ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.04.2024
Просмотров: 14
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
F предметный пучок 3 освещает объект S и рассеивается на нем. Часть рассеянного света попадает на фотопластинку, где он интерферирует с опорным пучком. Возникающую интерференционную картину фиксируют на фотоэмульсии. Это и есть голограмма.
Заметим, что по своему внешнему виду голограмма нисколько не похожа на объект. Она представляет собой систему интерференционных максимумов и минимумов, аналогичных, например, системе колец Ньютона
Когерентность и монохроматичность обычных источников света недостаточны для получения голограмм. Именно поэтому в течение полутора десятков лет голография, по словам Габора, находилась в длительной спячке. Лишь в 1960 г. были изобретены оптические квантовые генераторы — лазеры излучающие весьма когерентный свет с длиной цуга, в несколько тысяч раз большей длины цуга от обычных источников света ртутных ламп).
С помощью когерентного света от лазеров удается получить весьма качественные голограммы.
Метод получения цветных голограмм предложил в 1962 г. Ю. Н. Денисюк, удостоенный за эту работу Государственной премии.
Голограмму характеризует значительно большая емкость информации по сравнению с фотоснимком. Так, если на листке фотобумаги или на фотопленке размером 6x9 мм можно поместить одну страницу печатного текста, то на этой же площади можно (в зависимости от качества эмульсии) записать от 100 до
300 голограмм. В настоящее время, при резком росте объема печатной продукции, проблема компактных хранилищ информации становится острой и в будущем станет еще острее. Голографирование позволяет решить эту проблему.
18.1 КВАНТОВАЯ ОПТИКА. Тепловое излучение
Все тела, нагретые до высокой температуры, начинают светиться. Излучение, испускаемое нагретыми телами, называют тепловым. Всякое нагретое тело является источником теплового излучения.
Каждое тело не только испускает, но и поглощает излучение. Опыты показывают, что в том случае, если температура тела остается постоянной, чем лучше тело излучает при данной температуре, тем лучше оно и поглощает, причем это справедливо для электромагнитных волн любой частоты. Этот результат соответствует закону сохранения энергии.
Спектральная плотность энергетической светимости по определению равна отношению интенсивности светового потока данной длины волны
I, (см. § 14.4) к ширине спектрального интервала АХ, т. е. отношению мощности Рх, излучаемой электромагнитными волнами данной длины, к ширине спектрального диапазона и площади S излучающей поверхности:
Полная лучеиспускательная способность тела RT складывается из лучеиспускательных способностей всевозможных частот, испускаемых телом:
Характеристикой способности любого тела поглощать энергию падающего па него света является поглощательная способность
Поглощательная способность показывает, какая доля энергии, доставляемой за единичное время на единичную площадь поверхности тела падающим на него светом с длиной волны X, поглощается телом.
Тело, которое при любой не разрушающей его температуре полностью поглощает всю энергию падающего на него света любой частоты, называют абсолютно черным телом.
Кирхгоф установил закон, носящий его имя. Закон Кирхгофа гласит:
отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от материала тела и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела для данной частоты (данной длины волны) при данной температуре:
18.2 Законы излучения абсолютно черного тела
В 1884 г. Больцман теоретически доказал, что
полная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела (интенсивность излучения) прямо пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры:
Этот закон называют законом Стефана — Больцмана. Экспериментально он был установлен Стефаном в 1879 г. Коэффициент пропорциональности а называют постоянной Стефана. Для абсолютно черного тела
Из закона Стефана — Больцмана следует, что излучение абсолютно черного тела определяется только его температурой.
длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его
термодинамической температуре.
18.3 Фотоэлектрический эффект
1887 г. Г. Герц обнаружил, что если осветить отрицательный электрод искрового разрядника ультрафиолетовым излучением, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствие освещения. Герцу не удалось дать правильное объяснение этому явлению. Опыты В. Гальвакса и в особенности тщательные исследования А. Г. Столетова, проведенные в 1888—1889 гг., позволили выяснить сущность явления, обнаруженного Герцем: оно обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из металлического катода разрядника. В дальнейшем измерения удельного заряда этих частиц показали, что они представляют собой электроны.
Явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света называют внешним фотоэлектрическим эффектом (внешним фотоэффектом или просто фотоэффектом), а вырванные таким образом электроны иногда называют фотоэлектронами.
Если от источника света S лучи направить на отрицательно заряженную пластину D, в цепи возникает электрический ток. Его называют фототоком.
Экспериментально установлены три закона внешнего фотоэффекта:
максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;
для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота света v0, при которой еще возможен внешний фотоэффект;
число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1 с (фото- ток насыщения), прямо пропорционально интенсивности света.
