Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
• 1. Якія факты гавораць аб наяўнасці ў святла карпускулярных уласцівасцей?
2. Што такое чырвоная мяжа фотаэфекту?
§ 68. ФАТОНЫ
У сучаснай фізіцы фатон разглядаецца як адна з элементарных часціц. Табліца элементарных часціц ужо многія дзесяткі гадоў пачынаецца з фатона.
Энергія і імпульс фатона. Пры выпраменьванні і паглынанні святло паводзіць сябе падобна да патоку часціц з энергіяй Е = hv, якая залежыць ад частаты. Порцыя святла аказалася нечакана вельмі падобнай да той, што прынята называць часціцай. Уласцівасці святла, якія выяўляюцца пры выпраменьванні і паглынанні, называюць карпускулярнымі. Сама ж светлавая часціца была названа фатонам або квантам электрамагнітнага выпраменьвання.
Фатон, падобна да часціц, валодае пэўнай порцыяй энергіі hv. Энергію фатона часта выражаюць не праз частату v, а праз цыклічную частату co = 2nv. Пры гэтым у якасці каэфіцыента прапарцыянальнасці замест велічыні h выкарыстоўваюць велічыню h=— (чытаецца: аш з рыскай), роўную па сучасных даных,
h= 1,0545887 IO"34 Дж • с
(апошнія два знакі вызначаны з дакладнасцю ±57).
Тады энергія фатона выражаецца так:
Е = hv — Ны. (8.4)
Згодна з тэорыяй адноснасці энергія заўсёды звязана з масай суадносінай Е = пгс2. Паколькі энергія фатона роўна hv, то, значыць, яго маса m вызначаецца так:
/IV
"г=7 (8.5)
190
Фатон не мае масы спакою то, г. зн. ён не існуе ў стане спакою, і пры нараджэнні адразу атрымлівае скорасць с. Маса, якая вызначаецца формулай (8.5),— гэта маса фатона, што рухаецца. Па вядомай масе і скорасці фатона можна знайсці яго імпульс:
hv h
р = тс= (8.6)
Накіраваны імпульс фатона па светлавому праменю.
Чым большая частата, тым большыя энергія і імпульс фатона і тым дакладней выражаны карпускулярныя ўласцівасці святла. 3за таго што пастаянная Планка малая, энергія фатонаў бачнага святла вельмі нязначная. Фатоны, якія адпавядаюць зялёнаму святлу, маюць энергію 4 10 —19 Дж.
Тым не менш у выдатных доследах С. I. Вавілава было ўстаноўлена, што чалавечае вока, гэты самы тонкі з «прыбораў», здольны рэагаваць на розніцу асветленасці, якая вымяраецца адзінкавымі квантамі.
Карпускулярнахвалевы дуалізм. Такім чынам, вучоныя былі вымушаны ўвесці ўяўленне аб святле як аб патоку часціц. Можа паказацца, што гэта вяртанне да карпускулярнай тэорыі Ньютана. Аднак нельга забываць, што інтэрферэнцыя і дыфракцыя святла зусім дакладна гавораць аб наяўнасці ў святла хвалевых уласцівасцей. Святло ўладае своеасаблівым дуалізмам (дваістасцю) уласцівасцей. Пры распаўсюджванні святла праяўляюцца яго хвалевыя ўласцівасці, а пры ўзаемадзеянні з рэчывам (выпраменьванні і паглынанні) — карпускулярныя. Усё гэта, вядома, дзіўна і непрывычна. Мы не маем магчымасці ўявіць сабе наглядна, як жа гэта можа быць. Але тым не менш гэта факт. Мы пазбаўлены магчымасці ўяўляць сабе наглядна ў поўнай меры працэсы ў мікрасвеце, таму што яны зусім адрозныя ад тых макраскапічных з’яў, якія людзі назіралі на працягу мільёнаў гадоў і асноўныя законы якіх былі сфармуляваны к канцу XIX ст.
3 цягам часу дваістасць уласцівасцей была адкрыта ў электронаў і іншых элементарных часціц. Электрон, у прыватнасці, разам з карпускулярнымі ўласцівасцямі ўладае таксама і хвалевымі. Назіраецца дыфракцыя і інтэрферэнцыя электронаў.
Гэтыя незвычайныя ўласцівасці мікрааб’ектаў апісваюцца з дапамогай квантавай механікі — сучаснай тэорыі руху мікрачасціц. Механіка Ньютана аказваецца тут непрымянімай. Але вывучэнне квантавай механікі выходзіць за межы школьнага курса фізікі.
