря на странную природу фотонов, ученые до Эйнштейна давно подозревали, что фундаментальная частица электромагнитного излучения имеет общие свойства с нашими более макроскопическими частицами.Это не яснее, чем при рассмотрении фотоэлектрического эффекта, когда фотоны выбивают электроны из вещества. Хотя странно думать о безмассовой частице, обладающей импульсом, теперь это хорошо установленный факт в научном сообществе. На рисунке 21.10 показано макроскопическое свидетельство импульса фотона.

Рис. 21.10. Хвосты кометы Хейла-Боппа направлены от Солнца, что свидетельствует о том, что свет имеет импульс. Этот хвост образует пыль, исходящая от тела кометы. Частицы пыли отталкиваются от Солнца отражающимся от них светом.Синий ионизированный газовый хвост также создается фотонами, взаимодействующими с атомами в веществе кометы. (Источник: Джефф Честер, ВМС США, через Wikimedia Commons)

На рис. 21.10 показана комета с двумя выступающими хвостами. Хвосты кометы состоят из газов и пыли, испарившейся из тела кометы, и ионизированного газа. Чего большинство людей не знает о хвостах, так это того, что они всегда указывают на на от Солнца, а не на след за кометой. Это видно на схеме.

Почему это так? Свидетельства показывают, что пылевые частицы кометы отталкиваются от Солнца, когда на них ударяют фотоны.Очевидно, фотоны переносят импульс в направлении своего движения от Солнца, и часть этого импульса передается пылинкам при столкновениях. Синий хвост вызван солнечным ветром, потоком плазмы, состоящей в основном из протонов и электронов, испаряющейся из короны Солнца.

Импульс, эффект Комптона и солнечные паруса

Импульс сохраняется в квантовой механике, так же как в теории относительности и классической физике. Одним из первых прямых экспериментальных доказательств этого стало рассеяние рентгеновских фотонов электронами в веществах, явление, обнаруженное американским физиком Артуром Х.Комптон (1892–1962). Приблизительно в 1923 году Комптон заметил, что рентгеновские лучи, отражающиеся от материалов, имеют пониженную энергию, и правильно интерпретировал это как результат рассеяния рентгеновских фотонов на электронах. Это явление можно рассматривать как столкновение двух частиц — фотона и электрона, покоящихся в материале. После тщательного наблюдения было обнаружено, что и энергия, и импульс сохраняются при столкновении. См. Рисунок 21.11. За открытие этого сохраняющегося рассеяния, известного теперь как эффект Комптона, Артур Комптон был удостоен Нобелевской премии в 1929 году.

Вскоре после открытия комптоновского рассеяния значение импульса фотона p = hλ, p = hλ,

был определен Луи де Бройль. В этом уравнении, называемом соотношением де Бройля, h представляет постоянную Планка, а λ — длину волны фотона.

Рис. 21.11 Эффект Комптона — это название, данное рассеянию фотона электроном. Энергия и импульс сохраняются, что приводит к уменьшению обоих для рассеянного фотона.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Могут ли учащиеся придумать эквивалентное макроскопическое событие, моделирующее как импульс, так и энергию? Обсудите трудности моделирования этого в масштабе частиц.

[AL] Попросите учащихся определить, какую информацию необходимо измерить, чтобы показать, что энергия и импульс кванта сохраняются. Кроме того, студенты могут создать набор данных, который удовлетворяет уравнениям сохранения энергии и импульса, показанным на рисунке 21.11.

Мы видим, что импульс фотона мал, поскольку p = h / λ.p = h / λ. а х очень мало. По этой причине мы обычно не наблюдаем импульс фотона. Наши зеркала не отскакивают при отражении от них света, за исключением, возможно, мультфильмов. Комптон видел эффекты импульса фотона, потому что он наблюдал рентгеновские лучи, которые имеют небольшую длину волны и относительно большой импульс, взаимодействуя с самой легкой из частиц, электроном.