Анализируя свойства электромагнитного излучения, он пришел к выводу, что сама электромагнитная волна состоит из отдельных порций — квантов
18.4 Фотоэлементы
Фотоэлектрический эффект нашел широкое применение и технике. На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы
Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный сосуд, в котором создан глубокий вакуум.
Сила фотототока в вакуумных фотоэлементах обычно мала (от 20 до 80 мкА ? лм’). Для усиления тока используют ударную ионизацию газа (см. § 10.10). С этой целью баллон заполняют инертным газом (чаще всего аргоном) под низким давлением около 1 — 10 Па. За счет ударной ионизации сила тока возрастает в десятки раз.
Существуют светочувчтвительные полупроводники, повышение электропроводности в которых вызывается облучением светом очень малых частот, лежащих в далекой инфракрасной области спектра. Такое тепловое излучение испускается нагретыми телами. Тем самым присутствие даже слабо нагретых тел может быть обнаружено на больших расстояниях по тому действию, которое оказывает их излучение: в электрической цепи со светочувствительным полупроводником возрастает электропроводность. С помощью усилителей такой ток может быть доведен до значений, позволяющих обнаружить нагретое и излучающее тело.
п
Заметим, что по своему внешнему виду голограмма нисколько не похожа на объект. Она представляет собой систему интерференционных максимумов и минимумов, аналогичных, например, системе колец Ньютона
Когерентность и монохроматичность обычных источников света недостаточны для получения голограмм. Именно поэтому в течение полутора десятков лет голография, по словам Габора, находилась в длительной спячке. Лишь в 1960 г. были изобретены оптические квантовые генераторы — лазеры излучающие весьма когерентный свет с длиной цуга, в несколько тысяч раз большей длины цуга от обычных источников света ртутных ламп).
С помощью когерентного света от лазеров удается получить весьма качественные голограммы.
Метод получения цветных голограмм предложил в 1962 г. Ю. Н. Денисюк, удостоенный за эту работу Государственной премии.
Голограмму характеризует значительно большая емкость информации по сравнению с фотоснимком. Так, если на листке фотобумаги или на фотопленке размером 6x9 мм можно поместить одну страницу печатного текста, то на этой же площади можно (в зависимости от качества эмульсии) записать от 100 до
300 голограмм. В настоящее время, при резком росте объема печатной продукции, проблема компактных хранилищ информации становится острой и в будущем станет еще острее. Голографирование позволяет решить эту проблему.
18.1 КВАНТОВАЯ ОПТИКА. Тепловое излучение
Все тела, нагретые до высокой температуры, начинают светиться. Излучение, испускаемое нагретыми телами, называют тепловым. Всякое нагретое тело является источником теплового излучения.
Каждое тело не только испускает, но и поглощает излучение. Опыты показывают, что в том случае, если температура тела остается постоянной, чем лучше тело излучает при данной температуре, тем лучше оно и поглощает, причем это справедливо для электромагнитных волн любой частоты. Этот результат соответствует закону сохранения энергии.
Спектральная плотность энергетической светимости по определению равна отношению интенсивности светового потока данной длины волны
I, (см. § 14.4) к ширине спектрального интервала АХ, т. е. отношению мощности Рх, излучаемой электромагнитными волнами данной длины, к ширине спектрального диапазона и площади S излучающей поверхности:
Полная лучеиспускательная способность тела RT складывается из лучеиспускательных способностей всевозможных частот, испускаемых телом:
Характеристикой способности любого тела поглощать энергию падающего па него света является поглощательная способность
Поглощательная способность показывает, какая доля энергии, доставляемой за единичное время на единичную площадь поверхности тела падающим на него светом с длиной волны X, поглощается телом.
Тело, которое при любой не разрушающей его температуре полностью поглощает всю энергию падающего на него света любой частоты, называют абсолютно черным телом.
Кирхгоф установил закон, носящий его имя. Закон Кирхгофа гласит:
отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от материала тела и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела для данной частоты (данной длины волны) при данной температуре:
18.2 Законы излучения абсолютно черного тела
В 1884 г. Больцман теоретически доказал, что
полная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела (интенсивность излучения) прямо пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры:
Этот закон называют законом Стефана — Больцмана. Экспериментально он был установлен Стефаном в 1879 г. Коэффициент пропорциональности а называют постоянной Стефана. Для абсолютно черного тела
Из закона Стефана — Больцмана следует, что излучение абсолютно черного тела определяется только его температурой.
длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его
термодинамической температуре.
