Реферат: Поляризация электромагнитных волн

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое издание содержит методические указания и типовые задания к решению задач по пятой части курса физики «Волновая и квантовая оптика ». Распределение задач по вариантам обеспечивает студентам индивидуальные наборы наиболее типичных для каждой темы задач. Для удобства выполнения индивидуальных заданий пособие содержит краткие теоретические сведения и основные расчетные формулы. Кроме того, приводятся примеры решения задач по разделам изучаемого курса.

При оформлении контрольных работ студенту-заочнику необходимо руководствоваться следующим:

1. Контрольные работы выполняются черной или синей шариковой ручкой в обычной школьной тетради (12 страниц в клетку), на обложке которой приводятся сведения по следующему образцу:

2. Выбор варианта задания осуществляется в соответствии с присвоенным студенту на период обучения номером Шифра .

3. Студент-заочник должен решить восемь (8) задач того варианта, номер которого совпадает с последними двумя цифрами его Шифра . Задачи варианта выбираются по табл. № 1 (см. с.33).

4. Условия задач переписываются в тетрадь полностью, без сокращений . Для замечаний преподавателя на страницах тетради обязательно оставляются поля шириной 4 - 5 см.

5. Решение задач и используемые формулы должны сопровождаться пояснениями.

6. Решение задач рекомендуется сначала сделать в общем виде, а затем произвести численные расчеты.

7. В конце контрольной работы указывается, какими учебными пособиями студент пользовался при выполнении контрольной работы (название, авторы, год издания).

Задания, оформленные с нарушением этих требований или содержащие ошибки, возвращаются на доработку, которая производится в той же тетради.

УЧЕБНЫЙ ПЛАН

Рекомендуемая литература

Основная литература

Дмитриева В.Д., Прокофьев В.Л. Основы физики: учебное пособие для студентов вузов. - М.: Высшая школа, 2001. –527с.

Дополнительная литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика; Т. 3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука, 1989.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1989.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1990.

4. Физика в техническом университете / под ред. Л.К. Мартинсона, А.Н. Морозова. http://fn.bmstu.ru/phys/bib/physbook/tom2/

Электронные средства информации

Перечень адресов порталов и сайтов в Интернет Е,

содержащих учебную информацию по дисциплине

Сайт кафедры физики МГТУ ГА http://physics.mstuca.ru/

Электронная информотека МГТУ ГА https://informoteka.ru

Учебники в формате DjVu

Савельев И.В. Электричество и магнетизм. Оптика. Т. 2.

http://physics.mstuca.ru/library/books/Savel'ev_2.djv

Савельев И.В. Квантовая оптика. Физика атомного ядра и элементарных частиц. Т. 3 http://physics.mstuca.ru/library/books/Savel'ev_3.djv

Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок

http://physics.mstuca.ru/library/books/Taylor.djv

Видеодемонстрации физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова http://genphys.phys.msu.su/video/

Электронный адрес кафедры физики МГТУ ГА: kf @ mstuca . ru

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА

Тема 1. Электромагнитные волны (ЭМВ)

Волновое уравнение для электромагнитной волны и его решение. Плоская гармоническая электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн. Энергия и импульс плоской электромагнитной волны. Вектор Пойнтинга. Излучение диполя.

Центральные вопросы темы : Волновое уравнение для ЭМВ. Свойства ЭМВ. Энергия и импульс ЭМВ. Вектор Пойнтинга.

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Что такое волна?

2. Запишите уравнение плоской гармонической электромагнитной волны.

3. Чему равна энергия электромагнитных волн?

4. Что характеризует волновой вектор?

Основные понятия : Плоская гармоническая ЭМВ. Фазовая скорость. Волновой вектор. Энергия и импульс волны. Вектор Пойнтинга.

Литература:[1], §139.140,142,144-147.

Тема 2. Поляризация электромагнитных волн

Естественный и поляризованный свет. Типы поляризации. Поляризаторы. Закон Малюса. Поляризация при отражении и преломлении. Двойное лучепреломление. Вращение плоскости поляризации.

Центральные вопросы темы: Поляризованный свет. Типы поляризации. Закон Малюса. Вращение плоскости поляризации.

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Какой свет называется поляризованным?

2. Назовите виды поляризации световой волны.

3. Сформулируйте закон Малюса.

4 Объясните явление вращения плоскости поляризации.

Основные понятия : Поляризованный свет. Плоскость поляризации. Циркулярная поляризация. Постоянная вращения.

Литература:[1], §162-167.

Тема З. Интерференция электромагнитных волн

Когерентные волны. Интерференционная картина от двух источников. Способы наблюдения интерференции. Интерференция при отражении от тонких пластинок. Многолучевая интерференция.

Центральные вопросы темы : Когерентные волны. Явление интерференции света. Способы наблюдения интерференции.

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Какое явление называется интерференцией волн?

2. Какие волны называются когерентными?

3. Объясните возникновение интерференции волн на примере двух источников излучения.

4. Объясните возникновение интерференции при отражении от тонких плёнок?

Основные понятия : Когерентные волны. Интерференция света. Оптическая разность хода.

Литература: [1], §148-155.

Тема 4. Дифракция электромагнитных волн

Дифракция световых волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля на простейших преградах. Метод зон Френеля. Дифракция Фраунгофера от щели. Дифракционная решетка.

Центральные вопросы темы : Явление дифракции света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка.

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Объясните явление дифракции электромагнитных волн.

2. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля.

3. В чём заключается метод зон Френеля.

4. Объясните причины образования минимумов и максимумов интенсивности света за дифракционной решеткой.

Основные понятия : Дифракция света. Зоны Френеля. Главные максимумы.

Литература:[1],§156-161.

Тема 5. Электромагнитные волны в веществе

Взаимодействие электромагнитного поля с веществом. Показатель преломления. Дисперсия света. Элементарная теория дисперсии. Поглощение света. Закон Бугера. Группа волн. Групповая и фазовая скорости света.

Центральные вопросы темы : Дисперсия света. Показатель преломления. Коэффициент поглощения. Группа волн. Групповая и фазовая скорости волн.

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Какое явление называется дисперсией электромагнитных волн?

2. Каковы основные положения электронной теории дисперсии электромагнитных волн?

3. Что определяют фазовая и групповая скорости распространения волн?

Основные понятия: Дисперсия света, Показатель преломления, Коэффициент поглощения. Группа волн. Групповая и фазовая скорости волн.

Литература: [1], §141,168-170.

Тема 6. Квантовая природа света

Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон Вина. Гипотеза Планка о квантовом характере излучения. Квантовые свойства электромагнитного излучения. Фотоны. Внешний фотоэффект и его законы. Эффект Комптона. Давление света.

Центральные вопросы темы : Тепловое излучение и его законы. Формула Планка. Внешний фотоэффект и его закономерности. Эффект Комптона. Давление света.

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Сформулируйте закономерности теплового излучения.

2. В чём заключается гипотеза Планка о характере излучения света атомами?

3. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.

4. Объясните законы внешнего фотоэффекта на основе уравнения Эйнштейна.

5. В чём заключается эффект Комптона?

Основные понятия: Тепловое излучение. Гипотеза Планка. Фотоэффект. Эффект Комптона.

Литература:[1], §172-184.

ОБЗОРНЫЕ ЛЕКЦИИ 1,2,3 (6 ч)

Лекция 1.

Обзор содержания тем 1-2.

Лекция 2.

Обзор содержания тем 3-4.

Лекция 3.

Обзор содержания тем 5-6.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ

Каждый студент на ІІ курсе выполняет по 3 лабораторные работы, продолжительностью 4 часа каждая.

По темам 4 и 6 выполняются лабораторные работы:

ЛР-1. Изучение явления дифракции.

Цель работы: Изучение закономерностей дифракции света. Экспериментальное исследование дифракции света на отверстии. Опытное определение длины волны.

Подготовка к работе. Изучите теоретический материал по литературе[1]: Дифракция световых волн. §156, 157, с. 346, 350.

ЛР-2. Изучение законов фотоэффекта.

Цель работы: Изучение законов внешнего фотоэффекта. Экспериментальное исследование работы вакуумного фотоэлемента. Опытное определение постоянной Планка и работы выхода.

Подготовка к работе. Изучите теоретический материал по литературе [1]: Внешний фотоэффект. §177, 178, с. 388, 391.

Раздел 1. Э Л Е К Т Р О М А Г Н И Т Н Ы Е В О Л Н Ы

1.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ВАКУУМЕ

Основные теоретические сведения

Электромагнитные волны (ЭМВ) – это электромагнитные колебания (электрического и магнитного поля), распространяющиеся в пространстве с постоянной скоростью. ЭМВ – поперечные волны: вектора и поля волны лежат в плоскости, перпендикулярной к направления распространения волны.

Волновой фронт – это поверхность, на всех точках которой волна имеет в данный момент времени одинаковую фазу. В зависимости от формы поверхности различают плоские и сферические волны.

Наибольший интерес при изучении свойств электромагнитных волн имеют бегущие плоские гармонические волны , так как любую другую волну можно представить через суперпозицию определенного набора таких волн. Векторы напряженности электрического поля и магнитной индукции в бегущей плоской гармонической волне взаимно ортогональны и изменяются синфазно в соответствии с уравнениями:

,

. (1.1)

Волновой вектор указывает направление распространения волны. Модуль волнового вектора называется волновым числом k и определяется по формуле:

. (1.2)

Напомним, что w – угловая или циклическая частота, l – длина волны, T = – период, n – частота, c – скорость света, – фаза волны в точке, описываемой радиусом–вектором , в момент времени t , j₀ – начальная фаза.

Кроме того, векторы , и составляют (правовинтовую) тройку векторов.

Рис. 1.1. Правовинтовая тройка векторов , и

Электромагнитные волны переносят энергию, плотность которой равна сумме плотностей энергии электрического w _E и магнитного w _B полей и в вакууме определяется по формуле:

(1.3)

Произведение плотности энергии на скорость распространения волны дает модуль вектора плотности потока энергии

(1.4)

Сам же вектор плотности потока энергии, называемый вектором Пойнтинга , в вакууме определяется по формуле:

. (1.5)

На практике в типичных случаях векторы быстро осциллируют,

поэтому используют величину, которая называется интенсивностью волны

. (1.6)

Раздел 2. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

2.1. Основные теоретические сведения, примеры решения задач и контрольные задания

Из теории электромагнитных волн следует, что вектор напряжённости электрического поля плоской волны всегда расположен в плоскости, перпендикулярной направлению её распространения.

Если колебания вектора каким–либо образом упорядочены, то говорят, что волна поляризована. Если колебание вектора происходит строго в одной плоскости, то волну называют плоско-поляризованной (или линейно-поляризованной) рис. 2.1. Если концы вектора с течением времени описывают окружность или эллипс, то волну называют соответственно циркулярно- (по кругу) или эллиптически-поляризованной (рис. 2.2).

