Оптические явления на границе раздела двух прозрачных сред. Законы отражения и преломления света. Абсолютный и относительный показатели преломления света.

При падении световых лучей на идеально плоскую границу раздела двух сред происходят явления отражения и преломления света.

Углом падения называется угол между падающим лучом света и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восстановленным в точке падения.

Углом отражения называется угол между отражённым лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности, восстановленным в точке отражения.

Закон отражения световых лучей.

1)Луч падающий, отражённый и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;

2)Угол падения равен углу отражения.

Отношение скорости света с в вакууме к скорости света v в данной среде

n=c/v

называется абсолютным показателем преломления данной среды.

Углом преломления называется угол между преломлённым лучом света и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным в точке преломления.

Закон преломления световых лучей.

1)Луч падающий, преломлённый и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке преломления луча, лежат в одной плоскости;

2)отношение синуса угла падения a к синусу угла преломления b есть величина постоянная для двух данных сред.

sina/sinb=n₂/n₁=v₁/v₂

где n₁ и n₂ – абсолютные показатели преломления сред, а v₁ и v₂ – скорости света в граничащих средах.

n₂/n₁=n₂₁ называется относительным показателем преломления данных сред.

Если свет переходит из оптически более плотной среды (абсолютный показатель преломления больше) в оптически менее плотную среду, то при некотором угле падения угол преломления становится равным 90^о, при этом преломление света не происходит, свет во вторую среду не переходит, а отражается от границы раздела. Это явление называется полным отражением. Наименьший угол, с которого начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения.

sina_o=n₂/n₁

 

БИЛЕТ 21

Фотоэлектрический эффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Фотоэффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передаётся электронам вещества.

Если при попадании излучения на поверхность вещества электроны вещества начинают покидать поверхность, то такое явление называется внешним фотоэффектом. Если вылет электронов с поверхности вещества не наблюдается, то это – внутренний фотоэффект.

Фотоэффект был открыт Герцем в 1887 г., а детально исследован Столетовым в 1888-1890 гг.

Опыты Столетова.

1). Излучение электродуги направлено на цинковую

пластинку. В цепи наблюдается ток, который назвали

фототоком.

2). Излучение электродуги направлено на медную

пластинку. Фототок отсутствует.

3). Если поменять полярность напряжения, т.е. цинковую

пластинку подсоединить к положительному полюсу, то фототок не наблюдается. Отсюда можно сделать вывод, что цинковая пластина под действием света испускает электроны, которые создают фототок.

Вольтамперная характеристика фототока имеет следующие особенности.

а) Фототок наблюдается даже в отсутствии напряжения и при

некотором обратном напряжении. Следовательно, электроны,

покинувшие пластинку под действием излучения, обладают

кинетической энергией, достаточной для преодоления межэлектродного пространства.

б) При некотором значении напряжения сила фототока перестаёт зависеть от напряжения, т.е. не увеличивается с увеличением напряжения. Следовательно, все электроны, покинувшие катод, достигают анода. Получаем ток насыщения.

в) При некотором значении обратного напряжения, которое называется задерживающим, фототок прекращается. Это объясняется тем, что электрическое поле тормозит вылетевший с анода электрон, кинетическая энергия электрона уменьшается. Изменение кинетической энергии равно работе сил поля. Если работа сил поля на межэлектродном промежутке равна кинетической энергии вылетевшего электрона, то электрон до противоположного электрода не долетает и фототок не наблюдается.

А_з=W_к ® eU_з=mv²_max/2

Столетов экспериментально установил законы внешнего фотоэффекта.

1.Фототок насыщения – максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, - прямопропорционально интенсивности падающего излучения.

2.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

3.Для каждого вещества существует граничная частота n _min такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения.

 

Объяснил явление фотоэффекта Эйнштейн, используя теорию Планка, согласно которой свет излучается веществом порциями или квантами. Эйнштейн предположил, что электромагнитная волна состоит из частиц – фотонов и поглощается веществом также порциями. Энергия фотона равна энергии кванта света.

