Какой свет красного или фиолетового цвета оказывает большее давление на идеально отражающую

Квантовая оптика. Фотоны. Фотоэффект. Давление света

Цель семинара: изучение основных волновых свойств света таких, как дисперсия, интерференция, дифракция, поляризация, и корпускулярных – явления фотоэффекта, давления света. Введение понятия фотона и определение его массы, импульса и энергии.

1. Основные понятия и соотношения:

Согласно современным представлениям свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом, т.е. в равной степени проявляет свою двойственную природу: с одной стороны это электромагнитная волна, с другой поток частиц (корпускул) – фотонов. Отсюда и два подхода к изучению оптических явлений: волновой и квантовый.

Волновая оптика

С точки зрения волновой оптики, свет является поперечной электромагнитной волной, распространяющейся в вакууме со скоростью = 3·10 8 м/с. Колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 1). Длины световых волн изменяются в диапазоне от 0,4 мкм (фиолетовый свет) до 0,7 мкм (красный). Соответственно, частоты световых волн определяются соотношением и лежат в диапазоне от 4,3·10 14 Гц (красный) до 7,5·10 14 Гц (фиолетовый). Чтобы легко запомнить последовательность цветов в видимом спектре по возрастанию частоты, нужно вспомнить детскую считалочку: Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан (красный – оранжевый – желтый – зеленый – голубой – синий – фиолетовый). Белый свет является суммой световых волн всех цветов, а черный – отсутствием света.

В любой среде скорость распространение световой волны и длина волны по сравнению с вакуумом уменьшается: и , где n – показатель преломления среды. Частота световой волны не зависит от того, в какой среде распространяется свет и определяется часто источника света.

Поляризацией электромагнитной волны (света), называют ориентацию вектора напряженности электрического поля в пространстве. В обычных условиях источники света создают волну с колебаниями вектора во всех направлениях (неполяризованный свет). Чтобы получить плоско-поляризованный свет, т.е. волну у которой, вектор лежит только в одной плоскости, свет нужно пропустить через кристалл турмалина Т (поляроид) (рис. 2). Кристалл обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости – плоскость поляризации Р (рис. 2). Поляризация является одним из главных доказательств поперечности световых волн.

Дисперсия света

Дисперсией называется зависимость скорости света в веществе (а значит, и показателя преломления) от частоты волны. Благодаря этому явлению, узкий пучок белого света раскладывается на лучи семи основных цветов – спектр. Луч красного цвета преломляются меньше всего из-за того, что имеют в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета – наименьшую (рис. 3).

Цвет окружающих нас предметов определяется цветом отраженных световых волн. Предметы белого цвета отражают все цвета видимого спектра. Трава и листья деревьев воспринимаются нами зелеными потому, что они отражают именно световые волны зеленого света, а остальные поглощают. Черные тела поглощают все световые волны независимо от их частот.

Интерференция света

Интерференцией называется явление сложения волн от нескольких источников, дающее устойчивое во времени распределение максимумов, минимумов в пространстве –интерференционную картину. Вызываемая волнами картина колебаний является стационарной, т.е. в каждой точке происходят колебания с не зависящей от времени амплитудой. Интерференционную картину можно наблюдать только в том случае, если источники волн когерентны, т.е. имеют одинаковую частоту и разность фаз. Когерентные источники света можно получить, разделяя исходный пучок на несколько пучков преломлением или отражением.

При сложении интерферирующих волн разность фаз между ними обусловлена разностью хода – разницей расстояний от источников до точки наблюдения: . Интерферирующие волны могут идти в разных средах, тогда разность фаз определяется оптической разностью хода лучей: , которая является модулем разности оптических путей. Также можно использовать искусственный прием: заставить интерферировать части одной и той же волны, идущие от единственного источника и достигающие точки наблюдения по разным путям, благодаря чему возникнет некотораяразность хода. В этом случае когерентность обеспечивается тем, что интерферирующие волны одновременно испускаются одним источником. Рассмотрим интерференцию двух световых волн с одинаковыми частотами колебаний от двух точечных источников A₁ и А₂ в точке M. При условии, что расстояние между источниками много меньше расстояний от источников до точки наблюдения, колебания можно считать происходящими вдоль одной и той же прямой с одинаковыми амплитудами, и результат сложения волн будет зависеть только от разности фаз между ними.