18.3 Фотоэлектрический эффект
1887 г. Г. Герц обнаружил, что если осветить отрицательный электрод искрового разрядника ультрафиолетовым излучением, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствие освещения. Герцу не удалось дать правильное объяснение этому явлению. Опыты В. Гальвакса и в особенности тщательные исследования А. Г. Столетова, проведенные в 1888—1889 гг., позволили выяснить сущность явления, обнаруженного Герцем: оно обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из металлического катода разрядника. В дальнейшем измерения удельного заряда этих частиц показали, что они представляют собой электроны.
Явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света называют внешним фотоэлектрическим эффектом (внешним фотоэффектом или просто фотоэффектом), а вырванные таким образом электроны иногда называют фотоэлектронами.
Если от источника света S лучи направить на отрицательно заряженную пластину D, в цепи возникает электрический ток. Его называют фототоком.
Экспериментально установлены три закона внешнего фотоэффекта:
максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;
для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота света v0, при которой еще возможен внешний фотоэффект;
число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1 с (фото- ток насыщения), прямо пропорционально интенсивности света.
Анализируя свойства электромагнитного излучения, он пришел к выводу, что сама электромагнитная волна состоит из отдельных порций — квантов
18.4 Фотоэлементы
Фотоэлектрический эффект нашел широкое применение и технике. На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы
Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный сосуд, в котором создан глубокий вакуум.
Сила фотототока в вакуумных фотоэлементах обычно мала (от 20 до 80 мкА ? лм’). Для усиления тока используют ударную ионизацию газа (см. § 10.10). С этой целью баллон заполняют инертным газом (чаще всего аргоном) под низким давлением около 1 — 10 Па. За счет ударной ионизации сила тока возрастает в десятки раз.
Существуют светочувчтвительные полупроводники, повышение электропроводности в которых вызывается облучением светом очень малых частот, лежащих в далекой инфракрасной области спектра. Такое тепловое излучение испускается нагретыми телами. Тем самым присутствие даже слабо нагретых тел может быть обнаружено на больших расстояниях по тому действию, которое оказывает их излучение: в электрической цепи со светочувствительным полупроводником возрастает электропроводность. С помощью усилителей такой ток может быть доведен до значений, позволяющих обнаружить нагретое и излучающее тело.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом обладают известной инерционностью. Фототок не сразу достигает максимума при включении и не сразу спадает до темнового тока при выключении света.
18.5 Люминесценция
Люминесценция — это излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением и продолжающееся значительно дольше периода световых колебаний. Фотолюминесценция возникает при облучении вещества видимым светом, рентгеновским или гамма-излучением. Некоторые химические реакции в веществе сопровождаются хемилюминесценцией, которая длится все время, пока идет химическая реакция.
Причиной всех люминесцентныхявлений является переход источников люминесцентного свечения в возбужденное состояние.
Обычно в возбужденном состоянии частицы вещества (центры люминесценции) находятся 10 8 с. Такая длительность возбужденного состояния характерна для флуоресценции
Люминесцентное свечение, которое сохраняется длительное время после прекращения действия возбудителя свечения, называют фосфоресценцией (от греч. «фос» — свет, «форос» — несущий).
Фосфоресценцию наблюдают у некоторых твердых тел, например у кристаллического порошка сернистого цинка. Если покрыть таким порошком поверхность картона, получится фосфоресцирующий экран, сохраняющий люминесцентное свечение в течение нескольких минут после того, как прекратит свое действие источник, вызвавший люминесценцию.
Дж. Стокс установил экспериментально, что вещество испускает, как правило, свет с большей длиной волны, чем свет, который вызывает явление фотолюминесценции (правило Стокса).
Люминесцентное свечение лежит в основе качественного и количественного люминесцентного анализа состава вещества. По интенсивности спектральных линий люминесценции определяют ничтожные примеси (порядка 10-11 г в 1 г исследуемого вещества). Люминесцентный анализ широко применяют в различных отраслях промышленности, в медицине, биологии и т. п.
На явлении люминесценции основана работа люминесцентных источников света. Обычные лампы накаливания имеют малую светоотдачу (12—20 лм/Вт), лишь несколько процентов расходуемой энергии приходится в них на излучение света в видимой области спектра. Люминесцентные источники являются очень экономичными и излучают свет в основном в узкой спектральной области видимого света. Они представляют собой ртутные лампы низкого давления в форме трубок с внутренней поверхностью, покрытой люминесцирующими веществами — люминофорами. Ртутные пары в таких лампах испускают ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминофорами. Люминесцентное свечение люминофоров по спектральному составу близко к дневному свету. Лампы дневного света широко применяют для освещения улиц, в промышленности и в быту.