При циркулярной поляризации в зависимости от направления вращения вектора различают волны, поляризованные по правому и левому кругу . В первом случае вектор совершает вращение по часовой стрелке, а во втором - против при наблюдении вдоль направления распространения волны.

Поляризатор – оптическое устройство для получения линейно-поляризованного света. Поляризатор любой конструкции пропускает только ту составляющую вектора в падающей на него ЭМВ, которая параллельна плоскости поляризатора. Таким образом, при прохождении через поляризатор волны пропускается только проекция вектора на плоскость поляризатора (рис. 2.3).

Рис.2.3. Прохождение линейно-поляризованного света через поляризатор

, (2.1)

где a - угол между плоскостью поляризации падающей волны и плоскостью поляризатора. Тогда с учетом формулы (1.8) для интенсивности прошедшей поляризатор волны I _ПР можно записать закон Малюса:

, (2.2)

где I _о – интенсивность падающей линейно-поляризованной волны.

Пример решения задачи

При прохождении естественного света через систему из двух поляризаторов его интенсивность уменьшилась в два раза. Когда между поляризаторами на пути луча поместили кварцевую пластинку, интенсивность уменьшилась еще в два раза. На какой угол повернулась плоскость поляризации луча в кварцевой пластине? Поглощением пренебречь.

Решение

Несмотря на хаотичность ориентации вектора в естественном свете, в каждое мгновение он может быть представлен через сумму двух взаимно перпендикулярных векторов, один из которых лежит в плоскости первого поляризатора. Соответственно первая проекция пройдет через этот поляризатор, а вторая - нет. Пусть I ₀ – интенсивность падающего естественного света. Поскольку все направления колебания вектора в естественном свете равновероятны, то интенсивность прошедшего первый поляризатор света равна интенсивности задержанной части. Следовательно, уже после первого поляризатора интенсивность уменьшилась в два раза . Согласно условию в начальном расположении интенсивность на выходе как раз и была равна половине исходной величины I ₀ . Следовательно, второй поляризатор не изменил интенсивность света, что указывает на параллельность плоскостей поляризаторов (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Прохождение естественного света через систему из двух поляризаторов с параллельными плоскостями

Во второй ситуации (рис. 2.5) после поворота плоскости поляризации света кварцевой пластиной на угол a второй поляризатор пропустит только проекцию повернутого вектора на свою плоскость (см. формулу (2.1)). Закон Малюса (2.2) в этом случае можно записать в виде: .

Рис. 2.5. Прохождение естественного света через систему из двух поляризаторов с параллельными плоскостями и кварцевой пластинки между ними

По условию . Тогда или .

Этому результату удовлетворяют значения:

Раздел 3. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

3.1. Основные теоретические сведения. Примеры решения задач и контрольные задания

Интерференцией называется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Основным условием наблюдения интерференции волн является их когерентность – постоянство во времени разности фаз складываемых волн в области регистрации. Интерферировать могут только те когерентные электромагнитные волны, в которых колебания происходят в одной плоскости (то есть поляризованные в одной плоскости).

Рассмотрим две бегущие плоские гармонические волны, распространяющиеся в среде, свойства которой одинаковы во всех точках и не зависят от направления (то есть однородной и изотропной).

При сложении векторов напряженности этих волн можно использовать как тригонометрическую (1.1), так и экспоненциальную формы записи. Первая чаще используется при расчете интерференционной картины от двух источников. Пусть два источника А и В (рис. 3.1), находящиеся на расстоянии d друг от друга, излучают когерентные плоскополяризованные волны, уравнения которых в окрестностях некоторой точки регистрации Р имеют вид:

и

. (3.1)

Тогда уравнение результирующей волны определяется как сумма

. (3.2)

После возведения этого соотношения в квадрат и усреднения можно получить формулу для расчета интенсивности результирующей волны в точке Р

, (3.3)

где I ₁ и I ₂ – интенсивности волн в точке наблюдения при работе источников по отдельности. Учитывая, что векторы и однонаправлены и волновые числа когерентных волн одинаковые, разность можно преобразовать к виду r . Величина D r является разностью хода волн.

Согласно (3.3) результирующая интенсивность I принимает максимальное значение, когда С os ( kΔr +( φ ₀₁ -φ₀₂ ))=1 . Для этого должно выполняться условие

, (3.4)

которое называется условием максимумов интерференции. Соответственно условием минимумов является соотношение

. (3.5)

Напомним, что величина D r зависит от положения точки наблюдения. Поэтому в пространстве наблюдается чередование максимумов и минимумов, называемое интерференционной картиной. Часто при удаленной точке Р наблюдения интерференции ( r_i >> d ) можно считать, что практически параллелен, и , где q - угол, указывающий направление на точку наблюдения (рис.3.1). Тогда в случае равенства начальных фаз условие максимумов при интерференции от двух источников запишется в виде:

при , (3.6 а)

а условие минимумов

d Sinθ =(2 n +1 ) λ/2 при . (3.6 б)

При рассмотрении интерференционной картины от многих источников удобно складывать уравнения бегущих волн в экспоненциальной форме.

Пример решения задачи

Плоская монохроматическая световая волна (длина волны l = 0,5 мкм) падает нормально на диафрагму с двумя узкими щелями, отстоящими друг от друга на расстояние d = 2,5 мм. На экране, расположенном за диафрагмой на расстоянии L = 1 м, образуется система интерференционных полос. Определить ширину интерференционных полос.

Решение

В данной задаче узкие щели можно рассматривать как два вторичных линейных источника когерентных волн, интерферирующих на экране. Ширина интерференционной полосы D x равна расстоянию между двумя последовательными минимумами на экране (или двумя последовательными максимумами) D x = x_{n +1} – x_n (рис.3.2). С учетом свойств прямоугольных треугольников можно записать:

и .

Рис. 3.2. Интерференция света после прохождения двух узких щелей

Значения соответствующих углов входят в формулы для условий минимумов (3.6 б):

и .

По условию эксперимента L >> d и тогда выполняется приближенное равенство для малых углов Sin q » tg q . С учетом этого

Отметим, что ширина не зависит от номера максимума. Выполним вычисления:

.

Раздел 4. ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

4.1. Основные теоретические сведения, примеры решения задач и контрольные задания

В этом разделе дифракция рассматривается в узком смысле как огибание волнами препятствий при условии, что длина волны l сопоставима с характерным размером препятствия (l » d ). Для объяснения ее закономерностей используется принцип Гюйгенса-Френеля , согласно которому каждый элемент волновой поверхности служит источником вторичных когерентных волн, а результирующее колебание в некоторой точке Р является суперпозицией колебаний, дошедших до этой точки от вторичных источников. Различают два случая дифракции света – дифракция Френеля, или дифракция в сходящихся лучах, и дифракция Фраунгофера, или дифракцию в параллельных лучах.

Расчет дифракционной картины в общем случае – очень сложная задача. Однако в ряде простейших случаев это можно сделать, применяя принцип Гюйгенса- Френеля.

4.2. Дифракция Френеля

Если источник света А точечный и монохроматический, а среда, в которой распространяется свет, изотропна, то волновые фронты в произвольный момент времени будут иметь форму сфер радиусом АО = с t (см. рис. 4.2 а) где с- скорость света.

Каждая точка на этой сферической поверхности является источником вторичных волн. Для нахождения результата их интерференции Френель предложил метод разбиения волнового фронта на зоны, называемые теперь зонами Френеля .

Обозначим расстояние от точки М до ближайшей точки волновой поверхности b =ОМ , а расстояние от источника до волновой поверхности АО= a .

Воспользовавшись симметрией волнового фронта относительно ОМ, разобьем его на кольцевые зоны, построенные так, что расстояния от краев каждой зоны до точки М отличаются на полволны падающего света. Тогда расстояние от внешнего края m-й зоны до точки М равно b_m = b + m ∙ λ /2.

Волны, приходящие в точку наблюдения от краев двух соседних зон (так же как и от центров этих зон, и от других аналогичных пар точек), находятся в противофазе. Тогда излучения каждой пары соседних зон будут гасить друг друга.

Теперь поставим на пути волнового фронта диафрагму с круглым отверстием, открывающим часть волнового фронта (и соответственно некоторое количество зон Френеля)- рис. 4.2 б. Тогда при четном количестве открытых зон Френеля в точке М будет минимум интенсивности или темное пятно. При нечетном числе открытых отверстием зон излучение от одной из зон останется нескомпенсированным, и в точке М будет максимум интенсивности или светлое пятно.

Можно показать также (подробно см. [1]), что радиусы внешних границ зон Френеля с номером m при падении света на экран с круглым отверстием определяются по формулам:

- при сферическом фронте, (4.1)

- при плоском фронте волны. (4.2)

4.3. Дифракция Фраунгофера

Дифракцию Фраунгофера (в параллельных лучах) можно наблюдать на длинной узкой щели шириной b (рис. 4.3). Монохроматический свет длины волны λ падает нормально к поверхности щели, так что колебания во всех точках щели совершаются в одной фазе. Дифракционная картина наблюдается на экране Э, установленном в фокальной плоскости собирающей линзы. Параллельные лучи, идущие от краев щели А и В под углом дифракции φ к направлению падающего света, собираются линзой в ее побочном фокусе – точке Х на экране. Поскольку линза не вносит дополнительной разности хода лучей, то результат интерференции в точке Х всех параллельных лучей, идущих ото всех точек щели под углом φ, будет зависеть от разности хода С B = b sin φ .

Щель можно разбить по ширине на зоны Френеля, имеющие вид параллельных ребру полосок, разность хода от краев которых равна λ/2. Число зон Френеля, укладывающихся в щели, равно bsin φ/ (λ/2). Колебания, возбуждаемые в точке Х двумя соседними зонами, равны по амплитуде и противоположны по фазе. Поэтому, если число зон четное и bSin φ =+ 2 m λ/2, где m = 1, 2,…, то наблюдается дифракционный минимум (полная темнота).

Если число зон нечетное, то под углом φ, определяемым выражением

b sin φ = + (2 m +1) λ/2, где m = 1, 2,….,

то наблюдается дифракционный максимум, соответствующий действию одной зоны Френеля. Самый яркий центральный максимум наблюдается в главном фокусе линзы (φ=0). С ростом m ширина зон Френеля и интенсивность максимумов быстро уменьшаются.

Большой интерес для практической деятельности представляет дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке. Она представляет собой систему из большого числа одинаковых и параллельных друг другу щелей в экране ширины b , разделенных непрозрачными промежутками одинаковой ширины a . Величина d = a + b называется постоянной, или периодом дифракционной решетки .

При расчете дифракционной картины на экране необходимо учитывать интерференцию вторичных источников как от разных участков одной щели (то есть дифракцию), так и от разных щелей решетки. Излучения от соседних щелей когерентны, так как порождены одной волной. Характер дифракционной картины на удаленном от решетки экране показан на рис. 4.4.