Условие интерференционных максимумов и минимумов. Интенсивность (энергия) света в каждой точке наложения волн пропорциональна квадрату суммарной амплитуды напряженности электрического поля в этой точке. Пусть колебания в некоторой точке происходят всегда в одной и той же фазе, усиливая друг друга (рис. 4). Тогда амплитуда волны равна сумме амплитуд, то есть удваивается: . Таким образом, в указанном месте будет происходить усиленное колебание, в этой точке будет наблюдаться интерференционный максимум – светлая (яркая) точка интерференционной картины. Наоборот, если в некоторой точке обе волны встречаются в противофазе, ослабляя друг друга, суммарная амплитуда волн в этой точке окажется равной нулю (рис.5): . Следовательно, в этой точке будет наблюдаться интерференционный минимум – черная точка (отсутствие света).

Для определения максимума или минимума служит правило:

максимумы интерференционной картины получаются в тех местах, где разность хода равна целому числу длин волн, или четному числу полуволн: , где k =1,2,3…

Разность фаз в точке максимуме кратна 2π.Число k называется порядком спектра.

Минимумы будут в тех местах, где разность хода равна нечетному числу полуволн: , где k =1,2,3…. Разность фаз в этом случае равна нечетному числу π.

Интерференция в тонких пленках. Самый известный пример этого вида интерференции – радужные переливы на поверхности мыльного пузыря. Суть этого явления заключается в сложении волн 1 и 2, одна из которых отражается от наружной поверхности пленки, а другая – от внутренней (рис. 6). Разность хода зависит от толщины пленки h, определяющей длину волны в пленке. В задачах на эту тему необходимо учитывать, что при отражении от оптически более плотной среды появляется дополнительная разность хода λ/2, что соответствует изменению фазы волны на радиан.

Дифракция света

Дифракция – явление нарушения закона прямолинейного распространения света, заключающееся в огибании волной препятствий, по размерам соизмеримых с длиной волны. Проявление дифракции состоит в том, что распределение освещенности отличается от картины, полученной с помощью законов геометрической оптики. Для расчета дифракционных картин используется принцип Гюйгенса – Френеля, основной принцип, которому подчиняется распространение волн: каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн. С помощью принципа Гюйгенса – Френеля можно строго доказать справедливость законов отражения и преломления и объяснить физический смысл показателя преломления.

Дифракция также накладывает предел на разрешающую способность оптических приборов, таких, как микроскоп и телескоп, так как полученное с их помощью изображения всегда будет являться дифракционной картиной. Так, изображения мелких предметов под микроскопом получаются размытыми, т.к. свет распространяется не строго прямолинейно. В телескопе у края оправы объектива изображением звезды будет не точка, а система светлых и темных колец. Предельный угол между двумя источниками света, при котором возможно их различить, определяется отношением длины волны к диаметру объектива, то есть степень дифракционного искажения уменьшается по мере увеличения диаметра объектива.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками (штрихами). Величина , где a – ширина щелей, а b – ширина промежутков между ними, называется периодом решетки. При освещении поверхности решетки каждый штрих будет источником вторичных волн, которые будут интерферировать. Если расположить параллельно решетке собирающую линзу и поставить экран в ее фокальной плоскости, то на экране можно увидеть дифракционную картину – изображение щели в разных порядках спектра (рис. 7). Максимумы дифракционного спектра будут наблюдаться на экране под углом φ: , где k = 1,2,3… – порядок спектра, а – длина световой волны. Между максимумами расположены минимумы освещенности. Чем больше число штрихов, тем более ярко выражены максимумы.