18.6 Основы телевидения
Сущность телевидения заключается в том, что изображение предмета превращают в электрические сигналы, с помощью которых производят модуляцию высокочастотной электромагнитной волны
Для преобразования изображения в электрический сигнал используют явление фотоэффекта
Основной частью передающей электронно-лучевой трубки — видикона (используют также и другие трубки — иконоскопы и суперортико - ны) — является полупроводниковый экран — мишень, на которой с помощью специальной оптической системы создают изображение некоторого объекта. За счет фотоэффекта полупроводник заряжается положительно, причем потенциал разных участков различен вследствие разницы в их освещенности. По этой мишени пробегает электронный пучок, «считывая» строка за строкой изображение. За секунду электронный пучок пробегает 625 строк, причем в процессе пробегания по строке сила тока в пучке меняется за счет изменения потенциала отдельных участков, имеющих разную освещенность
Цветной кинескоп имеет три «электронные пушки», которые посылают три электронных пучка на экран. У цветного кинескопа экран состоит из огромного числа (порядка миллиона) люми- несцирующнх ячеек, в каждой из которых есть три круглых зерна, испускающих соответственно красный, зеленый и синий свет. Каждое из этих зерен возбуждается своим пучком и светит с разной интенсивностью в зависимости от силы тока в пучке, что определяется характером его модуляции. Так на экране возникает цветное изображение.
18.7 Световое давление. Импульс фотона
1. Происхождение светового давления можно пояснить на примере воздействия электромагнитной волны на лист металла. Под действием электрической составляющей Е поля электромагнитной волны электрон со скоростью v движется в направлении, противоположном направлению вектора напряженности электрического поля; магнитная составляющая В поля действует на движущийся электрон с силой Лоренца Fm..
Средняя сила, действующая на электроны поверхности металла, определяет силу давления, а ее отношение к площади — световое давление.
* 2. Максвелл нашел формулу и показал, что давление электромагнитной волны
Рис. 18.7
Вывод Максвелла о наличии светового давления был встречен с недоверием со стороны ряда крупных ученых. Возникла необходимость в экспериментальной проверке данного результата. Решающий эксперимент поставил в 1900 г. П. И. Лебедев, сумевший обнаружить и измерить давление света на твердые тела. В 1907—1910 гг. он обнаружил также наличие светового давления на газы.
4. Наличие у фотона импульса позволяет объяснить причину светового давления по аналогии с давлением потока частиц (см. гл. 4). В самом деле, пусть на поверхность какого-либо тела в одном направлении, например перпендикулярно поверхности, падает свет. Предположим, что за 1 с на 1 м2 поверхности тела падает п фотонов. Часть из них поглотится стенкой (неупругое соударение), и каждый из них передаст ей свой импульс р = — . Часть же фотонов отразится (упругое соударение). Отраженный фотон полетит от зеркальной стенки в противоположном направлении.
18.8 Эффект Комптона
Основным экспериментальным доказательством наличия у фотона импульса является эффект Комптона, открытый в 1922 г. при изучении рассеяния рентгеновского излучения в веществе. За открытие нового эффекта А. Комптон в 1927 г. был удостоен Нобелевской премии. В 1923 г. А. Комптон и независимо от него П. Дебай объяснили это явление с точки зрения квантовой теории. Рассмотрим кратко его сущность.
Согласно классической электромагнитной теории, рассеянное излучение должно иметь ту же частоту (и ту же длину волны), что и падающее на вещество излучение. Действительно, излучение, падая на вещество, вызывает вынужденные колебания электронов, которые за счет этого излучают электромагнитные волны. Но при этом частота волны меняться не должна, ибо частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы, в данном случае — частоте падающей на вещество электромагнитной волны.
Эффект Комптона качественно можно объяснить, рассматривая упругое соударение фотона с неподвижным свободным (или слабо связанным) электроном (рис. 18.10). При соударении фотон передает электрону часть mv своего импульса. По закону сохранения импульса, p0=p+mv; тогда р < р0 или h И
hv < Лу0 и — < — . Следовательно, X > А,0, что и наблюдается в
X А, о
эксперименте. А так как электроны у всех веществ одинаковые, то и изменение длины волны не зависит от свойств вещества, а зависит только от угла рассеяния.
18.9 Корпускулярно-волновая двойственность свойств света
Развитие оптики, вся совокупность оптических явлений показали, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности (прерывистости), характерным для фотонов. Свет обладает одновременно и волновыми, и квантовыми свойствами. Для света характерны и волновые свойства непрерывных электромагнитных волн, и квантовые свойства дискретных фотонов. Двойственная природа света находит свое выражение в формулах, определяющих основные характеристики фотонов. Как видно из этих формул, корпускулярные характеристики фотона — энергия е и импульс р связаны с волновой характеристикой света — его частотой v |или длиной волны X = —J.