Фатон — элементарная часціца, пазбаўленая масы спакою і электрычнага зараду, але якая ўладае энергіяй і імпульсам. Гэта квант электрамагнітнага поля, якое ажыццяўляе ўзаемадзеянне паміж зараджанымі часціцамі. Паглынанне і выпраменьванне электрамагнітнай энергіі асобнымі порцыямі — праяўленне карпускулярных уласцівасцей электрамагнітнага поля.
191
Карпускулярнахвалевы дуалізм уласцівасцей ёсць агуль ная ўласцівасць матэрыі, якая праяўляецца на мікраскапічным узроўні.
• 1. Як вызначыць энергію, масу і імпульс фатона, ведаючы частату ваганняў святла v? 2. Што разумеецца пад словамі «карпускулярнахвалевы дуалізм»?
§ 69. ПРЫМЯНЕННЕ ФОТАЭФЕКТУ
Адкрыццё фотаэфекту мела вельмі вялікае значэнне для больш глыбокага разумення прыроды святла. Але каштоўнасць навукі заключаецца не толькі ў тым, што яна высвятляе складаную і разнастайную будову навакольнага свету, але і ў тым, што яна дае нам у рукі сродкі, выкарыстоўваючы якія можна ўдасканальваць вытворчасць, паляпшаць умовы матэрыяльнага і культурнага жыцця грамадства.
3 дапамогай фотаэфекту «загаварыла» кіно і стала магчымай перадача рухомых відарысаў (тэлебачанне). Прымяненне фотаэлектронных прыбораў дазволіла стварыць станкі, якія без усялякага ўдзелу чалавека вырабляюць дэталі па зададзеных чарцяжах. Заснаваныя на фотаэфекце прыборы кантралююць размеры вырабаў лепш за любога чалавека, своечасова ўключаюць і выключаюць маякі і вулічнае асвятленне і да т. п.
Усё гэта аказалася магчымым дзякуючы вынаходству асобых прыстасаванняў — фотаэлементау, у якіх энергія святла кіруе энергіяй электрычнага току або пераўтвараецца ў яе.
Вакуумныя фотаэлементы. Сучасны вакуумны фотаэлемент уяўляе сабой шкляную колбу, частка ўнутранай паверхні якой пакрыта тонкім слоем металу з малой работай выхаду (рыс. 159). Гэта катод 1. Праз празрыстае «акенца» святло пранікае ўнутр колбы. У яе цэнтры размешчана пятля з дроту або дыск — анод 2, які служыць для ўлоўлівання фотаэлектронаў. Анод далучаюць да дадатнага полюса батарэі. Фотаэлементы, якія прымяняюцца, рэагуюць на бачнае святло і нават на інфрачырвоныя прамяні.
Пры пападанні святла на катод фотаэлемента ў ланцугу ўзнікае электрычны ток, які ўключае або выключае тое ці іншае рэле. Камбінацыя фотаэлемента з рэле дазваляе канструяваць мноства розных аўтаматаў, якія «бачаць». Адным з іх з’яўляецца аўтамат у метро. Ен спрацоўвае пры перасячэнні светлавога пучка, калі папярэдне не апушчана пятнаццацікапеечная манета.
Падобнага роду аўтаматы могуць папярэджваць аварыі. На заводзе фотаэлемент амаль імгненна спыняе магутны прэс, калі рука чалавека акажацца ў небяспечнай зоне.
3 дапамогай фотаэлементаў ажыццяўляецца ўзнаўленне гуку, запісанага на фотаплёнцы.