Квантовая оптика. Фотоны. Фотоэффект. Давление света

Согласно гипотезе Планка, свет излучается и поглощается отдельными порциями – квантами. Кванты света также называют фотонами. Фотон – подлинно релятивистская частица; он всегда движется со скоростью света. Энергия каждого кванта E пропорциональна частоте: , где – фундаментальная постоянная, называемая постоянной Планка. Массу фотона можно найти из уравнения Эйнштейна, связывающего массу и энергию: . Импульса фотона в вакууме определяется формулой: .

Световая волна, падающая на тело, частично отражается, частично проходит насквозь, и частично поглощается. Нередко известная часть поглощенной энергии уходит не на нагревание тела. Очень важными действиями света, получившими большое практическое применение, являются фотоэлектрический эффект, фотолюминесценция и химические превращения.

Фотоэффект – это вырывание слабо связанных электронов из металла под действием квантов света (открыто Герцем и тщательно исследованное Столетовым). Для измерений характеристик этого явления (силы тока и скорости электронов) служит опыт, изображенный на рис. 8. Пластина 1 (катод), из которой освобождаются фотоэлектроны, присоединена к отрицательному полюсу батареи (вырывание положительных ядер получить не удастся из-за более сильных связей). Второй полюс присоединен через потенциометр и гальванометр с пластиной 2 (анод). Обе пластины заключены в сосуд, из которого откачивается воздух для того, чтобы столкновение электронов с молекулами газа не вносили осложнения в наблюдаемые явления. Ультрафиолетовое излучение, падающее на пластину 1, проникает через кварцевое окошко 3. Электроны, вылетающие из пластины 1, попадают в электрическое поле, созданное между пластинами. Напряжение между пластинами можно изменять путем перемещения движка 4 потенциометра.

Законы фотоэффекта.Количество электронов, врываемых светом с поверхности металла за 1 , прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны (фототок пропорционален интенсивности падающего света). Это не означает, что число фотоэлектронов будет равно числу падающих фотонов. Лишь 1% световой энергии переходит в энергию влетевших электронов.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Энергия кванта расходуется на совершение работы выхода электрона из металла (работа по преодолению сил, удерживающих электрон внутри атома), а ее остаток – на сообщение электрону кинетической энергии:

Это и есть уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Красной границей фотоэффекта называют такую частоту ν_min, при которой энергии фотона хватает только на то, чтобы вырвать электрон из металла (или длинноволновой границей – максимальную длину волны, при которой происходит фотоэффект): .

Если подать напряжение на два электрода и освещать один из них, то будет наблюдаться фототок. Однако если энергии электронов не хватит, чтобы преодолеть разность потенциалов между электродами, то фототок прекратится (рис. 9). Задерживающее или запирающее напряжение U_З находится из закона сохранения энергии: . Если увеличивать напряжение на электродах, не меняя интенсивности света, то постепенно сила фототока достигнет максимального значения – тока насыщения. Ток насыщения равен , где N – количество фотонов, попадающих на электрод в единицу времени, e – заряд электрона.

Давление света

Фотоны, подобно телам, имеющим массу покоя, обладают импульсом, а значит, свет оказывает давление на препятствия. При падении света некоторые фотоны поглощаются (ведут себя подобно неупругим телам), а некоторые отражаются (подобно абсолютно упругим). Согласно закону Ньютона в импульсной форме (рис. 10), при поглощении одного фотона на поверхность будет действовать сила: , а в случае отражения – . Таким образом, при поглощении импульс падающего фотона полностью передается телу, а при отражении тело получает удвоенный импульс фотона. Если за время поглощается n_П фотонов, то они оказывают на поверхность тела давление , а при отражении давление на поверхность будет равно . Число поглощенных и отраженных фотонов и связаны соотношением , где – коэффициент отражения, а n – общее число фотонов, падающее на поверхность за время . Отсюда получаем, что и . Общее давление будет складываться из двух составляющих: , где – интенсивность света (энергия, переносимая в единицу времени через единицу площади). В случае, когда свет падает не под прямым углом или преломляется, нужно рассматривать векторную разность импульсов фотона до и после столкновения.