С квантовой точки зрения образование на экране дифракционной картины означает, что при прохождении фотонов через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве: в разные точки экрана попадает различное число фотонов. Освещенность Е экрана в данной точке тем больше, чем больше суммарная энергия фотонов, попадающих за 1 с в данную точку, т. е. освещенность прямо пропорциональна числу п0 фотонов, доставивших эту энергию. Таким образом, Е
п0.
Предположим, что на щель падает очень слабый световой поток, настолько слабый, что его можно было бы считать состоящим из очень небольшого числа фотонов. В пределе можно считать, что поток состоит из поочередно летящих фотонов. Каждый фотон должен проявить себя в той точке экрана, куда он попал. Однако опыты показывают, что если ослаблять световой поток, уменьшать интенсивность света, то дифракционная картина не изменится. Отношение интенсивностей светлых и темных пятен областей экрана, которое характерно для дифракции на данном препятствии, остается и при слабом световом потоке.
В реальном эксперименте создание светового потока, состоящего из поочередно летящих фотонов, невозможно. Чтобы можно было говорить о сопоставлении с экспериментом, необходимо вообразить, что опыт с попаданием фотона в какую-то точку экрана повторяется очень много раз. При каждом таком опыте фотон с определенной вероятностью может попадать в ту или иную точку. Результат «стрельбы фотонами по препятствиям», если наблюдать ее длительное время, окажется таким же, как если бы одновременно проходил световой поток, состоящий из большого числа фотонов. Дифракционная картина будет соответствовать тому реальному распределению светлых и темных мест на экране, которое характерно для дифракции на данном препятствии.
Сопоставив два выражения: Е
А2 и Е
п0, — получим, что А2
п
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом обладают известной инерционностью. Фототок не сразу достигает максимума при включении и не сразу спадает до темнового тока при выключении света.
18.5 Люминесценция
Люминесценция — это излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением и продолжающееся значительно дольше периода световых колебаний. Фотолюминесценция возникает при облучении вещества видимым светом, рентгеновским или гамма-излучением. Некоторые химические реакции в веществе сопровождаются хемилюминесценцией, которая длится все время, пока идет химическая реакция.
Причиной всех люминесцентныхявлений является переход источников люминесцентного свечения в возбужденное состояние.
Обычно в возбужденном состоянии частицы вещества (центры люминесценции) находятся 10 8 с. Такая длительность возбужденного состояния характерна для флуоресценции
Люминесцентное свечение, которое сохраняется длительное время после прекращения действия возбудителя свечения, называют фосфоресценцией (от греч. «фос» — свет, «форос» — несущий).
Фосфоресценцию наблюдают у некоторых твердых тел, например у кристаллического порошка сернистого цинка. Если покрыть таким порошком поверхность картона, получится фосфоресцирующий экран, сохраняющий люминесцентное свечение в течение нескольких минут после того, как прекратит свое действие источник, вызвавший люминесценцию.
Дж. Стокс установил экспериментально, что вещество испускает, как правило, свет с большей длиной волны, чем свет, который вызывает явление фотолюминесценции (правило Стокса).
Люминесцентное свечение лежит в основе качественного и количественного люминесцентного анализа состава вещества. По интенсивности спектральных линий люминесценции определяют ничтожные примеси (порядка 10-11 г в 1 г исследуемого вещества). Люминесцентный анализ широко применяют в различных отраслях промышленности, в медицине, биологии и т. п.
На явлении люминесценции основана работа люминесцентных источников света. Обычные лампы накаливания имеют малую светоотдачу (12—20 лм/Вт), лишь несколько процентов расходуемой энергии приходится в них на излучение света в видимой области спектра. Люминесцентные источники являются очень экономичными и излучают свет в основном в узкой спектральной области видимого света. Они представляют собой ртутные лампы низкого давления в форме трубок с внутренней поверхностью, покрытой люминесцирующими веществами — люминофорами. Ртутные пары в таких лампах испускают ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминофорами. Люминесцентное свечение люминофоров по спектральному составу близко к дневному свету. Лампы дневного света широко применяют для освещения улиц, в промышленности и в быту.