Рабочий пример

Сравнение импульса электрона и фотона

(a) Рассчитайте импульс видимого фотона с длиной волны 500 нм.б) Найдите скорость электрона с таким же импульсом. (c) Какова энергия электрона и как она соотносится с энергией фотона?

Стратегия

Определение импульса фотона является прямым применением его определения: p = h / λ.p = h / λ. Если мы обнаружим, что импульс фотона мал, мы можем предположить, что электрон с таким же импульсом будет нерелятивистским, что упрощает определение его скорости и кинетической энергии по классическим формулам.

Решение для (а)

Импульс фотона определяется соотношением де Бройля.

Ввод заданной длины волны фотона дает

p = 6,63 × 10–34Дж⋅с5,00 × 10–7м = 1,33 × 10–27 кгм / с. p = 6,63 × 10–34Дж⋅с5,00 × 10–7 м = 1,33 × 10–27 кг⋅м / с.

21,13

Решение для (b)

Поскольку этот импульс действительно мал, мы воспользуемся классическим выражением p = mvp = mv, чтобы найти скорость электрона с этим импульсом. Решение относительно v и использование известного значения массы электрона дает

v = pm = 1,33 × 10−27 кг⋅м / с 9,11 × 10−31 кг = 1,459.9 м / с ≈ 1460 м / с. V = pm = 1,33 × 10−27 кг⋅м / с 9,11 × 10−31 кг = 1459,9 м / с ≈ 1460 м / с.

21,14

Решение для (c)

Электрон имеет кинетическую энергию, которая классически определяется как

. KEe = 12 мв2. KEe = 12 мв2.

21,15

Таким образом,

KEe = 12 (9,11 × 10–31 кг) (1456 м / с) 2 = 9,64 × 10–25 Дж. KEe = 12 (9,11 × 10–31 кг) (1456 м / с) 2 = 9,64 × 10–25 Дж.

21,16

Преобразуя это в эВ путем умножения на (1 эВ) (1,602 × 10–19 Дж) (1 эВ) (1,602 × 10–19 Дж), получаем

KEe = 6,02 × 10−6эВ. KEe = 6,02 × 10−6эВ.

21,17

Энергия фотона E равна

E = hcλ = (6,63 × 10−34Дж⋅с) (3,00 × 108 м / с) 5,00 × 10−7м = 3,98 × 10−19 Дж = 2,48 эВ, E = hcλ = (6,63 × 10−34Джс) (3,00 × 108 м / с) 5,00 × 10-7 м = 3,98 × 10-19 Дж = 2,48 эВ,

21,18

, что примерно на пять порядков больше.

Обсуждение

Даже в огромных количествах общий импульс, который переносят фотоны, невелик. Электрон, обладающий тем же импульсом, что и фотон с длиной волны 500 нм, будет иметь скорость 1460 м / с, что явно нерелятивистски.Это подтверждается экспериментальным наблюдением, что для придания электрону того же импульса, что и фотону, требуется гораздо меньше энергии. Тем не менее, для фотонов высокой энергии, взаимодействующих с малыми массами, импульс фотона может быть значительным. Даже в больших масштабах импульс фотона может иметь влияние, если их достаточно и если нет ничего, что могло бы предотвратить медленную отдачу материи. Хвосты комет являются одним из примеров, но есть также предложения по созданию космических парусов с использованием огромных зеркал с малой массой (сделанных из алюминизированного майлара) для отражения солнечного света. В космическом вакууме зеркала постепенно откатывались бы и действительно могли ускорять космический корабль в Солнечной системе. См. Следующий рисунок.

Советы для успеха

При определении энергий в физике элементарных частиц разумнее использовать единицу эВ вместо джоулей. Использование эВ поможет вам легче распознавать различия в величинах и упростит вычисления. Кроме того, эВ используется учеными для описания энергии связи частиц и их массы покоя, поэтому использование эВ избавит от необходимости преобразовывать величины энергии.Наконец, эВ — это удобная единица измерения, связывающая электромагнитные силы с физикой элементарных частиц, поскольку один эВ — это количество энергии, отдаваемое электрону, когда он помещен в поле с разностью потенциалов 1 В.