Волновые свойства тел. Согласно гипотезе де Бройля любое тело может также проявлять и волновые свойства. Длина волны де Бройля определяется как и длина волны фотона: .

2. Базовые задачи:

1. Два когерентных точечных источника монохроматического света с длиной волны λ находятся на расстоянии d друг от друга и на одинаковом расстоянии L>>d от экрана. Определите расстояние между интерференционными минимумами.

Решение: Разность хода для интерферирующих волн в точке М равна (рис. 11). Для треугольников и запишем теорему Пифагора: и . Вычитая эти выражения друг из друга, получаем ( , т.к. L>>d). Таким образом, . В точке М будет наблюдаться интерференционный минимум, если . В итоге, искомое расстояние между соседними минимумами k и порядка равно .

2. Для уменьшения доли отраженного света от оптических стекол на них наносят тонкую пленку, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла. Какой наименьшей толщины h пленку с показателем преломления n надо нанести на поверхность стекла, чтобы отражение света, падающего нормально (вывести общий случай для произвольного угла) к поверхности пленки с длиной волны λ было минимальным?

Чтобы отражение было минимальным, любому произвольно выбранному лучу, падающему из точки В, должен найтись такой параллельный луч, идущий из точки А,

чтобы: а) преломившись в точке C и, отразившись в точке P, прийти в точку пересечения луча и границы раздела, откуда пойдет отраженный луч DE рис. 12);б) Оптическая разность хода интерферирующих лучей должна быть равна нечетному числу полуволн в вакууме , т.е. выполняться условие минимума интерференционной картины. До перпендикуляра KC лучи пройдут одинаковые пути. Далее, луч AC пройдет оптический путь ,а луч BD

пройдет . Вследствие того, что в точках P и D отражение происходит от оптически более плотной среды, каждая волна дополнительно сдвигается по фазе на радиан, что соответствует оптическому пути . Оптическая разность хода должна удовлетворять условию минимума интерференции: . Поскольку , , , то . Преломление в точке C идет по закону . В итоге получим, что оптическая разность хода лучей равна .

Так как по условию свет падает под углом , и условие интерференционного минимума принимает вид: , а искомая толщина пленки равна . Поскольку m = 0, 1, 2…, то ; …, и наименьшая из них равна .

3. На каком максимальном расстоянии S человек может различать по отдельности две желтые фары автомобиля, установленные на расстоянии l = 1,5 м друг от друга, если длина волны желтого света равна l = 550 нм, а диаметр зрачка равен d = 2 мм?

Предельный угол φ равен отношению длины волны к диаметру зрачка . Также этот угол можно найти из соотношения . Считая угол φ малым, получим = 3,6 км.

4. На дифракционную решетку, имеющую 200 штрихов на 1 мм, нормально к ее поверхности падает монохроматический свет с длиной волны l = 700 нм. Определите: а) постоянную дифракционной решетки; б) наибольший порядок дифракционного спектра; в) угол, под которым он наблюдается; г) расстояние между 1-м и 2-м дифракционными максимумами, если экран расположен на расстоянии L = 1м от решетки.

а) Постоянная дифракционной решетки равна = 1мм/200 = 5мкм;

б) Наибольший порядок дифракционного спектра определяется исходя из формулы дифракционной решетки: = 7,143 = 7;

в) Угол, под каким наблюдается максимум 7-го порядка: ;

г) Расстояние между нулевым и 1-ым максимумом равно . Поскольку угол можно считать малым, то , а значит . 2-й максимум будет располагаться на расстоянии . Следовательно, искомое расстояние равно = 14 см.

5. Медный шарик массой M длительное время облучают светом с длиной волны λ. Какой максимальный заряд q приобретет шарик, если длинноволновая граница фотоэффекта для меди равна λ₀, а плотность меди равна ρ?