Главные минимумы при дифракции на дифракционной решетке наблюдаются под углами, которые соответствуют минимумам при дифракции на одной щели:

b sin φ = + m λ, где m= 1, 2,… (4.3)

Главным максимумам соответствуют углы дифракции, удовлетворяющие условию максимума интерференции от соседних щелей:

d sin φ = + n λ, где n= 0, 1, 2,…, (4.4)

где n – порядок главного максимума.

Рис. 4.4. Распределение интенсивности монохроматического света на экране за дифракционной решеткой (φ - угол дифракции)

Распределение интенсивности света, наблюдаемое за дифракционной решеткой, является наложением интерференционных картин от соседних щелей и дифракционных картин от каждой отдельной щели.

Пример решения задачи

Диафрагма с круглым отверстием расположена посередине между точечным источником монохроматического света (l = 500 нм) и экраном. Расстояние между источником и экраном L = 4 м. При каком радиусе отверстия центр дифракционных колец на экране будет наиболее темным?

Решение

При дифракции Френеля на круглом отверстии в центре дифракционной картины на экране темное пятно наблюдается при четном числе открытых зон Френеля. Увеличение радиуса отверстия ведет к ослаблению эффекта и в пределе дифракционная картина пропадает. Следовательно, наиболее темное пятно будет в том случае, если число открытых зон равно двум и радиус отверстия r совпадает с радиусом второй зоны Френеля. Используя формулу (4.1) при k =2, a + b = L , a = b = L /2, получим

.

Выполним расчет:

Пример решения задачи

На дифракционную решетку, имеющую n ₀ = 500 щелей на одном миллиметре ширины, нормально падает свет от газоразрядной трубки, наполненной гелием. Найти:

1. Наибольший порядок дифракционного максимума, который дает эта решетка для фиолетового участка спектра с длиной волны l = 410 нм.

2. На какую длину волны в спектре второго порядка накладывается синяя линия l _с = 447 нм спектра третьего порядка?

Решение

1. Из формулы (4.7) следует, что наибольший порядок дифракционного максимума n получается при максимальном значении синуса. Так как синус не может быть больше единицы, то должно выполняться неравенство:

d > n ∙ λ или n < .

Период решетки, как расстояние между соседними щелями, найдем из формулы . Тогда .

Подставив заданные значения, получим n £ 4,88. Если учесть, что порядок максимума является целым числом, то n_max = 4.

2. При наложении спектральных линий условие максимума выполняется для каждой из них:

и .

Тогда 3l _с = 2l _х и после расчета получаем l _х = 670 нм.

Раздел 5. КВАНТОВАЯ ОПТИКА

5.1. Основные теоретические сведения, примеры решения задач и контрольные задания

Опыты по интерференции, дифракции и поляризации свидетельствуют о волновой природе света. Вместе с тем было установлено, что свет излучается, движется в пространстве и поглощается в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения – фотонов. Все фотоны монохроматического света (и электромагнитного излучения вообще) частоты ν движутся со скоростью света с и имеют одинаковую энергию:

Е_ф = hν (5.1)

и импульс

, (5.2)

где h = 6,63^. 10^-34 Дж^. с - постоянная Планка.

Здесь и далее с = 3^. 10⁸ м/с - скорость света в вакууме.

С помощью квантовых представлений о свете оказалось возможным успешно истолковать закономерности явления фотоэффекта, тормозного рентгеновского излучения и эффекта Комптона.

Волновой и квантовый (корпускулярный) способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами. Квантовой оптикой рассматриваются явления, в которых проявляются квантовые свойства света.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется явление испускания электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при фотоэффекте, называются фотоэлектронами , а электрический ток, образуемый этими электронами, называется фототоком .

Схема экспериментальной установки, с помощью которой наблюдается фотоэффект, приведена на рис. 5.1. При облучении светом металлической пластины К (катода), помещенной внутри откачанного стеклянного баллона, из этой пластины вылетают электроны, которые, попадая на пластину В (анод), приводят к возникновению электрического тока в цепи. Например, при фотоэффекте электрон проводимости металла, поглощая фотон, получает его энергию h ν. Для выхода из металла электрон должен совершить работу выхода А. Если h ν> A , то электрон сможет совершить работу выхода и выйти из металла. Оставшаяся часть энергии кванта преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектрона. Поэтому закон сохранения энергии при фотоэффекте имеет вид:

Е_ф = hν = А + . (5.3)

Это выражение называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

С помощью (5.3) можно объяснить все законы фотоэффекта. Так, максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, а следовательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света и работы выхода, но не зависят от интенсивности света. Далее, из этого же уравнения следует, что внешний фотоэффект возможен лишь при условии, что h ν > A . Энергии фотона должно, по меньшей мере, хватить на то, чтобы вырвать электрон из металла. Наименьшая частота, при которой возможен фотоэффект h ν _min = A . Отсюда граничная (максимальная) длина волны:

.

Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода электрона, то есть от природы металла и состояния его поверхности.

Наконец, общее число N фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность металла, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за это время на поверхность, а значит, интенсивности света.

Из (5.3) можно определить максимально возможную кинетическую энергию T_max вылетевшего электрона (поскольку в любой реальной системе существуют потери энергии). Опытным путем найти Т можно, приложив для прекращения фототока между пластинами К и В запирающее (задерживающее) напряжение U _з ,. Тогда T = eU _з , где e = 1,6^. 10^-19 Кл- заряд электрона.

Пример решения задачи

Фототок, вызываемый падением электромагнитного излучения с длиной волны l ₁ = 0,44 мкм на катод, прекращается при задерживающей разности потенциалов U _з = 0,95 В. Определить работу выхода катода и максимальную скорость фотоэлектронов. Какой станет максимальная скорость фотоэлектронов, если у падающего излучения длина волны уменьшится в два раза?

Решение

Для расчета работы выхода напишем формулу (5.3), используя выражение для энергии фотонов (5.1) и равенство T = eU _з :

или .

Подставим числовые значения величин и произведем вычисления:

Скорость фотоэлектрона определим через кинетическую энергию, равную в первом случае T ₁ =eU_з = 0,95 эВ. Эта величина значительно меньше энергии покоя электрона (m_o c² = 0,511 МэВ). Следовательно, в данном случае можно использовать нерелятивистское выражение для кинетической энергии:

. Тогда .

Произведем вычисления:

м/с.

При замене падающего излучения на излучение с длиной волны l ₂ = l ₁ /2 =0,22 мкм энергия фотона увеличится в два раза, а кинетическая энергия фотоэлектрона увеличится в соответствии с формулой (5.3):

T₂ = Е_ф2 - А или .

Учитывая, что , получим:

.

Произведем вычисления:

.

Ответ: A = 1,87 эВ (цезий), , .

5.3. Эффект Комптона

Представление о фотонах было окончательно подтверждено при изучении их рассеяния на свободных электронах (эффект Комптона - 1922 г.).

Комптон обнаружил, что если рентгеновское излучение с длиной волны λ рассеивается веществом, то в рассеянном потоке, наряду с излучением с той же длиной волны, наблюдается излучение с большей длиной волны λ’:

, (5.4)

где: - масса покоя электрона, J -угол рассеяния фотона, а величина

(5.5)

называется комптоновской длиной волны электрона .

Объяснить эффект Комптона можно, рассматривая упругое соударение фотона с неподвижным свободным (или слабо связанным с атомом) электроном. Векторная диаграмма закона сохранения импульса в процессе соударения налетающего фотона с импульсом с покоящимся электроном приведена на рис. 5.2. После удара у фотона остается импульс , а электрон приобретает импульс . Используя законы сохранения энергии и импульса, можно получить формулу взаимосвязи длин волн налетающего l и рассеянногоl ` фотонов (5.4).

Пример решения задачи

Фотон с импульсом P = 1,02 МэВ/с, где с-скорость света, рассеялся на покоившемся свободном электроне, в результате чего импульс фотона стал равным P ’ = 0,255 МэВ/с. Под каким углом рассеялся фотон и какая доля энергии первичного фотона приходится на кинетическую энергию электрона отдачи?

Решение

При столкновении фотона со свободным электроном (рис.5.2) применяется формула (5.4). Запишем ее, выразив длины волн исходного l и рассеянного l` фотонов через импульсы с помощью формулы (5.2):

.

После преобразований получим .

Тогда . Для облегчения расчетов представим эту формулу в виде:

,

где: m_o c² = 0,511 МэВ - энергия покоя электрона; Pc = 1,02 МэВ, P’c =0,255 МэВ. После подстановки этих значений получаем:

.

Для ответа на второй вопрос задачи используем закон сохранения энергии:

Е_ф + m_o c² ₌ Е_ф ` + m_o c² +T ,

где: T - кинетическая энергия электрона отдачи, Е_ф = P∙c , Е_ф ` = P`∙c .

Тогда можно рассчитать искомое отношение:

.

Ответ: угол рассеяния q = 120^о , на кинетическую энергию электрона отдачи приходится 75% энергии первичного фотона.

5.4. Давление света

Давление, производимое светом при падении на поверхность под углом α, равно

D = I /с (1+ ρ)С os ² α, (5.6)

где: I- плотность потока энергии; с – скорость света в вакууме, ρ - коэффициент отражения.

Пример решения задачи

Определим давление, оказываемое монохроматическим светом частотой ν при падении на поверхность площади S с коэффициентом отражения ρ=0,5. Угол падения света α=60⁰ , интенсивность света (плотность потока энергии) I=2 кВт /м² .

Решение

Свет производит давление на отражающие или поглощающие его тела. В квантовой оптике давление света истолковывается как результат передачи этим телам импульса фотонов при отражении и поглощении света. Давление света на плоскую поверхность тела S равно численному значения нормальной составляющей суммарного импульса, передаваемого фотонами телу на единицу площади рассматриваемой поверхности за единицу времени.

Пусть монохроматический свет частоты ν падает на поверхность S под углом α (см. рис.0). Пусть n – число фотонов, падающих за 1 с на единицу площади поверхности S . Если ρ - коэффициент отражения света от поверхности, то из n фотонов ρ n зеркально отражаются, а (1-ρ) n – поглощаются. Отражающиеся фотоны передают телу суммарный импульс, направленный нормально к поверхности и численно равный:

Δ p _отр = ρ∙ n ∙2∙Р_ф ∙ cos α,

где Р_ф = hν / c - модуль импульса одного фотона.

Поглощающиеся фотоны передают поверхности суммарный импульс, нормальная к поверхности составляющая которого численно равна:

Δ p _погл = (1-ρ)∙ n ∙Р_ф ∙ cos α.

Таким образом, давление света:

D=.

Если n₀ – концентрация фотонов падающего света, то n = n ₀ ∙∙С os α

D = .

Учтем, что световой поток I = n ₀ ∙ hν ∙ c . Тогда

D==1,5 ∙2∙10³ С os ² 60⁰ /(3∙10⁸ ) = 0,25∙10^-5 Па.