18.6 Основы телевидения
Сущность телевидения заключается в том, что изображение предмета превращают в электрические сигналы, с помощью которых производят модуляцию высокочастотной электромагнитной волны
Для преобразования изображения в электрический сигнал используют явление фотоэффекта
Основной частью передающей электронно-лучевой трубки — видикона (используют также и другие трубки — иконоскопы и суперортико - ны) — является полупроводниковый экран — мишень, на которой с помощью специальной оптической системы создают изображение некоторого объекта. За счет фотоэффекта полупроводник заряжается положительно, причем потенциал разных участков различен вследствие разницы в их освещенности. По этой мишени пробегает электронный пучок, «считывая» строка за строкой изображение. За секунду электронный пучок пробегает 625 строк, причем в процессе пробегания по строке сила тока в пучке меняется за счет изменения потенциала отдельных участков, имеющих разную освещенность
Цветной кинескоп имеет три «электронные пушки», которые посылают три электронных пучка на экран. У цветного кинескопа экран состоит из огромного числа (порядка миллиона) люми- несцирующнх ячеек, в каждой из которых есть три круглых зерна, испускающих соответственно красный, зеленый и синий свет. Каждое из этих зерен возбуждается своим пучком и светит с разной интенсивностью в зависимости от силы тока в пучке, что определяется характером его модуляции. Так на экране возникает цветное изображение.
18.7 Световое давление. Импульс фотона
1. Происхождение светового давления можно пояснить на примере воздействия электромагнитной волны на лист металла. Под действием электрической составляющей Е поля электромагнитной волны электрон со скоростью v движется в направлении, противоположном направлению вектора напряженности электрического поля; магнитная составляющая В поля действует на движущийся электрон с силой Лоренца Fm..
Средняя сила, действующая на электроны поверхности металла, определяет силу давления, а ее отношение к площади — световое давление.
* 2. Максвелл нашел формулу и показал, что давление электромагнитной волны
Рис. 18.7
Вывод Максвелла о наличии светового давления был встречен с недоверием со стороны ряда крупных ученых. Возникла необходимость в экспериментальной проверке данного результата. Решающий эксперимент поставил в 1900 г. П. И. Лебедев, сумевший обнаружить и измерить давление света на твердые тела. В 1907—1910 гг. он обнаружил также наличие светового давления на газы.
4. Наличие у фотона импульса позволяет объяснить причину светового давления по аналогии с давлением потока частиц (см. гл. 4). В самом деле, пусть на поверхность какого-либо тела в одном направлении, например перпендикулярно поверхности, падает свет. Предположим, что за 1 с на 1 м2 поверхности тела падает п фотонов. Часть из них поглотится стенкой (неупругое соударение), и каждый из них передаст ей свой импульс р = — . Часть же фотонов отразится (упругое соударение). Отраженный фотон полетит от зеркальной стенки в противоположном направлении.
18.8 Эффект Комптона
Основным экспериментальным доказательством наличия у фотона импульса является эффект Комптона, открытый в 1922 г. при изучении рассеяния рентгеновского излучения в веществе. За открытие нового эффекта А. Комптон в 1927 г. был удостоен Нобелевской премии. В 1923 г. А. Комптон и независимо от него П. Дебай объяснили это явление с точки зрения квантовой теории. Рассмотрим кратко его сущность.
Согласно классической электромагнитной теории, рассеянное излучение должно иметь ту же частоту (и ту же длину волны), что и падающее на вещество излучение. Действительно, излучение, падая на вещество, вызывает вынужденные колебания электронов, которые за счет этого излучают электромагнитные волны. Но при этом частота волны меняться не должна, ибо частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы, в данном случае — частоте падающей на вещество электромагнитной волны.
Эффект Комптона качественно можно объяснить, рассматривая упругое соударение фотона с неподвижным свободным (или слабо связанным) электроном (рис. 18.10). При соударении фотон передает электрону часть mv своего импульса. По закону сохранения импульса, p0=p+mv; тогда р < р0 или h И
hv < Лу0 и — < — . Следовательно, X > А,0, что и наблюдается в
X А, о
эксперименте. А так как электроны у всех веществ одинаковые, то и изменение длины волны не зависит от свойств вещества, а зависит только от угла рассеяния.
18.9 Корпускулярно-волновая двойственность свойств света
Развитие оптики, вся совокупность оптических явлений показали, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности (прерывистости), характерным для фотонов. Свет обладает одновременно и волновыми, и квантовыми свойствами. Для света характерны и волновые свойства непрерывных электромагнитных волн, и квантовые свойства дискретных фотонов. Двойственная природа света находит свое выражение в формулах, определяющих основные характеристики фотонов. Как видно из этих формул, корпускулярные характеристики фотона — энергия е и импульс р связаны с волновой характеристикой света — его частотой v |или длиной волны X = —J.