По мере отрывания электронов шарик будет заряжаться положительно и создавать вокруг себя электростатическое поле, притягивающее электроны обратно. Удерживающий электроны потенциал шара φ найдем из соотношения . Применяя закон Эйнштейна для фотоэффекта , получим кинетическую энергию электронов . В свою очередь, потенциал шара φ равен , а его радиус можно найти, связав массу, объем и плотность .

Окончательно заряд шара будет равен .

6. Узкий световой пучок красного света перпендикулярно падает на поверхность плоского зеркала. Опираясь на законы механики и квантовой физики, объясните, как изменится сила давления светового пучка на зеркало, если красный свет заменить зеленым. Число фотонов в пучке, падающих на поверхность зеркала в единицу времени, для красного и зеленого света считать одинаковым.

Свет, падая на поверхность зеркала перпендикулярно, отражается, при этом направление вектора скорости света изменяется на противоположное. Согласно второму закону Ньютона, сила, с которой световой пучок давит на зеркало, равна изменению суммарного импульса фотонов в единицу времени = .

Суммарный импульс фотонов равен , где — масса одного фотона, — их количество, — скорость света. Масса одного фотона, согласно формулам Планка и Эйнштейна , равна . Таким образом, сила давления светового пучка ( ) прямо пропорциональна частоте света .

Частота красного света меньше частоты зеленого, следовательно сила давления светового пучка на поверхность зеркала увеличится при замене красного света зеленым.

Топ-10 фактов о свете и цвете

Свет — лишь небольшая видимая частица огромного электромагнитного спектра излучения. В этот спектр входят радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Один лишь видимый свет человек может разглядеть в виде цветов, которые он образует на поверхности предметов. Разные цвета получаются из-за разных частот световых волн, путешествующих сквозь пространство. Чем ближе друг к другу вершины волн, тем выше их частота. Наименьшую частоту и самую большую длину волны среди всех световых волн имеют радиоволны, в то время как гамма-излучение напротив, обладает самой высокой частотой.

Для того, чтобы разглядеть всю прелесть цветов, которые способен образовывать видимый спектр излучения, вам достаточно фонарика, экрана телевизора или просто солнечного дня. Кроме того, необходимо найти ровную поверхность, которая могла бы отражать свет, и, конечно же, необходим наблюдатель. Трудно недооценить важность цвета в повседневной жизни. Без него мы не могли бы отличить многие вещи друг от друга.

10. Видимый спектр света

Сам по себе свет — пучок невидимой энергии, путешествующий через пространство. Чтобы мы смогли разглядеть его, необходимо, чтобы свет прошел сквозь плотные облака пыли или тумана. Мы также можем наблюдать взаимодействие света с окружающим миром, когда он отражается от встречных объектов. Наши глаза улавливают его отраженные волны и преобразуют их в цвета. Сэр Исаак Ньютон обнаружил, что, когда луч света пропускают сквозь призму, он преломляется и распадается на цвета, расположенные в одном и том же порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
Наша сетчатка содержит два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки. Палочки определяют интенсивность света и его яркость, в то время как колбочки отвечают за цветовосприятие. Всего в наших глазах находится три типа колбочек, которые различают красный, синий и зеленый цвета соответственно. Именно комбинации этих трех основных цветов и образуют все остальные, вторичные цвета. Если вам необходим наглядный пример, то представьте, что весь спектр электромагнитного излучения занимает расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса (что примерно составляет около 2500 миль), тогда видимый спектр будет в длину равен примерно одному дюйму.

9. Необходимость темноты

Иоганн Вольфганг фон Гете заметил, что, глядя сквозь призму на темные объекты, расположенные на светлом фоне, вокруг них появляется цветной ореол. Такой эффект обычно происходит при переходе от белого к черному, когда цвет меняется поэтапно на желтый, затем красный, а от черного — на фиолетовый, синий и бирюзовый. Наблюдая за закатом, вы наверняка замечали, как меняется цветовая гамма на вечернем небе. По мере приближения к горизонту, солнце становится краснее и краснее, это явление обусловлено тем, что из-за изменения угла солнца, его свет проходит через более низкие и плотные слои атмосферы. Красный цвет получается в результате того, что свету приходится преодолевать более плотную среду.