Практические задачи

19.

Найдите импульс микроволнового фотона с длиной волны 4,00 см.

1. 0,83 × 10 ⁻³² кг ⋅ м / с
2. 1,66 × 10 ⁻³⁴ кг ⋅ м / с
3. 0,83 × 10 ⁻³⁴ кг ⋅ м / с
4. 1,66 × 10 ^-32 кг ⋅ м / с

20.

Вычислите длину волны фотона, который имеет тот же импульс, что и протон, движущийся со скоростью 1,00% от скорости света.

1. 2,43 × 10 ⁻¹⁰ м
2. 2,43 × 10 ⁻¹² м
3. 1,32 × 10 ⁻¹⁵ м
4. 1,32 × 10 ⁻¹³ м

Рис. 21.12 (a) Были предложены космические паруса, которые используют импульс солнечного света, отражающегося от гигантских маломассивных парусов, для перемещения космического корабля по Солнечной системе.Российская испытательная модель этого космического корабля (Космос-1) была запущена в 2005 году, но не вышла на орбиту из-за отказа ракеты. (b) Американская версия этого корабля, обозначенная как LightSail-1, намечена к пробным запускам в 2016 году. У него будет парус 40 м2. (Источник: Ким Ньютон / НАСА)

Ссылки на физику

LightSail-1 Project

«Предоставьте корабли или паруса, адаптированные к небесному бризу, и найдутся те, кто выдержит даже эту пустоту».

— Иоганн Кеплер (в письме Галилео Галилею в 1608 году)

Рисунок 21.13 НАСА NanoSail-D, предшественник LightSail-1, с развернутыми парусами. Планетарное общество запустит LightSail-1 в начале 2016 года. (Источник: NASA / MSFC / D, Wikimedia Commons)

Путешествие по Солнечной системе с использованием только энергии Солнца долгое время было фантазией как ученых, так и писателей-фантастов. Хотя такие физики, как Комптон, Эйнштейн и Планк, предоставили доказательства движущей силы света, технология стала доступна только недавно, чтобы по-настоящему воплотить эти видения в жизнь.В 2016 году, отправив в космос легкий спутник, проект LightSail-1 предназначен именно для этого.

Проект LightSail-1, финансируемый гражданами, возглавляемый Планетарным обществом, стоимостью 5,45 миллиона долларов призван запустить два корабля на орбиту вокруг Земли. Каждое судно оснащено солнечным парусом площадью 32 квадратных метра, который может развернуться после того, как ракета запустит его на нужную высоту. Паруса сделаны из больших зеркал, каждое четверть толщины мешка для мусора, которые будут получать импульс от фотонов, отражающих Солнце.Каждый раз, когда фотон Солнца ударяется об отражающую поверхность корабля и отскакивает от него, он придает парусу гораздо больший импульс, чем если бы фотон был просто поглощен.

Прикрепленный к трем крошечным спутникам, называемым CubeSats, совокупный объем которых не превышает буханку хлеба, полученного импульса от фотонов Солнца должно быть достаточно, чтобы зарегистрировать существенное увеличение орбитальной скорости. Цель миссии LightSail-1 — доказать, что технология, лежащая в основе движения фотонов по импульсу, надежна и может быть реализована с небольшими затратами.Испытательный полет в мае 2015 года показал, что майларовые паруса корабля могут разворачиваться по команде. Получив еще один успешный результат в 2016 году, Планетарное общество будет планировать будущие версии корабля в надежде в конечном итоге достичь межпланетных спутниковых путешествий. Хотя на несколько столетий раньше срока, фантастическое видение Кеплера, возможно, не так уж и далеко.

Если в конце концов начнется межпланетный запуск, каков будет эффект непрерывной фотонной бомбардировки на движение корабля, подобного LightSail-1?

1. Это приведет к постоянному ускорению аппарата.
2. Сначала он будет ускорять, а затем замедлять аппарат.
3. Он сначала замедлит, а затем разгонит корабль.
4. Это приведет к движению аппарата с постоянной скоростью.