Раздел 6. РАВНОВЕСНОЕ ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

6.1. Основные теоретические сведения, примеры решения задач и контрольные задания

Все тела в той или иной степени излучают электромагнитные волны. Например, сильно нагретые тела светятся, а при обычных температурах являются источниками только невидимого инфракрасного излучения. Электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии, называется тепловым.

Теплообмен излучения (радиационный теплообмен) – это самопроизвольный процесс передачи энергии в форме теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, осуществляющийся путем излучения и поглощения ЭМВ этими телами.

Тепловое излучение - единственное, которое может находиться в термодинамическом равновесии с веществом. При равновесии расход энергии тела на тепловое излучение компенсируется за счет поглощения телом такого же количества падающего на него излучения. Равновесное излучение устанавливается в замкнутой системе, при этом все находящиеся в ней тела имеют одну и ту же температуру.

Спектральной характеристикой равновесного излучения служит спектральная объемная плотность энергии излучения:

, (6.1)

где dW(ω) – энергия равновесного излучения с частотами от ω до ω+dω, заключенная в единице объема поля излучения.

Испускательной способностью тела (или спектральной плотностью энергетической светимости) называется отношение энергии, излучаемой за единицу времени во всех направлениях с единицы поверхности тела в узком интервале частот dR (ω) к ширине этого интервала:

или . (6.2)

Энергетическая светимость (интегральная испускательная способность) R – это физическая величина, численно равная энергии ЭМВ всевозможных частот, излучаемых за единицу времени с единицы площади поверхности тела:

. (6.3)

Испускательная способность тела связана с его объемной плотностью излучения следующим выражением:

, (6.4)

где с- скорость света в вакууме.

Поглощательной способностью тела называется безразмерная величина a_ω , показывающая, какая доля энергии ЭМВ с частотами от ω до ω+dω, падающих на поверхность тела, поглощается им

. (6.5)

Абсолютно черным телом (АЧТ) называется тело, которое полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от направления излучения, его спектрального состава и поляризации: (а_ω ) ^ачт =1 . Моделью АЧТ может служить замкнутая полость с небольшим отверстием (рис. 6.1). Свет, попадающий внутрь полости через отверстие, претерпевает многократные отражения от стенок. При этом энергия падающего света практически полностью поглощается стенками независимо от материала.

Серым телом называется тело, поглощательная способность которого меньше единицы и не зависит от частоты света, направления его распространения и поляризации.

Правильное выражение для спектральной объемной плотности энергии электромагнитного излучения АЧТ удалось найти Планку после принятия квантовой гипотезы. В качестве теоретической модели АЧТ он рассмотрел систему гармонических осцилляторов, каждому из которых соответствует монохроматическая компонента излучения. При этом энергия каждого осциллятора может принимать лишь определенные дискретные значения. В результате была получена формула, определяющая объемную спектральную плотность излучения АЧТ, называемую формулой Планка:

, (6.6)

где: ħ= h /2π - постоянная Планка; w - круговая частота; с -скорость света в вакууме; к - постоянная Больцмана; Т - термодинамическая температура.

Учитывая взаимосвязь частоты w с длиной волны l ,эту формулу можно преобразовать к виду:

. (6.7)

Соответствующая формула для испускательной способности АЧТ имеет вид:

. (6.8)

T Рис. 6.1. Модель абсо- лютно черного тела

Рис. 6.2. Испускательная способность абсолютно черного тела

На рис. 6.2 приведен график зависимости r_λ для АЧТ от длины волны. Интегрирование этого выражения с учетом формулы Планка по всему спектру приводит к формуле Стефана-Больцмана для энергетической светимости абсолютно черного тела R ^*

, (6.9)

где величина s = 5,67^. 10^-8 Вт/м^2. К⁴ называется постоянной Стефана-Больцмана.

Положение максимума на рис. 6.2 спектральной плотности энергии электромагнитного излучения АЧТ можно определить по формуле Вина:

, (6.10)

где b = 2,9^. 10^{-3 м.} К. Величина максимума спектральной плотности энергетической светимости зависит от температуры

, (6.11)

где с₀ = 1,30^. 10^-5 Вт/м^3. К⁵ .

Пример решения задачи

При какой температуре с каждого квадратного сантиметра поверхности абсолютно черного тела вылетает ежесекундно в среднем по 10 фотонов в диапазоне длин волн от l ₁ = 549 нм до l ₂ = 551 нм?

Решение

Используя определение спектральной плотности энергетической светимости (6.2) и (6.6), можно найти энергию, испускаемую единицей поверхности абсолютно черного тела в интервале длин волн d l :

.

Учитывая малое значение величины , это выражение можно записать в виде:

,

где l = 550 нм - средняя длина волны в заданном диапазоне. Тогда среднее количество фотонов N₀ , покидающих ежесекундно единицу поверхности абсолютно черного тела, можно определить по формуле:

.

Здесь N₀ =N/S, S= 1 см² = 10 ^-4 м² . Из этой формулы можно выразить искомую температуру:

,

а затем .

Произведя вычисления, получим T = 550 К.

Пример решения задачи

Максимум испускательной способности поверхности Солнца приходится на длину волны l _max = 0,5 мкм. Определить температуру солнечной поверхности, считая, что она по своим свойствам близка к абсолютно черному телу. Найти значение солнечной постоянной - интенсивности солнечного излучения вблизи Земли за пределами ее атмосферы.

Решение

Земля L Солнце Рис. 6.3

Температуру солнечной поверхности определим с помощью закона Вина (6.10) T= b/ l _max . Произведя вычисления, получим T = 5800 К. Значение солнечной постоянной С можно найти, разделив поток энергии Ф_Е , излучаемый Солнцем по всем направлениям, на площадь поверхности сферы, радиус которой равен среднему расстоянию от Земли до Солнца L = 1,5^. 10¹¹ м (см. рис.). В свою очередь, поток энергии Ф_Е равен произведению энергетической светимости Солнца R^* на площадь его поверхности Ф_Е = , где м - радиус Солнца. Тогда:

.

Произведя вычисления, получим С = 1400 Дж/м^2. с.

Задачи к контрольной работе №5

Таблица № 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл.1

Продолжение табл.1

1.1. Найти угол между плоскостями двух поляризаторов, если интенсивность прошедшего через них естественного света уменьшилась в 4 раза.

1.2. Плоскополяризованный монохроматический луч света падает на поляризатор и полностью им гасится. Когда на пути луча поместили кварцевую пластину, интенсивность луча после поляризатора стала равна половине интенсивности луча, падающего на поляризатор. На какой угол повернулась плоскость поляризации луча в кварцевой пластине?

1.3. Два поляризатора расположены так, что угол между их плоскостями составляет j = 30^о . Определить, во сколько раз уменьшится интенсивность естественного света при прохождении через оба поляризатора.

1.4. Во сколько раз уменьшится интенсивность поляризованного по кругу луча света, проходящего через два поляризатора, угол между плоскостями которых равен 60^о , если между ними поместить кварцевую пластинку, поворачивающую плоскость поляризации света на угол j = 30^о ?

1.5. При прохождении поляризованного монохроматического света через пластинку кварца его плоскость поляризации поворачивается на угол j = 22,5^о на каждом миллиметре толщины. Какой наименьшей толщины необходимо взять кварцевую пластину, помещенную между двумя одинаково направленными поляризаторами, чтобы свет не прошел через эту систему?

1.6. Поляризованный по кругу свет падает на систему из трех поляризаторов. Плоскости первого и последнего взаимно перпендикулярны, а плоскость среднего поляризатора образует угол j = 30^о с плоскостью первого. Как изменится интенсивность света на выходе из системы?

1.7. Интенсивность циркулярно поляризованного света, прошедшего через два николя, уменьшилась в 8 раз. Пренебрегая поглощением, определить угол между плоскостями поляризации николей.

1.8. Пучок естественного света падает на систему из 6 николей, плоскость пропускания каждого из которых повернута на угол j = 30^о относительно плоскости пропускания предыдущего николя. Какая часть светового потока проходит через эту систему?

1.9. Два поляризатора расположены так, что угол между их плоскостями составляет 30^о . Определить, во сколько раз уменьшится интенсивность естественного света при прохождении через оба поляризатора, если между ними поместить кварцевую пластинку, поворачивающую плоскость поляризации на угол a = 45^о .

1.10. Плоскополяризованный свет падает на стопку из трех поляризаторов. Плоскость первого поляризатора параллельна плоскости поляризации падающего света, плоскость второго составляет угол j = 45^о с плоскостью первого, а плоскость третьего перпендикулярна плоскости первого. Как изменится интенсивность света на выходе из системы?

1.11. Анализатор в 2 раза уменьшает интенсивность линейно поляризованного света, приходящего к нему от поляризатора. Когда между поляризатором и анализатором поместили кварцевую пластину, свет перестал проходить совсем. На какой угол повернулась плоскость поляризации света в кварцевой пластине?

1.12. Угол между плоскостями двух поляризаторов равен 45^о . Во сколько раз уменьшится интенсивность света, проходящего через эту систему, если угол увеличить до 60^о ?

1.13. Луч света образует на экране светлое пятно. Когда на его пути поместили систему из двух поляризаторов, пятно на экране исчезло. Если же между поляризаторами поместить кварцевую пластину, то интенсивность падающего на экран света станет равной 12,5% от первоначальной интенсивности. На какой угол поворачивается плоскость поляризации света в этой кварцевой пластине?

1.14. Интенсивность циркулярно-поляризованного света, прошедшего систему из двух плоских поляризаторов, уменьшилась в 8 раз. Найти угол между плоскостями поляризаторов.

1.15. Во сколько раз уменьшится интенсивность поляризованного по кругу луча света, проходящего через два поляризатора, если между ними поместить кварцевую пластинку, поворачивающую плоскость поляризации света на угол a = +15^о ? Плоскость второго поляризатора повернута по отношению к плоскости первого на угол b = -45^о .

1.16. Луч света падает на систему из 4 поляризаторов, плоскости которых повернуты по отношению к плоскости первого на соответствующие углы a ₂ = 30^о , a ₃ = 60^о , a ₄ = 30^о . Как изменится его интенсивность после прохождения системы?

1.17. Во сколько раз уменьшится интенсивность поляризованного по кругу луча света, проходящего через два поляризатора, и размещенную между ними кварцевую пластину. Угол между плоскостями поляризаторов равен 90^о . Кварцевая пластина поворачивает плоскость поляризации света на угол b = 30^о .

1.18. Между двумя поляризаторами, плоскости которых взаимно перпендикулярны, помещены еще два, плоскости которых повернуты по отношению к плоскости первого на углы a ₂ = 30^о и a ₃ = -30^о . Как изменится интенсивность поляризованной по кругу световой волны, проходящей через эту систему?

1.19. При прохождении поляризованного монохроматического света через пластинку кварца его плоскость поляризации поворачивается на b =22,5^о на каждом миллиметре толщины. Какой наименьшей толщины необходимо взять кварцевую пластину, помещенную между двумя одинаково направленными поляризаторами, чтобы интенсивность прошедшего через эту систему света была максимальной?