Е=hn,где h=6,63 10^-34 Дж с – постоянная Планка

Энергия поглощённого фотона частично расходуется на совершение работы по преодолению сил, удерживающих электрон внутри вещества, а остаток равен кинетической энергии вылетевшего электрона. Из закона сохранения энергии следует уравнение Эйнштейна.

hn=А_о+ mv²/2

где Ао – работа выхода – работа, которую необходимо совершить для того, чтобы электрон вылетел с поверхности вещества.

Из уравнения Эйнштейна можно объяснить все законы фотоэффекта.

 

БИЛЕТ 22

Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома и её неустойчивость с точки зрения классической электродинамики. Строение атома водорода по Бору. Постулаты Бора.

Для экспериментальной проверки «пудинговой» модели атома Резерфорд провёл следующий опыт. Пучок положительно заряженных частиц (a-частиц) направлялся на сверхтонкую золотую фольгу толщиной около 400 нм. Частицы, прошедшие через фольгу, регистрировались на экране. Оказалось, что некоторая часть частиц, как и ожидалось, отклонялась на малые углы (4^о-6^о) от первоначального направления. Однако, были и такие частицы, которые рассеивались на угол больше 90^о или даже возвращались назад. Следовательно, внутри атома имеется сильное электрическое поле, которое создаётся положительным зарядом, сконцентрированным в очень малом объёме. Резерфорд предложил этот положительный заряд назвать ядром.

Основные положения ядерной модели атома, предложенной Резерфордом.

1) В центре атома расположено ядро размером d£10^-14 м;

2) Почти вся масса атома (99,96%) сосредоточена в положительно заряженном ядре. Заряд ядра q=+Ze, где Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а е – заряд электрона;

3) Электроны под действием кулоновских сил движутся по замкнутым орбитам вокруг ядра. Число электронов равно Z. Суммарный заряд электронов q=-Ze, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Такая модель называется планетарной.

Недостатки планетарной модели атома.

1) Электроны при движении по орбитам с ускорением должны непрерывно излучать электромагнитные волны с частотами, равными частотам их обращения вокруг ядра;

2) Так как излучение сопровождается потерей энергии, электроны за время порядка 10^-13 с должны упасть на ядро, и атом прекратит своё существование;

3) Частота вращения электрона по мере приближения к ядру будет изменяться непрерывно, т.е. спектр излучения атома должен быть непрерывным, а не линейчатым.

Н.Бор предложил квантовую модель атома, в основе которой лежат следующие постулаты.

1) Электрон в атоме может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определённая энергия. Когда электрон находится в стационарном состоянии, атом не излучает.

Стационарные состояния отличаются друг от друга различными орбитами, по которым движутся электроны в атоме.

2) Электрон в атоме может «скачком» переходить из одного стационарного состояния (k-го) в другое (n-е). При этом переходе испускается или поглощается квант электромагнитного поля с частотой n_kn, определяемой разностью энергий электрона в атоме в данных состояниях:

Е_kn=hn_kn=E_k-E_n Þ n_kn=(E_k-E_n)/h

Если E_k>E_n, то происходит излучение энергии, если E_k<E_n, то – поглощение энергии.

3) стационарные (разрешённые) электронные орбиты в атоме находятся из условия

mvr_n=nħ, n=1,2,3 …

 

БИЛЕТ 24

Естественная радиоактивность. a, b и g-излучения. Период полураспада. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивность – это явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием частиц, обладающих большой проникающей способностью.

Излучение можно разделить на три вида: a, b и g-лучи.

a-излучение – это испускание ядер атомов гелия. Реакции, сопровождаемые a-излучением, называются a-распадом.

a-распад может быть записан следующим образом

_Z^AX®_Z-2^A-4Y+₂⁴He

Особенности a-распада:

1)наблюдается для тяжёлых ядер с А>200;

2)энергия частиц лежит в пределах от 2 до 9 МэВ;

3)энергии и скорости испускаемых a-частиц в пучке очень близки друг к другу.

Проникающая способность a-частиц мала.

b-излучение – это испускание электронов. Реакции, сопровождаемые b-излучением, называются b-распадом.

b-распад может быть записан следующим образом

_Z^AX®_Z+1^AY+_-1⁰e

Особенности b-распада:

1)наблюдается для тяжёлых и средних ядер;

2)скорости электронов сильно различаются по величине.

Проникающая способность b-частиц гораздо больше, чем у a-частиц.

g-излучение – этофотоны очень большой энергии.