Частично-волновая дуальность

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Перед тем, как приступить к этому разделу, попросите учащихся создать диаграмму наблюдений со столбцами, которые показывают, что свет подобен волне, а свет подобен частице.Подчеркните, что свет просто выполняет обе модели и что у нас нет идеальной модели для описания его свойств. Свет не выбирает , когда быть как частица, а когда — как волна.

Нам давно известно, что электромагнитное излучение подобно волне, способной к интерференции и дифракции. Теперь мы видим, что свет можно также моделировать как частицы — безмассовые фотоны с дискретной энергией и импульсом. Мы называем эту двойную природу дуальностью частицы и волны, имея в виду, что электромагнитное излучение обладает свойствами как частиц, так и волн.Это может показаться противоречивым, поскольку мы обычно имеем дело с большими объектами, которые никогда не действуют как волны и частицы. Например, океанская волна совсем не похожа на песчинку. Однако эта так называемая двойственность — это просто термин, обозначающий свойства фотона, аналогичные явлениям, которые мы можем наблюдать непосредственно в макроскопическом масштабе. См. Рисунок 21.14. Если этот термин кажется странным, то это потому, что мы обычно не наблюдаем детали на квантовом уровне напрямую, и наши наблюдения дают либо частичные , либо волновые свойства , но никогда оба одновременно.

Рис. 21.14 (a) Интерференционная картина для света через двойную щель — это волновое свойство, которое понимается по аналогии с волнами на воде. (б) Свойства фотонов, имеющих квантованную энергию и импульс и действующих как сконцентрированная единица, понимаются по аналогии с макроскопическими частицами.

Поскольку у нас есть дуализм частица-волна для фотонов, и поскольку мы видели связи между фотонами и материей в том, что оба имеют импульс, разумно спросить, существует ли дуализм частица-волна для материи.Если электромагнитное излучение, которое мы когда-то считали чистой волной, обладает свойствами частиц, возможно ли, что материя имеет волновые свойства? Ответ, как ни странно, положительный. Последствия этого огромны, поскольку дуальность частиц и волн была постоянным источником научных чудес в двадцатом и двадцать первом веках.

Проверьте свое понимание

21.

Какие фундаментальные физические свойства сохраняются в комптоновском рассеянии?

1. энергия и длина волны
2. энергия и импульс
3. масса и энергия
4. энергия и угол

22.

Почему классические или релятивистские уравнения импульса не работают при объяснении сохранения импульса, происходящего при комптоновском рассеянии?

1. , потому что ни классические, ни релятивистские уравнения импульса не используют массу в качестве переменной в своих уравнениях
2. , потому что релятивистские уравнения импульса используют массу в качестве переменной в своих формулах, а классические уравнения импульса не используют
3. , потому что классические уравнения импульса используют массу в качестве переменной в своих формулах, а релятивистские уравнения импульса — нет.
4. , потому что и классические, и релятивистские уравнения импульса используют массу в качестве переменной в своих формулах.

23.

Если бы солнечные паруса были построены из более массивных материалов, как это повлияло бы на их эффективность?

1. Эффект импульса будет увеличиваться из-за уменьшения инерции парусов.
2. Эффект импульса уменьшился бы из-за уменьшения инерции парусов.
3. Эффект инерции будет увеличиваться из-за увеличения инерции парусов.
4. Эффект инерции будет уменьшен из-за повышенной инерции парусов.

24.

Верно или нет. Можно привести в движение корабль с солнечным парусом, используя только частицы солнечного ветра.

1. правда
2. ложь

25.

Верно или неверно. Импульс фотона более прямо поддерживает волновую модель света.

1. ложь
2. правда

26.

Верно или неверно — дуальность волна-частица существует для объектов макроскопического масштаба.

1. ложь
2. правда

27.

Какой тип электромагнитного излучения использовался при комптоновском рассеянии?

1. видимый свет
2. ультрафиолетовое излучение
3. радиоволны
4. Рентгеновские снимки

.

No related posts.