Если же мы посмотрим в противоположную сторону, то увидим, как меняется вечернее небо от темно-голубого к синему и фиолетовому. Чем больше света находится в атмосфере, тем более ярким будет небо, а то, что мы наблюдаем ночью — не что иное, как тьма и пустота космоса вверху над нами.

8. Цветные тени

Если смотреть на окно несколько секунд, а затем закрыть глаза, то можно увидеть его негатив — светлую раму, окружающую темное стекло. Этот трюк работает с любыми цветными предметами. Это объясняется тем, что каждый цвет обладает дополняющим цветом. Красный обладает голубым, зеленый — пурпурным, а синий — желтым.
Если вы будете светить на вазу двумя разными источниками света, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, то у вазы появится две тени. Если один из источников света будет светить красным, то противоположная ему тень станет тоже красной, а основная — голубой. На самом же деле все тени серого цвета, а то, что вы видите — лишь оптический обман.

7. Какой же настоящий цвет предметов?

Все зависит от освещения. Разноцветные огни — это лишь видимая часть спектра, но сами-то предметы сделаны не из света. К примеру, у вас есть зеленая рубашка, и пока вы идете по улице — все хорошо, она по прежнему зеленая, но что вы скажете о ней, когда войдете в помещение с красным освещением? Обычно красный смешиваясь с зеленым создает желтый цвет, но рубашка окрашена пигментным красителем, где зеленый был получен путем смешивания синего и желтого красителей, которые не будут отражать красный. Таким образом, ваша рубашка будет казаться черного цвета. В неосвещенном помещении рубашка также будет казаться черной, равно как и остальные предметы.
В качестве еще одного примера возьмем банан. Что делает его желтым? Когда белый свет попадает на банан, все его составляющие кроме желтого поглощаются. Желтый, тем временем, отражается у нас в глазах. В некотором смысле, бананы могут быть любого другого цвета, но не желтого, поскольку мы видим лишь тот цвет, который они отразили. Так какого же цвета банан на самом деле? Ответ прост: он синий. Теоретически, конечно же. Синий цвет является дополнительным к желтому. Таким образом, можно прийти к заключению, что цвет не является свойством предмета, это всего лишь интерпретация невидимых волн разных частот, порождаемая нашим мозгом.

6. Розовый

Если взглянуть на цветовой круг, то можно увидеть первичные и вторичные цвета в альтернативном порядке. Каждый вторичный цвет производится путем объединения соседних основных цветов. Объединив красный и зеленый цвета, мы получим желтый, объединив зеленый и синий — получим голубой, а объединив красный и синий — получим розовый. Вы никогда не задумывались, почему розового нет в радуге? Ответ прост: такого цвета в природе нет. Есть желтый и голубой, но не розовый. Это обусловлено тем, что красный и синий цвета находятся в противоположных концах видимого спектра. Розовый цвет, по своей сути, олицетворяет собой все в мире, невидимое человеческому глазу.

5. Вантаблэк

Всем известно, что черный придает особую загадочность образу и стройнит, но слышали ли вы о новом черном — так называемом Вантаблэке? Этот цвет похож на настоящую черную дыру. Его невозможно увидеть, он становится видим только из-за своего фона. Можно увидеть его границы, но если смотреть прямо на пятно этого цвета, то это будет подобно взгляду в пустоту. Да, это даже не черный, это — ничто. Он поглощает весь видимый спектр света, за исключением 0,035% излучения. Для сравнения, этот показатель у черного угля никогда не опускается ниже 0,5%.

Вантаблэк был совсем недавно изобретен британскими учеными и будет применяться в проектировании невидимых перехватчиков и современного оружия. На сегодняшний день главной сферой его применения остается астрономия, где для проведения космических исследований необходимы сверхчувствительные телескопы, которые способны обнаружить самые далекие звезды и галактики.