1.20. Пластина кварца, поворачивающая плоскость поляризации света на угол a = 30^о , помещена между двумя николями, плоскости которых взаимно перпендикулярны. Во сколько раз уменьшится интенсивность естественного света, прошедшего эту систему?

1.21. Между двумя николями помещена кварцевая пластина, поворачивающая плоскость поляризации монохроматического света на угол a = 120^о . Как изменится интенсивность поляризованного по кругу света, прошедшего эту систему, если плоскость второго поляризатора составляет с плоскостью первого угол b = 30^о ?

1.22. Естественный свет падает на систему из трех последовательно расположенных поляризаторов, причем плоскость среднего поляризатора составляет угол j = 60^о с плоскостями двух других поляризаторов. Во сколько раз уменьшится интенсивность света после прохождения этой системы?

1.23. Два поляризатора расположены так, что угол между их плоскостями составляет 30^о . Определить, во сколько раз уменьшится интенсивность циркулярно поляризованного света при прохождении через систему, если между поляризаторами поместить кварцевую пластинку, поворачивающую плоскость поляризации на угол a = 90^о ?

1.24. Четыре поляризатора уложены в стопку так, что плоскость каждого последующего образует угол a = 30^о с плоскостью предыдущего. На первый падает свет, плоскость поляризации которого совпадает с плоскостью первого поляризатора. На сколько процентов интенсивность света прошедшего через эту систему поляризаторов меньше интенсивности падающего света?

1.25. Естественный свет проходит через два поляризатора, поставленные так, что угол между их плоскостями равен a . Интенсивность прошедшей световой волны оказалась равной 37,5% от интенсивности падающей на первый поляризатор. Найти угол a .

2.1. Угол между зеркалами в установке Френеля (рис.7.2) j =12`, расстояния r = 10см и b = 130 см. Длина волны света l = 0,55 мкм. Определить ширину интерференционной полосы на экране.

2.2. Найти все длины волн видимого света (от l ₁ = 380 нм до l ₂ = 760 нм), которые будут максимально ослаблены при оптической разности хода интерферирующих волн, равной 1,8 мкм.

2.3. В опыте Ллойда (рис. 7.3) расстояние от источника до экрана L = 100 см. При некотором положении источника ширина интерференционной полосы на экране равна 0,25 мм, а после того как источник отодвинули от плоскости зеркала еще на D h = 0,6 мм, ширина полос уменьшилась в 1,5 раза. Найти длину волны света.

2.5. Плоская монохроматическая световая волна падает нормально на диафрагму с двумя узкими щелями, отстоящими друг от друга на расстояние d = 2,5 мм. На экране, расположенном за диафрагмой на расстоянии L = 100 см, образуется система интерференционных полос (рис. 7.4 ). На каком расстоянии от ее центра находится второй максимум, если длина волны l = 0,5 мкм?

2.6. Во сколько раз увеличится расстояние между соседними интерференционными полосами на экране в опыте Юнга (рис. 7.4), если зеленый светофильтр (l ₁ = 0,5 мкм) заменить красным (l ₂ = 0,65 мкм)?

2.7. Две когерентные плоские световые волны, угол между направлениями распространения которых j = 6`, падают на экран. Направление распространения одной из волн перпендикулярно экрану. Амплитуды волн одинаковы. Определить расстояние между соседними максимумами на экране, если длина волны l = 0,5 мкм.

2.8. Плоская световая волна падает на бизеркала Френеля (рис. 7.2), угол между которыми j = 2`. Отраженные волны падают почти нормально на экран. Определить длину волны света, если ширина интерференционной полосы на экране равна 0,55 мм.

2.9. Две линейные антенны, расположены на расстоянии d = 1 м друг от друга параллельно оси OZ (рис. 7.1). Антенны излучают когерентные электромагнитные волны на частоте 150 МГц. При какой наименьшей разности фаз излучения антенн в направлении 4 будет наблюдаться максимум интенсивности?

2.10. Источник света S (l = 0,6 мкм) и плоское зеркало расположены как показано на рис. 7.3 (зеркало Ллойда). Что будет наблюдаться в точке Р экрана, максимум или минимум, если L = 2 м, h = 0,55 мм, |SM| = |MP|? Учесть, что в точке М при отражении от оптически более плотной среды фаза волны изменяется на p .

2.11. Расстояние между двумя когерентными источниками света равно 0,1 мм. Расстояние между интерференционными полосами на экране в средней части интерференционной картины равно 1 см. Определить расстояние от источников до экрана, если длина волны l = 0,5 мкм.

2.12. В схеме, предложенной Ллойдом (рис. 7.3), расстояние от светящейся щели до экрана L = 1 м, от щели до плоскости зеркала h = 1 мм, длина световой волны l = 500 нм. Определить ширину интерференционных полос.

2.13. В опыте Юнга (рис. 7.4) отверстия освещались монохроматическим светом (l = 0,6 мкм). Расстояние между отверстиями d = 1 мм, расстояние от них до экрана L = 3 м. Найти положение второй светлой полосы на экране, считая от центра интерференционной картины.

2.14. В опыте с зеркалами Френеля (рис. 7.2) расстояние между мнимыми изображениями источника света равно 0,5 мм, расстояние до экрана L = 3 м. Длина волны l = 500 нм. Определить ширину полос интерференции на экране.

2.15. В схеме Ллойда (рис. 7.3) расстояние от светящейся щели до плоскости зеркала равно 1 мм, расстояние от щели до экрана L = 100 см, ширина интерференционных полос на экране равна 0,25 мм. Определить длину волны света.

2.16. Две линейные антенны a и b расположены на расстоянии d = 2 м друг от друга параллельно оси OZ (рис. 7.1). Антенны излучают когерентные электромагнитные волны на частоте 150 МГц. Начальная фаза излучения первой антенны j _{a 0} = 0, второй j _{b 0} = p . Под каким углом к направлению 3 (рис. 7.1) в удаленных точках будет наблюдаться максимум интенсивности излучения?

2.17. Расстояние между двумя щелями в опыте Юнга равно 1 мм (рис.7.4 с.41), расстояние от щелей до экрана равно 3 м. Определить длину волны, испускаемой источником монохроматического света, если ширина полос интерференции равна 1,5 мм.

2.18. Определить, во сколько раз изменится ширина интерференционных полос на экране в опыте с зеркалами Френеля (рис.7.2), если фиолетовый светофильтр (l ₁ = 400 нм) заменить красным (l ₂ = 700 нм).

2.19. Пучок лазерного излучения с l = 632,8 нм падает нормально на преграду с двумя узкими щелями, расстояние между которыми равно 1 мм. На экране, установленном на расстоянии L = 100 см за преградой, наблюдается система интерференционных полос. На каком расстоянии от ее центра находится третий максимум?

2.20. В опыте с зеркалами Френеля (рис. 7.3) расстояние между мнимыми изображениями источника света d = 0,5 мм, расстояние от них до экрана L = 5м. В зеленом свете на экране получились интерференционные полосы, расположенные на расстоянии равном 5 мм друг от друга. Найти длину волны зеленого света.

2.21. Две линейные антенны, расположены на расстоянии d = 1 м друг от друга параллельно оси OZ (рис. 7.1). Антенны излучают когерентные электромагнитные волны на частоте 150 МГц. Какова разность фаз излучения антенн, если в направлении 2, составляющем с лучом 3 угол q = 30⁰ , будет наблюдаться максимум интенсивности?

2.22. В опыте Юнга (рис.7.4 с.41) расстояние от щелей до экрана равно 3 м. Определить угловое расстояние между соседними светлыми полосами, если третья светлая полоса на экране отстоит от центра интерференционной картины на расстоянии 4,5 мм.

2.23. В опыте Юнга (рис.7.4) расстояние между щелями равно 0,8 мм. На каком расстоянии от щелей следует расположить экран, чтобы ширина интерференционной полосы при l = 700 нм оказалась равной 2 мм?

2.24. Расстояние от щелей до экрана в опыте Юнга (рис.7.4) равно 1 м. Определить расстояние между щелями, если при длине волны l = 600 нм ширина интерференционных полос на экране равна 1,2 мм.

2.25. В установке с бизеркалами Френеля (рис.7.2) расстояние от линии пересечения зеркал до источника света равно 0,1 м, до экрана- 1 м. Определить значение угла между зеркалами, при котором для света с длиной волны l =500 нм ширина интерференционных полос на экране будет равна 1 мм.

Рис. 7.2. Зеркала Френеля. Светящаяся щель S образует в двух соприкасающихся краями зеркалах мнимые изображения (источники) S₁ и S₂ , которые дают интерференционную картину на экране. Подбирая угол между зеркалами j, можно регулировать расстояние в =2r∙Sinj между S₁ и S₂

Рис. 7.3. Опыт Ллойда. Световая волна от светящейся щели S интерферирует на экране с волной, отразившейся от зеркала (S` - мнимый источник). Подбирая расстояние от щели до зеркала h, можно регулировать расстояние между S и S`

Рис. 7.4. Опыт Юнга. Световая волна падает на экран с узкой щелью S. Прошедший щель свет попадает на второй экран с двумя узкими щелями S₁ и S₂ , которые служат вторичными когерентными источниками света

3.1. На диафрагму с круглым отверстием радиусом r = 1 мм падает нормально параллельный пучок света с длиной волны l = 500 нм. На пути лучей, прошедших через отверстие помещают экран. Определить максимальное расстояние от центра отверстия до экрана, при котором в центре дифракционной картины еще будет наблюдаться темное пятно.

3.2. Свет от точечного источника света l = 500 нм падает на плоскую диафрагму с круглым отверстием радиусом r = 1,00 мм (рис. 4.2 б). Расстояние от источника до диафрагмы а = 1 м. Определить расстояние b от диафрагмы до экрана, если отверстие открывает для точки наблюдения Р три зоны Френеля.

3.3. Плоская световая волна ( l = 500 нм) падает нормально на диафрагму с круглым отверстием диаметром d = 0,4 см. На каком расстоянии от отверстия должна находиться точка наблюдения, чтобы отверстие открывало только одну зону Френеля?

3.4. Точечный источник света с длиной волны l = 550 нм помещен на расстоянии a = 1 м перед непрозрачной преградой с круглым отверстием. При каком радиусе отверстия для любой точки наблюдения, находящейся на оси отверстия, будет открыто не менее одной зоны Френеля?

3.5. Плоская световая волна с длиной волны l = 500 нм падает нормально на диафрагму с круглым отверстием радиуса r = 0,70 мм. Найти расстояние между двумя наиболее удаленными от диафрагмы точками на оси отверстия, в которых наблюдаются минимумы интенсивности.

3.6. Определить радиус третьей зоны Френеля, если расстояния от разбиваемой на зоны волновой поверхности до точечного источника света и до точки наблюдения одинаковы и равны 1,5 м. Длина волны света l = 600 нм.