С квантовой точки зрения образование на экране дифракционной картины означает, что при прохождении фотонов через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве: в разные точки экрана попадает различное число фотонов. Освещенность Е экрана в данной точке тем больше, чем больше суммарная энергия фотонов, попадающих за 1 с в данную точку, т. е. освещенность прямо пропорциональна числу п0 фотонов, доставивших эту энергию. Таким образом, Е
п0.
Предположим, что на щель падает очень слабый световой поток, настолько слабый, что его можно было бы считать состоящим из очень небольшого числа фотонов. В пределе можно считать, что поток состоит из поочередно летящих фотонов. Каждый фотон должен проявить себя в той точке экрана, куда он попал. Однако опыты показывают, что если ослаблять световой поток, уменьшать интенсивность света, то дифракционная картина не изменится. Отношение интенсивностей светлых и темных пятен областей экрана, которое характерно для дифракции на данном препятствии, остается и при слабом световом потоке.
В реальном эксперименте создание светового потока, состоящего из поочередно летящих фотонов, невозможно. Чтобы можно было говорить о сопоставлении с экспериментом, необходимо вообразить, что опыт с попаданием фотона в какую-то точку экрана повторяется очень много раз. При каждом таком опыте фотон с определенной вероятностью может попадать в ту или иную точку. Результат «стрельбы фотонами по препятствиям», если наблюдать ее длительное время, окажется таким же, как если бы одновременно проходил световой поток, состоящий из большого числа фотонов. Дифракционная картина будет соответствовать тому реальному распределению светлых и темных мест на экране, которое характерно для дифракции на данном препятствии.
Сопоставив два выражения: Е
А2 и Е
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом обладают известной инерционностью. Фототок не сразу достигает максимума при включении и не сразу спадает до темнового тока при выключении света.
18.5 Люминесценция
Люминесценция — это излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением и продолжающееся значительно дольше периода световых колебаний. Фотолюминесценция возникает при облучении вещества видимым светом, рентгеновским или гамма-излучением. Некоторые химические реакции в веществе сопровождаются хемилюминесценцией, которая длится все время, пока идет химическая реакция.
Причиной всех люминесцентныхявлений является переход источников люминесцентного свечения в возбужденное состояние.
Обычно в возбужденном состоянии частицы вещества (центры люминесценции) находятся 10 8 с. Такая длительность возбужденного состояния характерна для флуоресценции
Люминесцентное свечение, которое сохраняется длительное время после прекращения действия возбудителя свечения, называют фосфоресценцией (от греч. «фос» — свет, «форос» — несущий).
Фосфоресценцию наблюдают у некоторых твердых тел, например у кристаллического порошка сернистого цинка. Если покрыть таким порошком поверхность картона, получится фосфоресцирующий экран, сохраняющий люминесцентное свечение в течение нескольких минут после того, как прекратит свое действие источник, вызвавший люминесценцию.
Дж. Стокс установил экспериментально, что вещество испускает, как правило, свет с большей длиной волны, чем свет, который вызывает явление фотолюминесценции (правило Стокса).
Люминесцентное свечение лежит в основе качественного и количественного люминесцентного анализа состава вещества. По интенсивности спектральных линий люминесценции определяют ничтожные примеси (порядка 10-11 г в 1 г исследуемого вещества). Люминесцентный анализ широко применяют в различных отраслях промышленности, в медицине, биологии и т. п.
На явлении люминесценции основана работа люминесцентных источников света. Обычные лампы накаливания имеют малую светоотдачу (12—20 лм/Вт), лишь несколько процентов расходуемой энергии приходится в них на излучение света в видимой области спектра. Люминесцентные источники являются очень экономичными и излучают свет в основном в узкой спектральной области видимого света. Они представляют собой ртутные лампы низкого давления в форме трубок с внутренней поверхностью, покрытой люминесцирующими веществами — люминофорами. Ртутные пары в таких лампах испускают ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминофорами. Люминесцентное свечение люминофоров по спектральному составу близко к дневному свету. Лампы дневного света широко применяют для освещения улиц, в промышленности и в быту.