4. Это мой красный, а не твой!

Наблюдая за кем-то в красном платье, помните ли вы, что кто-то из ваших друзей видит его вовсе не как красное, а, к примеру, как синее или зеленое. Все мы с детства обучены названиям цветов, поэтому принимаем как должное, что тот конкретный цвет — красный. Но не следует забывать, что в мире есть тысячи людей, страдающих от разных типов дальтонизма. Он мешает им различать красный, зеленый и синий цвета, поэтому они видят мир не совсем таким, каким видим его мы.

3. Запрещенные цвета

При помощи красного, желтого, зеленого и синего цветов в различных комбинациях можно описать все остальные цвета видимого спектра. Фиолетовый, к примеру, может быть описан как красно-синий, цвет лайма — как желто-зеленый, оранжевый — как красновато-желтый, а бирюзовый — как голубовато-зеленый. Но как бы вы назвали что-то оранжево-зеленого цвета? А голубовато-желтого? Вы не знаете, а все это потому что на самом деле этих цветов не существует в теории, они называются запрещенными. Все сводится к тому, как мы воспринимаем цвет. Колбочки в наших глазах определяют красный, зеленый и синий цвета по разным длинам волн. Когда их длины пересекаются, мы видим уже новые цвета. Идея запрещенных цветов настолько сильно засела в головах Хьюитта Крэйна и Томаса Пиантанида, что в 1983 году им удалось совершить невозможное. Проводя ряд экспериментов, им удалось воссоздать такие цвета, у которых не было названия. Этот эффект был достигнут путем расположения рядом друг с другом красных и зеленых полосок (а также желтых и синих). Убедившись в том, что свет, отраженный каждым цветом активизирует лишь определенные колбочки, они принялись смешивать цвета таким образом, что у них получилось сформировать абсолютно новые цвета, до того момента не виданные никем.

2. Что же видят животные?

Наверняка все слышали о том, что собаки — дальтоники, и что летучие мыши на самом деле полностью слепы. Но это не совсем верно. Летучие мыши способны видеть, просто у них не самое хорошее зрение, а собаки, в свою очередь, не различают цвета так, как это делаем мы. У человека есть три цветовых рецептора, в то время как у собаки всего лишь два, таким образом, они лишены удовольствия видеть красный цвет. Но все относительно. Будет ли собака считаться дальтоником для кальмара, который различает лишь синий цвет? В то же время, змеи слабо различают обычный спектр цветов, в то время как отлично справляются с этой задачей в инфракрасном диапазоне. Пчелы, в свою очередь, различают синий, желтый и ультрафиолет. Вы ведь помните, насколько мал видимый для нас спектр света, в сравнении с общим спектром электромагнитного излучения? Вы не сможете представить себе какой-то новый цвет, также, как и не сможете объяснить слепому от рождения человеку, как выглядит красный цвет. У нас просто нет слов, которые смогли бы донести истинный смысл до человека, никогда в жизни не видевшего тот или иной цвет. Если вам нужны примеры, то некоторые бабочки обладают тремя рецепторами цвета, как и люди, а также еще двумя дополнительными, которые различают неизвестные человеку цвета.

1. Личное свечение

Вы, наверное, слышали, фразы, подобные этой: «О, у вас прекрасная фиолетовая аура!» или «Ты просто светишься!» Оказывается, есть в этих фразах доля истины. Ученые Киотского университета обнаружили, что люди в самом деле излучают видимый свет, но этот свет в 1000 раз менее мощный, чем видимый невооруженным глазом. Они также обнаружили, что наша аура достигает максимальной яркости ближе к 4 часам дня. Они приписывают это явление побочным продуктам нашего метаболизма — свободным радикалам.