3.7. Плоская монохроматическая световая волна падает нормально на круглое отверстие в диафрагме. На расстоянии b = 9,0 м от нее находится экран, где наблюдается дифракционная картина. Диаметр отверстия уменьшили в 3 раза. Найти новое расстояние от экрана до диафрагмы, при котором число открытых зон Френеля останется прежним.

3.8. Вычислить радиус пятой зоны Френеля для плоского волнового фронта, если построение делается для точки наблюдения, находящейся на расстоянии b = 1 м от фронта волны и l = 500 нм.

3.9. На диафрагму с круглым отверстием диаметром d = 0,5 см падает нормально плоская световая волна ( l = 500 нм). На каком расстоянии от отверстия должна находиться точка наблюдения, чтобы отверстие открывало только две зоны Френеля?

3.10. Точечный источник света с длиной волны l = 500 нм помещен на расстоянии а = 50 см перед непрозрачной преградой с круглым отверстием радиуса r = 0,50 мм. Определить расстояние от преграды до точки, для которой отверстие открывает только 5 полных зон Френеля.

3.11. Плоская световая волна с длиной волны l = 500 нм падает нормально на диафрагму с круглым отверстием радиуса r = 1,20 мм. Найти расстояние между двумя точками на оси отверстия, для которых отверстие открывает четыре и шесть зон Френеля.

3.12. Найти наименьший радиус круглого отверстия в диафрагме, чтобы при освещении его плоской монохроматической волной в центре дифракционной картины на экране наблюдалось темное пятно. Известно, что радиус третьей зоны Френеля при таком расположении диафрагмы и экрана равен 2 мм.

3.13. Между точечным источником света и экраном поместили диафрагму с круглым отверстием, радиус которого r можно менять в процессе опыта. Расстояния от диафрагмы до источника и до экрана равны а = 100 см и b = 125 см. Определить длину волны света, если максимум освещенности в центре дифракционной картины на экране наблюдается при r ₁ = 1,00 мм и следующий максимум при r ₂ = 1,29 мм.

3.14. Радиус четвертой зоны Френеля для плоского волнового фронта для некоторой точки наблюдения Р равен 3 мм. Определить радиус шестой зоны для той же точки.

3.15. Точечный источник света с длиной волны l = 500 нм расположен на расстоянии a =100 см перед диафрагмой с круглым отверстием радиуса r = 1мм. Найти расстояние от диафрагмы до точки наблюдения, для которой число полностью открытых зон Френеля равно трем.

3.16. Определить отношение площадей пятой и шестой зон Френеля для плоского волнового фронта с длиной волны равной 0,5 мкм, если экран расположен на расстоянии b = 1 м от диафрагмы с отверстием.

3.17. Плоская световая волна с длиной волны l = 700 нм падает нормально на диафрагму с круглым отверстием радиуса r = 1,4 мм. Определить расстояния от диафрагмы до трех наиболее удаленных от нее точек на оси отверстия, в которых наблюдаются минимумы интенсивности.

3.18. Точечный источник света с длиной волны l = 550 нм помещен на расстоянии a = 1 м перед непрозрачной преградой с отверстием радиуса r =2мм. Какое минимальное число открытых зон Френеля может наблюдаться при этих условиях?

3.19. Плоская световая волна с длиной волны l = 600 нм падает нормально на диафрагму с круглым отверстием радиуса r = 1,73 мм. Найти расстояние между двумя наиболее удаленными от диафрагмы точками на оси отверстия, в которых наблюдаются максимумы интенсивности.

3.20. На диафрагму с круглым отверстием диаметром d = 4 мм падает нормально параллельный пучок монохроматического света ( l = 500 нм). Точка наблюдения находится на оси отверстия на расстоянии b = 1 м от него. Сколько зон Френеля открывает отверстие? Будет ли освещена точка наблюдения?

3.21. Точечный источник света (l = 550 нм) расположен на расстоянии

а = 1 м перед диафрагмой с круглым отверстием диаметра d = 2 мм. Определить расстояние от диафрагмы до точки наблюдения, если отверстие открывает три зоны Френеля.

3.22. На непрозрачную преграду с круглым отверстием радиуса r = 1,0 мм падает плоская монохроматическая световая волна. Когда расстояние от преграды до установленного за ней экрана равно b ₁ = 0,575 м, в центре дифракционной картины наблюдается максимум интенсивности. При увеличении расстояния до значения b ₂ = 0,862 м максимум интенсивности сменяется минимумом. Определить длину волны света.

3.23. На круглое отверстие радиуса r = 2,0 мм падает плоская монохроматическая волна. Найти ее длину, если отверстие открывает 4 зоны Френеля для точки наблюдения, из которой отверстие видно под углом φ=4’.

3.24. Точечный источник света с длиной волны l = 550 нм помещен на расстоянии a = 1 м перед непрозрачной преградой с отверстием радиуса r =2мм. При каком значении расстояния от преграды до точки наблюдения получается минимально возможное число открытых зон?

3.25. Плоская световая волна с длиной волны l = 600 нм падает нормально на диафрагму с круглым отверстием радиуса r = 0,60 мм. Найти расстояние между двумя точками на оси отверстия, для которых отверстие открывает две и три зоны Френеля.

4.1. На щель шириной b = 0,05 мм падает нормально монохроматический свет с длиной волны l = 600 нм. Определить угол между первоначальным направлением пучка света и направлением на четвертую темную дифракционную полосу.

4.2. На дифракционную решетку, содержащую 400 щелей на 1 мм, падает нормально монохроматический свет (l = 600 нм). Найти общее число дифракционных максимумов, которые дает эта решетка.

4.3. Дифракционная решетка освещена падающим нормально монохроматическим светом. В дифракционной картине главный максимум второго порядка отклонен на угол j = 14^о . На какой угол отклонен главный максимум третьего порядка?

4.4. На дифракционную решетку нормально к ее поверхности падает параллельный пучок света с длиной волны l = 500 нм. Дифракционная картина наблюдается на экране, удаленном от решетки на расстояние L = 1м. Расстояние между двумя максимумами интенсивности первого порядка равно 20 см. Определить постоянную дифракционной решетки.

4.5. На щель шириной b = 0,1 мм падает нормально параллельный пучок света от монохроматического источника (l = 600 нм). Определить ширину центрального максимума в дифракционной картине на экране, отстоящем от линзы на расстоянии L = 1м.

4.6. Дифракционная решетка содержит 200 щелей на 1 мм. На решетку падает нормально монохроматический свет с длиной волны l = 600 нм. Максимум какого наибольшего порядка дает эта решетка?

4.7. На дифракционную решетку длиной l = 1,5 мм, содержащей 3000 щелей, падает нормально монохроматический свет с длиной волны l = 550 нм. Определить число главных максимумов, наблюдаемых в спектре дифракционной решетки.

4.8. Сколько щелей на каждый миллиметр содержит дифракционная решетка, если при наблюдении дифракции Фраунгофера в монохроматическом свете (l = 600 нм) максимум пятого порядка отклонен на угол j = 18^о ?

4.9. На узкую щель падает нормально монохроматический свет. Угол отклонения света, соответствующий второй светлой дифракционной полосе, равен 1^о . Скольким длинам волн падающего света равна ширина щели?

4.10. Параллельный пучок света с длиной волны l = 550 нм падает на дифракционную решетку нормально к ее поверхности. Дифракционная картина наблюдается на экране, удаленном от решетки на расстоянии L = 1м. Расстояние между двумя максимумами интенсивности первого порядка равно 20 см. Определить число щелей на 1 см ширины решетки.

4.11. Определить число щелей на 1 мм дифракционной решетки, если углу j = 30^о соответствует максимум четвертого порядка для монохроматического света с длиной волны l = 500 нм.

4.12. На дифракционную решетку с периодом d = 2,5 мкм падает нормально монохроматический свет (l = 600 нм). Определить угол дифракции, соответствующий последнему максимуму.

4.13. На щель шириной b = 0,1 мм падает нормально монохроматический свет с длиной волны l = 500 нм. Максимум или минимум будет наблюдаться на экране, расположенном вдали за щелью, если угол дифракции Фраунгофера равен: 1) 17’; 2) 43’?

4.14. Монохроматический свет падает нормально на дифракционную решетку. Определить угол дифракции Фраунгофера, соответствующий главному максимуму четвертого порядка, если максимум третьего порядка отклонен на угол j = 18^о .

4.15. На дифракционную решетку нормально к ее поверхности падает параллельный пучок света с длиной волны l = 700 нм. Дифракционная картина наблюдается на экране, удаленном от решетки на расстояние L = 1м. Первый главный максимум находится на расстоянии l = 10 см от центрального. Определить число главных максимумов, которое при этом дает дифракционная решетка.

4.16. На дифракционную решетку, содержащую n = 500 щелей на 1 мм, падает падает нормально монохроматический свет с длиной волны l = 600 нм. Определить угол дифракции Фраунгофера, соответствующий третьему главному максимуму.

4.17. На щель шириной b = 2 мкм падает нормально параллельный пучок света от монохроматического источника (l = 589 нм). Под каким максимальным углом будет наблюдаться минимум света при дифракции Фраунгофера?

4.18. При нормальном падении света на дифракционную решетку угол дифракции для линии l ₁ = 650 нм во втором порядке равен 45^о . Найти угол дифракции для линии l ₂ = 500 нм в третьем порядке.

4.19. На дифракционную решетку нормально к ее поверхности падает параллельный пучок монохроматического света. В спектре, полученном с помощью этой дифракционной решетки, некоторая спектральная линия наблюдается в первом порядке под углом j = 11^о . Определить наивысший порядок спектра, в котором может наблюдаться эта линия.

4.20. На дифракционную решетку с периодом d = 10 мкм падает нормально монохроматический свет с длиной волны l = 600 нм. Определить угол дифракции Фраунгофера, соответствующий второму главному максимуму.

4.21. На узкую щель шириной b = 0,05 мм падает нормально монохроматический свет с длиной волны l = 694 нм. Определить направление света на вторую светлую полосу при дифракции Фраунгофера (по отношению к первоначальному направлению света).

4.22. На дифракционную решетку нормально к ее поверхности падает параллельный пучок света с длиной волны l = 500 нм. Дифракционная картина наблюдается на экране, удаленном от решетки на расстояние L = 1м. Расстояние между двумя максимумами интенсивности первого порядка равно 20 см. Определить максимальный угол отклонения лучей, соответствующих последнему главному дифракционному максимуму.

4.23. На дифракционную решетку нормально падает монохроматический свет. Определить угол дифракции для линии l ₁ = 550 нм в четвертом порядке, если угол для линии l ₂ = 600 нм в третьем порядке составляет 30^о .

4.24. При освещении дифракционной решетки белым светом спектры второго и третьего порядков отчасти перекрывают друг друга. На какую длину волны в спектре второго порядка накладывается фиолетовая граница спектра третьего порядка (l = 0,4 мкм).

4.25. На щель шириной b = 0,1 мм падает нормально монохроматический свет с длиной волны l = 500 нм. Дифракционная картина наблюдается на удаленном экране, расположенном параллельно щели. Определить расстояние от щели до экрана, если ширина центрального дифракционного максимума равна 1 см.