18.6 Основы телевидения
Сущность телевидения заключается в том, что изображение предмета превращают в электрические сигналы, с помощью которых производят модуляцию высокочастотной электромагнитной волны
Для преобразования изображения в электрический сигнал используют явление фотоэффекта
Основной частью передающей электронно-лучевой трубки — видикона (используют также и другие трубки — иконоскопы и суперортико - ны) — является полупроводниковый экран — мишень, на которой с помощью специальной оптической системы создают изображение некоторого объекта. За счет фотоэффекта полупроводник заряжается положительно, причем потенциал разных участков различен вследствие разницы в их освещенности. По этой мишени пробегает электронный пучок, «считывая» строка за строкой изображение. За секунду электронный пучок пробегает 625 строк, причем в процессе пробегания по строке сила тока в пучке меняется за счет изменения потенциала отдельных участков, имеющих разную освещенность
Цветной кинескоп имеет три «электронные пушки», которые посылают три электронных пучка на экран. У цветного кинескопа экран состоит из огромного числа (порядка миллиона) люми- несцирующнх ячеек, в каждой из которых есть три круглых зерна, испускающих соответственно красный, зеленый и синий свет. Каждое из этих зерен возбуждается своим пучком и светит с разной интенсивностью в зависимости от силы тока в пучке, что определяется характером его модуляции. Так на экране возникает цветное изображение.
18.7 Световое давление. Импульс фотона
1. Происхождение светового давления можно пояснить на примере воздействия электромагнитной волны на лист металла. Под действием электрической составляющей Е поля электромагнитной волны электрон со скоростью v движется в направлении, противоположном направлению вектора напряженности электрического поля; магнитная составляющая В поля действует на движущийся электрон с силой Лоренца Fm..
Средняя сила, действующая на электроны поверхности металла, определяет силу давления, а ее отношение к площади — световое давление.
* 2. Максвелл нашел формулу и показал, что давление электромагнитной волны
Рис. 18.7
Вывод Максвелла о наличии светового давления был встречен с недоверием со стороны ряда крупных ученых. Возникла необходимость в экспериментальной проверке данного результата. Решающий эксперимент поставил в 1900 г. П. И. Лебедев, сумевший обнаружить и измерить давление света на твердые тела. В 1907—1910 гг. он обнаружил также наличие светового давления на газы.
4. Наличие у фотона импульса позволяет объяснить причину светового давления по аналогии с давлением потока частиц (см. гл. 4). В самом деле, пусть на поверхность какого-либо тела в одном направлении, например перпендикулярно поверхности, падает свет. Предположим, что за 1 с на 1 м2 поверхности тела падает п фотонов. Часть из них поглотится стенкой (неупругое соударение), и каждый из них передаст ей свой импульс р = — . Часть же фотонов отразится (упругое соударение). Отраженный фотон полетит от зеркальной стенки в противоположном направлении.
18.8 Эффект Комптона
Основным экспериментальным доказательством наличия у фотона импульса является эффект Комптона, открытый в 1922 г. при изучении рассеяния рентгеновского излучения в веществе. За открытие нового эффекта А. Комптон в 1927 г. был удостоен Нобелевской премии. В 1923 г. А. Комптон и независимо от него П. Дебай объяснили это явление с точки зрения квантовой теории. Рассмотрим кратко его сущность.
Согласно классической электромагнитной теории, рассеянное излучение должно иметь ту же частоту (и ту же длину волны), что и падающее на вещество излучение. Действительно, излучение, падая на вещество, вызывает вынужденные колебания электронов, которые за счет этого излучают электромагнитные волны. Но при этом частота волны меняться не должна, ибо частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы, в данном случае — частоте падающей на вещество электромагнитной волны.
Эффект Комптона качественно можно объяснить, рассматривая упругое соударение фотона с неподвижным свободным (или слабо связанным) электроном (рис. 18.10). При соударении фотон передает электрону часть mv своего импульса. По закону сохранения импульса, p0=p+mv; тогда р < р0 или h И
hv < Лу0 и — < — . Следовательно, X > А,0, что и наблюдается в
X А, о
эксперименте. А так как электроны у всех веществ одинаковые, то и изменение длины волны не зависит от свойств вещества, а зависит только от угла рассеяния.
18.9 Корпускулярно-волновая двойственность свойств света
Развитие оптики, вся совокупность оптических явлений показали, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности (прерывистости), характерным для фотонов. Свет обладает одновременно и волновыми, и квантовыми свойствами. Для света характерны и волновые свойства непрерывных электромагнитных волн, и квантовые свойства дискретных фотонов. Двойственная природа света находит свое выражение в формулах, определяющих основные характеристики фотонов. Как видно из этих формул, корпускулярные характеристики фотона — энергия е и импульс р связаны с волновой характеристикой света — его частотой v |или длиной волны X = —J.
С квантовой точки зрения образование на экране дифракционной картины означает, что при прохождении фотонов через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве: в разные точки экрана попадает различное число фотонов. Освещенность Е экрана в данной точке тем больше, чем больше суммарная энергия фотонов, попадающих за 1 с в данную точку, т. е. освещенность прямо пропорциональна числу п0 фотонов, доставивших эту энергию. Таким образом, Е