Паўправадніковыя фотаэлементы. Акрамя разгледжанага ў гэтым раздзеле фотаэфекту, які называецца знешнім фота
192
эфектам, разнастайныя прымяненні знаходзіць унутраны фотаэфект у паўправадніках. Гэта з’ява выкарыстоўваецца у фотарэзістарах — прыборах, супраціўленне якіх залежыць ад асветленасці (гл. § 76 падручніка фізікі для X класа). Акрамя таго, сканструяваны паўправадніковыя фотаэлементы, якія ствараюць ЭРС і непасрэдна пераўтвараюць энергію выпраменьвання ў энергію электрычнага току. ЭРС, якая называецца ў дадзеным выпадку фотаЭРС, узнікае ў вобласці р — nпераходу двух паўправаднікоў (гл. § 73 падручніка фізікі для X класа) пры абпраменьванні гэтай вобласці святлом. Пад дзеяннем святла ўтвараюцца пары электрон — дзірка. У вобласці р — nпераходу існуе электрычнае поле. Гэта поле прымушае неасноўныя носьбіты паўправаднікоў перамяшчацца праз кантакт. Дзіркі з паўправадніка nтыпу перамяшчаюцца ў паўправаднік ртыпу, а электроны з паўправадніка ртыпу — у вобласць nтыпу, што прыводзіць да назапашвання асноўных носьбітаў у паўправадніках п і ртыпаў. У выніку патэнцыял паўправадніка ртыпу павялічваецца, a nтыпу памяншаецца. Гэта адбываецца да той пары, пакуль ток неасноўных носьбітаў праз р — nпераход зраўнуецца з токам асноўных носьбітаў праз гэты ж пераход. Паміж паўправаднікамі ўстанаўліваецца ў гэты момант рознасць патэнцыялаў, роўная фотаЭРС.
Калі замкнуць ланцуг праз знешнюю нагрузку, то ў ланцугу пойдзе ток, які вызначаецца рознасцю токаў неасноўных і асноўных носьбітаў праз р — nпераход (рыс. 160). Сіла току залежыць ад інтэнсіўнасці падаючага святла і супраціўлення нагрузкі R.
Фотаэлементы з р — nпераходам ствараюць ЭРС парадку 1—2 В. Іх выхадная магутнасць дасягае соцень ват пры каэфіцыенце карыснага дзеяння да 20 %. Фотаэлементы малой магутнасці выкарыстоўваюцца ў фотаэкспанометрах. Асабліва шырокае прымяненне яны атрымалі пры вырабе сонечных батарэй, якія ўстанаўліваюцца на касмічных караблях (рыс. 161). На жаль, пакуль такія батарэі даволі дарагія.
Шырока прымяняюцца вакуумныя і паўправадніковыя фотаэлементы. Апошнія ствараюць фотаЭРС.
7 Фізіка. 11
193
§ 70. ЦІСК СВЯТЛА
Максвел на аснове электрамагнітнай тэорыі святла прадказаў, што святло павінна аказваць ціск на перашкоды. Вымераў ціск святла П М. Лебедзеў.
Пад дзеяннем электрычнага поля хвалі электроны ў целах робяць ваганні. Утвараецца электрычны ток. Гэты ток накіраваны ўздоўж напружанасці электрычнага поля (рыс. 162). На электро
ны, якія ўпарадкавана рухаюцца, дзейнічае сіла Лорэнца F з боку магнітнага поля, накіраваная ў бок распаўсюджвання хвалі. Гэта і ёсць сіла светлавога ціску.
Для доказу справядлівасці тэорыі Максвела было важна вымераць ціск святла. Многія вучоныя спрабавалі гэта зрабіць, але не мелі поспеху, таму што
светлавы ціск вельмі малы. У яркі, сонечны дзень на паверхню плошчай 1 м2 дзейнічае сіла, роўная ўсяго толькі 4 • 10~8 Н. Упершыню ціск святла вымераў вядомы рускі фізік Пётр Мікалаевіч Лебедзеў у 1900 г.
Прыбор Лебедзева складаўся з вельмі лёгкага стрыжанька на тонкай шкляной нітцы, па краях якой былі прыклеены лёгкія
крыльцы (рыс. 163). Увесь прыбор змяшчаўся ў сасуд, з якога было выпампавана паветра. Святло падала на крыльцы, размешчаныя па адзін бок ад стрыжанька. Аб велічыні ціску можна было меркаваць па вуглу закручвання ніткі. Цяжкасці дакладнага вымярэння ціску святла былі звязаны з немагчымасцю выпампаваць з сасуда ўсё паветра (рух малекул паветра, выкліканы неаднолькавым награваннем крыльцаў і сценак сасуда, прыводзіць да ўзнікнення дадатковых вярчальных момантаў). Акрамя таго, на закручванне ніткі ўплывае неаднолькавае награванне бакоў крыльцаў (бок, звернуты да крыніцы святла, награваецца больш за процілеглы бок). Малекулы, якія адбіваюцца ад больш нагрэтага боку, перадаюць крыльцу большы імпульс, чым малекулы, што адбіваюцца ад менш нагрэтага боку.
I Лебедзеў змог пераадолець усе гэтыя цяж
КНІГІ ОНЛАЙН