5.1. Определить максимальную скорость фотоэлектронов, вылетающих из медного электрода, освещаемого монохроматическим светом с длиной волны =250 нм. Работа выхода электрона из меди А=4,17 эВ.

5.2 . Ток, протекающий через вакуумный фотоэлемент при его освещении, равен A. Найти число N электронов, вырываемых светом из катода фотоэлемента в одну секунду.

5.3. Максимальная скорость фотоэлектронов при освещении цезиевого электрода монохроматическим светом оказалась равной V _макс = см/с. Работа выхода электрона из цезия составляет А=1,89 эВ. Вычислить длину волны света, применявшегося для освещения этого электрода.

5.4 . Уединенный цинкованный шарик облучается ультрафиолетовым светом с длиной волны =250 нм. До какого максимального потенциала зарядиться шарик? Работа выхода электрона для цинка А=3.74 эВ.

5.5. При каких длинах волн облучающего света шарик в условиях предыдущей задачи заряжаться не будет?

5.6. На фотоэлемент с литиевым катодом падает свет с длиной волны

l = 200 нм. Найти наименьшее значение задерживающей разности потенциалов, которую нужно приложить к фотоэлементу, чтобы прекратить фототок.

5.7. Фотон с энергией Е_ф = 10 эВ падает на серебряную пластинку и вызывает фотоэффект. Определить импульс, полученный пластиной, если принять, что направления движения фотона и фотоэлектрона лежат на одной прямой, перпендикулярной поверхности пластины.

5.8. Определить максимальную скорость фотоэлектрона, вырванного с поверхности золота фотоном с энергией Е_ф = 9,3 эВ.

5.9. Какая доля энергии фотона израсходована на работу вырывания фотоэлектрона, если красная граница фотоэффекта l _кр = 310 нм, а максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 4 эВ?

5.10. Электромагнитное излучение с длиной волны l = 207 нм вырывает с поверхности титана фотоэлектроны, которые попадают в однородное магнитное поле с индукцией B = 0,01 Тл. Найти радиус окружности, по которой начнут двигаться фотоэлектроны, если их скорость перпендикулярна линиям магнитного поля

5.11. При освещении катода светом с длиной волны равной сначала 207 нм, а затем 270 нм обнаружили, что задерживающее напряжение изменилось в 2 раза. Определить красную границу фотоэффекта.

5.12. Определить постоянную Планка по результатам эксперимента с фотоэффектом, в котором электроны, вырываемые из металла светом с частотой n ₁ = 2,2^. 10¹⁵ Гц, полностью задерживались разностью потенциалов U = 6,6 В, а вырываемые светом с частотой n ₂ = 4,6^. 10¹⁵ Гц - разностью потенциалов U = 16,5 В.

5.13. Фотоэлемент освещается монохроматическим светом с длиной волны λ=0.2мкМ. Найти работу выхода электронов из металла, если максимальная кинетическая энергия электронов Т= 1.6 эв.

51.14. Найти частоту света, вырывающего из металла электроны, которые полностью задерживаются разностью потенциалов U = 3 В. Фотоэффект начинается при частоте света n = 6^. 10¹⁴ Гц. Определить работу выхода электронов из этого металла.

51.15. Какой максимальный заряд приобретет удаленный от других тел медный шарик при облучении его электромагнитным излучением с длиной волны l = 140 нм? Электроемкость шарика C = 1 пФ.

5.16. При исследовании фотоэффекта с поверхности цинка установлено, что при изменении длины волны падающего света в 1,4 раза для прекращения фотоэффекта необходимо увеличить задерживающее напряжение в 2 раза. Определить длину волны излучения в первом эксперименте.

5.17. При освещении фотоэлемента монохроматическим светом с длиной волны l ₁ = 0,4 мкм он заряжается до разности потенциалов U =2В. Определить, до какой разности потенциалов зарядится фотоэлемент при освещении его монохроматическим светом с длиной волны l ₂ = 0,3 мкм.

5.18. Катод фотоэлемента освещается монохроматическим светом с длиной волны l = 310 нм. При ее изменении на 25% задерживающее напряжение уменьшилось на 0,8 В. Рассчитать по этим экспериментальным данным постоянную Планка.

5.19. Плоский серебряный электрод освещается монохроматическим светом с длиной волны l = 183 нм. Определить, на какое максимальное расстояние от поверхности электрода может удалиться фотоэлектрон, если вне электрода имеется задерживающее однородное электрическое поле напряженностью E = 0,5 кВ/м. с дли

5.20. Фотоэлектроны, вырываемые с поверхности металла светом ной волны l = 311 нм полностью задерживаются напряжением U _з =1,5 В. Каково будет задерживающее напряжение, если этот металл облучать светом с длиной волны l = 249 нм?

5.21. Определить максимальную скорость фотоэлектрона, вырванного с поверхности золота фотоном с энергией Е_ф = 9,3 эВ.

5.22. Какая доля энергии фотона израсходована на работу вырывания фотоэлектрона, если красная граница фотоэффекта l _кр = 310 нм, а максимальная кинетическая энергия электронов равна 4 эВ.

5.23. При облучении платиновой пластины ультрафиолетовым светом задерживающая разность потенциалов была равна 4,7 В. Когда платиновую пластину заменили на другую, то пришлось увеличить задерживающую разность потенциалов до 6,0 В. По данным, приведенным в табл. 2, определить материал второй пластины.

Работа выхода электронов из металлов Таблица 2

5.24. При освещении катода светом с длиной волны равной сначала 207 нм, а затем 270 нм, обнаружили, что задерживающее напряжение изменилось в 2 раза. Определить красную границу фотоэффекта.

5.25. Определить постоянную Планка по результатам эксперимента с фотоэффектом, в котором электроны, вырываемые из металла светом с частотой n ₁ = 2,2^. 10¹⁵ Гц, полностью задерживались разностью потенциалов U = 6,6 В, а вырываемые светом с частотой n ₂ = 4,6^. 10¹⁵ Гц - разностью потенциалов U = 16,5 В.

6.1 . Определить изменение длины волны при эффекте Комптона, если наблюдение ведется перпендикулярно к направлению первичного пучка излучения.

6.2 . В результате комптоновского рассеяния длина волны фотона с энергией Е_Ф =0,5 МэВ увеличилась , где =0,25. Определить кинетическую энергию Т_э электрона отдачи.

6.3 . Фотон рентгеновского излучения с длиной волны в результате комптоновского рассеяния на свободном электроне отклонился от первоначального направления на угол . Определить энергию Е_ф и импульс Р_э электрона отдачи. Дать численный ответ для =0,02 нм и =90

6.4 . По условию предыдущей задачи определить угол между направлением первичного фотона и направлением движения электрона отдачи.

6.5 . Во сколько раз изменение длины волны фотона при комптоновском рассеянии на свободном электроне превосходит аналогичное изменение при рассеянии на свободном протоне при одинаковых углах рассеяния?

6.6 . Определить максимальное изменение длины волны при рассеянии рентгеновского и γ-излучения на свободном протоне.

6.7 . Фотон с длиной волны рассеялся на движущемся свободном электроне. В результате электрон остановился, а фотон отклонился от первоначального направления на угол . Найти изменение длины волны фотона в таком процессе. Как свести эту задачу к задаче о рассеянии фотона на неподвижном электроне?

6.8 . Фотон рассеивается на покоящемся протоне. Энергия рассеянного фотона равна кинетической энергии отдачи, а угол разлета между рассеянным фотоном и протоном отдачи равен 90. Найти энергию падающего фотона.

6.9 . Фотон с энергией Е_ф =2 m ₀ c ² при рассеянии на покоящемся электроне теряет половину своей энергии, где m₀ – масса покоя электрона. Найти угол разлета между рассеянным фотоном и электроном отдачи.

6.10 . Фотон с длиной волны =0,0024 нм после рассеяния на электроне движется в противоположном направлении. Определить длину волны рассеянного фотона.

6.11 . Фотон с энергией h n рассеивается назад на электроне, движущемся ему навстречу с энергией Е (включая энергию покоя). Определить энергию фотона после рассеяния.

6.12. Фотон с энергией равной энергии покоя электрона рассеялся на свободном электроне на угол J = 120⁰ . Определить энергию рассеянного фотона и кинетическую энергию электрона отдачи.

6.13. Фотон при эффекте Комптона на свободном электроне был рассеян на угол J = 90⁰ . Определить импульс, приобретенный электроном, если энергия фотона до рассеяния была Е_ф = 1,02 МэВ.

6.14. Рентгеновское излучение с длиной волны l = 1 нм рассеивается свободными электронами. Определить максимальную длину волны рентгеновского излучения в рассеянном пучке.

6.15. Какая доля энергии падающего фотона приходится на электрон отдачи, если рассеяние фотона при эффекте Комптона происходит на угол J = 90⁰ ? Энергия фотона до рассеяния Е_ф = 0,51 МэВ.

6.16. Определить максимальное изменение длины волны при комптоновском рассеянии света на свободных электронах и свободных протонах.

6.17. В результате эффекта Комптона фотон с энергией Е_ф = 1,02 МэВ рассеян на свободном электроне на угол J = 150⁰ . Определить энергию рассеянного фотона.

6.18. На какой угол был рассеян фотон с энергией Е_ф = 1,53 МэВ при эффекте Комптона, если кинетическая энергия электрона отдачи T =0,51 МэВ?

6.19. Определить энергию электрона отдачи ,если фотон с энергией Е_ф =40 КэВ при комптоновском рассеянии на свободном электроне изменяет направление на угол J = 90⁰ .

6.20. Узкий пучок монохроматического рентгеновского излучения падает на рассеивающее вещество. При этом длины волн излучения, рассеянного под углами J ₁ = 60⁰ и J ₂ = 120⁰ , отличаются друг от друга в 2 раза. Считая, что рассеяние происходит на свободных электронах, найти длину волны падающего излучения.

6.21. Рентгеновский фотон с энергией Е_ф = 20 кэВ претерпевает комптоновское рассеяние на свободном электроне на угол J = 90⁰ . Чему равна энергия электрона отдачи?

6.22. Фотон с энергией Е_ф = 0,75 МэВ рассеялся на свободном электроне под углом J = 60⁰ . Определить направление движения электрона отдачи. Принять, что до соударения с фотоном электрон покоился.

6.23 . Определить энергию рассеянного фотона, если в результате эффекта Комптона фотон с длиной волны λ= 1нМ был рассеян на угол α= 60 град.

6.24 . Рентгеновское излучение с длиной волны λ= 2 нМ рассеивается свободными электронами на угол α= 90 град. Найти энергию электронов отдачи.

6.25. На какой угол рассеивается фотон с энергией Е =1.02 Мэв ,если энергия рассеянного фотона Е =0.51Мэв.

7.1. Импульс, переносимый монохроматическим пучком фотонов через площадку S=2 см² за время t=30 с. равен р_ф =3·10^-4 (г∙см/с) Найти для этого пучка энергию падающую на единицу площади за единицу времени.

7.2. Точечный изотропный источник света мощностью Р=10 Вт испускает свет с длиной волны λ=589 нм. Найти среднюю плотность потока фотонов на расстоянии r= 2 м от источника.

7.3. Плоская световая волна с интенсивностью I= 0,7 Вт/см² освещает диск с зеркальной поверхностью радиуса R= 5 см. Коэффициент отражения равен единице. Найти с помощью корпускулярных представлений силу, действующую на шар.

7.4. Короткий импульс света с энергией Е= 7,5 Дж в виде узкого почти параллельного пучка света падает на зеркальную пластинку с коэффициентом отражения 0,6. Угол падения i=30⁰ . Определить с помощью корпускулярных представлений импульс, переданный пластинке.

7.5. Плоская световая волна интенсивностью I= 0,2 Вт/см² падает на плоскую зеркальную поверхность с коэффициентом отражения 0,8. Угол падения i= 45⁰ . Определить с помощью корпускулярных представлений величину нормального давления, которое оказывает свет на эту поверхность.

7.6. Наиболее мощные импульсные лазеры излучают в импульсе длительностью τ=1,3∙10^{– 4} с энергию Е=10 Дж. Найдите среднее за время импульса давление такого пучка света, если его сфокусировать в пятно диаметром d= 10 мкм на поверхности, перпендикулярной пучку, с коэффициентом отражения 0,5. Сравните это давление с нормальным атмосферным давлением.

7.7. На некоторую поверхность с коэффициентом отражения 0,6 под углом 30 ⁰ падает монохроматический световой поток. В одну секунду на 1 м² поверхности падает 0.15 ∙10 ²¹ фотонов. Длина волны падающего света λ=600 нм. Найти давление света на площадку.

7.8 . Найти коэффициент отражения поверхности, если нормально падающий на нее монохроматический световой поток с длиной волны λ=500 нм и объемной плотностью падающих фотонов 10¹⁴ фотон/м³ создает давление 2∙10^-5 Па.

7.9 . На абсолютно черную квадратную пластинку со стороной 10 см падает под углом 45⁰ световой поток интенсивностью I=5 кВт/ м² . Найти силу давления света на пластинку.

7.10 . На пластинку с коэффициентом отражения 0,5 перпендикулярно падает монохроматический световой пучок с длиной волны 530 нм. Найти число фотонов, падающих за 1 с на единицу площади поверхности пластинки, если давление света на нее равно 8∙10^-7 Па.

7.11 . Зрительное ощущение у человека может возникнуть, если энергия попадающего в глаз света составляет 2∙10^-13 Дж. Сколько квантов зеленого света с длиной волны 700 нм должно одновременно попасть в глаз для создания зрительного ощущения? Какую силу давления света окажут они на сетчатку?

7.12. Для человека верхний предел болезненно воспринимаемого полного (проходящего через зрачок) потока световой энергии составляет 2 ∙10^-5 Вт. Сколько при этом попадает в глаз за 1 с фотонов с длиной волны 555 нм? Какую силу давления света окажут они на сетчатку?

7.13 . Количество солнечной радиации, поступающее на поверхность, перпендикулярную лучам за пределами атмосферы при среднем расстоянии Солнца от Земли называется солнечной постоянной I₀ . В среднем для периода спокойного Солнца I₀ =1,395∙10³ Вт/м² . Максимальная энергия в солнечном спектре приходится на λ_m = 473,8 нм. Оцените, какое число фотонов с длиной волны λ_m создает такой поток энергии. Какое давление на абсолютно черную площадку он оказывает? Сравните с атмосферным давлением у поверхности Земли – около 10⁵ Па.

7.14 . Пользуясь условием предыдущей задачи, определить давление света у границы Земной атмосферы и на расстоянии от Солнца, равном 10 радиусам Земли (R_з =6 400 км). Среднее расстояние от Земли до Солнца R_с-з =1,49 ∙10⁸ км.

7.15 . Найти давление света на стенки электрической 100 ваттной лампы. Колба лампы представляет собой сферический сосуд радиусом 5 см. Стенки лампы отражают 10% падающего на них света. Считать, что вся потребляемая мощность идет на излучение.

7.16 . На поверхность площадью 100 см² ежеминутно падает 63дж световой энергии. Найти величину светового давления в случаях, когда поверхность: 1) полностью отражает все лучи и 2) полностью поглощает все падающие лучи.

7 .17 . Монохроматический пучок света (λ=4900 А), падая нормально на поверхность, производит давление на неё, равное 5·10^-7 Н/м² . Сколько квантов света падает ежесекундно на единицу площади этой поверхности? Коэффициент отражения света p=0,25.

7.18 . Давление монохроматического света (длина волны равна λ =600 нм), на черную поверхность пластинки, расположенной перпендикулярно к падающим лучам, равно 10^-7 Н/м² . Сколько фотонов падает за одну секунду на 1 см² площади этой поверхности пластинки?

7.19 . Поток монохроматического света (длина волны равна 500 нм) падает нормально на плоскую зеркальную поверхность и создает давление, равное 10^-8 Н/м² . Определить число фотонов, падающих ежесекундно на один см² площади этой поверхности.

7.20 . Определить поверхностную плотность I потока энергии излучения, падающего на зеркальную поверхность, если световое давление р при перпендикулярном падении лучей равно 10 мкПа.

7.21 . Поток энергии Ф_е, излучаемый электрической лампой, равен 600Вт. На расстоянии r=1м от лампы перпендикулярно падающим лучам расположено круглое плоское зеркальце диаметром d=2см. Принимая, что излучение лампы одинаково во всех направлениях и что зеркальце полностью отражает падающий на него свет, определить силу F светового давления на зеркальце .

7.22 . На зеркальце с идеально отражающей поверхностью площадью S=1.5 см² падает нормально свет от электрической дуги. Определить импульс p , полученный зеркальцем, если поверхностная плотность потока излучения φ, падающего на зеркальце, равна 0,1 МВт/м² . Продолжительность облучения t=1c.

7.23 . Давление p монохроматического света (λ=600 нм) на черную поверхность, расположенную перпендикулярно падающим лучам, равно 0,1 мкПа. Определить число N фотонов, падающих за время t=1с на поверхность площадью S=1 см² .

7.24 . Монохроматическое излучение с длиной волны λ=500 нм падает нормально на плоскую зеркальную поверхность и давит на неё с силой F=10 нН. Определить число n ₁ фотонов, ежесекундно падающих на эту поверхность.

7.25 . Параллельный пучок монохроматического света λ=662 нм падает на зачерненную поверхность и производит на неё давление р= 0,3 мкПа. Определить концентрацию n фотонов в световом пучке.

8.1. Найти длину волны в спектре теплового излучения черного тела с энергетической светимостью R^* = 5,7 Вт/см² ,которой соответствует максимум испускательной способности этого тела.

8.2. В результате расширения Вселенной после Гигантского взрыва возникшее электромагнитное излучение начало остывать. В настоящее время это излучение ( его называют реликтовым) имеет вид теплового излучения с максимумом испускательной способности при длине волны l _max = 1,07 мм. Какова температура этого излучения?

8.3. На какую длину волны приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела при температуре t = 0^о С?

8.4. При изменении температуры абсолютно черного тела площадь под графиком спектральной плотности энергетической светимости увеличилась в 16 раз. Как изменилась при этом длина волны, на которую приходится максимум испускательной способности этого тела?

8.5. Длина волны l _max , на которую приходится максимум энергии в спектре излучения черного тела, равна 0,58 мкм. Определить максимальную спектральную плотность энергетической светимости.

8.6. Поток энергии, излучаемый из смотрового окошка плавильной печи, равен 34 Вт. Определить температуру печи, если площадь отверстия окошка S = 6 см² .

8.7. Температура поверхности Солнца равна 5300 К. Считая Солнце черным телом, определить длину волны, которой соответствует максимум испускательной способности Солнца.

8.8. При изменении температуры абсолютно черного тела длина волны, на которую приходится максимум испускательной способности, увеличилась в два раза. Как изменится при этом величина максимума испускательной способности?

8.9. Определить температуру абсолютно черного тела, при которой максимум спектральной плотности его энергетической светимости приходится на красную границу видимого спектра l _КР = 750 нм.

8.10. Температура верхних слоев звезды Сириус равна 10 кК. Определить поток энергии, излучаемый с поверхности этой звезды площадью S = 1 км² .

8.11. Вследствие изменения температуры черного тела максимум спектральной плотности энергетической светимости сместился с l ₁ =2,4мкм на l ₂ = 0,8 мкм. Во сколько раз изменилась энергетическая светимость тела?

8.12. Определить относительное увеличение D R*/R энергетической светимости черного тела при увеличении его температуры на 1%.

8.13. Максимум спектральной плотности энергетической светимости яркой звезды Арктур приходится на длину волны l _max = 580 нм. Принимая, что звезда излучает как черное тело, определить температуру поверхности этой звезды.

8.14. Во сколько раз надо увеличить температуру черного тела, чтобы его энергетическая светимость возросла в два раза?

8.15. Муфельная печь потребляет мощность P = 1 кВт. Температура ее внутренней поверхности при открытом отверстии площадью S =25см² равна 1200 К. Считая, что отверстие печи излучает как черное тело, определить, какая часть мощности рассеивается стенками.

8.16. После изменения температуры черного тела максимум спектральной плотности энергетической светимости сместился с l ₁ = 0,8 мкм на l ₂ = 2,4 мкм. Во сколько раз изменилась максимальная спектральная плотность энергетической светимости?

8.17. Определить энергию, излучаемую из смотрового окошка плавильной печи площадью S = 6 см² , если температура печи T = 1200 К.

8.18. При увеличении термодинамической температуры черного тела в два раза длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, изменилась на D l =400нм. Определить начальную температуру тела.

8.19. Энергетическая светимость черного тела R* = 10 кВт/м² . Определить длину волны, соответствующую максимуму спектральной плотности энергетической светимости этого тела.

8.20. До какого значения необходимо уменьшить температуру черного тела, чтобы величина максимума спектральной плотности энергетической светимости уменьшилась в 16 раз, если начальная температура T = 1410 К?

8.21. Как изменится мощность излучения черного тела, если длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости, уменьшилась от l ₁ = 0,72 мкм до l ₂ = 0,4 мкм?

8.22. Мощность излучения шара радиусом r = 10 см равна 1 кВт. Найти температуру поверхности шара, считая его черным телом.

8.23. Начальная температура теплового излучения T = 2000 К. На сколько градусов изменилась эта температура, если длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости в спектре излучения, увеличилась на D l = 260 нм?

8.24. Температура абсолютно черного тела T = 2000 К. Как нужно ее изменить, чтобы энергетическая светимость уменьшилась в 16 раз?

8.25. Максимум спектра излучения абсолютно черного тела приходится на длину волны l _max = 10 мкм. Какова температура тела?