Чем больше расстояние между источником света и наблюдателем, тем более тусклым становится свет. Это не потому, что тот теряет свою силу по пути или впитывается различными объектами, а потому что энергия света рассеивается по большей площади, прежде чем доходит до вас. Солнце одинаково ярко светит во всех направлениях, поскольку его свет распространяется во все стороны в равных количествах. Чем дальше расстояние, тем более рассеянным становится свет, этот процесс может длиться до тех пор, пока он не рассеется до состояния миллиардов отдельных фотонов, разлетающихся во всех направлениях. Свет также несет в себе информацию. Мы узнаем о расположении других звезд и галактик, их составе и направлении движения по свету, отраженному ими.

Типовые экзаменационные задания по темам: «Дифракция света», «Поляризация света» и «Внешний фотоэлектрический эффект» , страница 3

1. Почему белый свет разлагается в спектр после прохождения через призму?

2. Каким оптическим явлением объясняется возникновение радуги после дождя?

3. Что такое нормальная и аномальная дисперсии света?

4. Вода освещена красным светом. Какой цвет видит человек, открывающий глаза под водой?

5. Зависимость показателя преломления от длины волны для некоторого материала имеет вид, представленный на рисунке. С каким типом дисперсии света мы имеем дело? Какие лучи сильнее преломляются этим материалом: красные или фиолетовые?

6. В чем отличие дифракционного и призматического спектра?

7. Луч белого света нормально падает на стеклянную призму с нормальной дисперсией. На каком из рисунков правильно изображен ход лучей?

8. Луч белого света нормально падает на стеклянную призму с дисперсией, показанной на графике (рис.1.67). Сравнить показатели преломления синих и зеленых лучей.

ФОТОНЫ. Световое давление

1. Какие фотоны имеют большую энергию: красные, зеленые, фиолетовые?

2. Как можно вычислить массу фотона?

3. Почему хвосты комет всегда направлены в сторону, противоположную Солнцу?

4. Как можно объяснить световое давление с точки зрения корпускулярной теории?

5. Непрозрачная поверхность освещается монохроматическим светом. В каком случае давление света будет наименьшим при неизменной интенсивности падающего света?

а) ν = 5·10 15 Гц, поверхность идеально отражающая;

б) ν = 7·10 16 Гц, поверхность идеально поглощающая;

в) λ = 5·10 -6 м, поверхность отражает 30% падающего излучения;

г) λ = 730 нм, поверхность поглощает 45% падающего излучения.

6. Какие лучи оказывают большее давление при прочих равных условиях: синие или оранжевые?

Внешний фотоэлектрический эффект

1. Сколько электронов может выбить из металла один фотон?

2. Квантовым выходом фотоэлектрического эффекта называется число β, равное отношению числа электронов, долетевших до анода, к числу фотонов, падающих на катод в единицу времени. Чему равно максимальное значение величины β?

3. От чего зависит численное значение работы выхода?

4. По расположению элементов в таблице Менделеева сравнить работы выхода электронов Li и Cs (.Li и Na; Cs и Na)

5. Фотоэлемент поочередно освещают красным и синим светом одинаковой интенсивности. Сравнить максимальную скорость вырываемых с поверхности металла электронов.

6. Работа выхода электрона из металла составляет а) 0,5; б) 1; в)2 энергии падающего фотона. Возможен ли при этих условиях фотоэффект?

7. Будет ли наблюдаться фотоэффект, если энергия падающего фотона равна половине работы выхода?

8. Красная граница внешнего фотоэффекта для некоторого металла ε₀ = 3,2 эВ. Будет ли наблюдаться фотоэффект при освещении этого металла светом

а) с длиной волны 0,6 мкм;

б) с частой 5·10 14 Гц;

в) с энергией 1,5·10 -19 Дж?

9. Красная граница внешнего фотоэффекта для некоторого металла ν₀ = 3∙10 14 Гц. Будет ли наблюдаться фотоэффект при освещении этого металла светом

а ) с длиной волны 600 нм;

б) с частой 7·10 14 Гц;

в) с энергией 5·10 -19 Дж?

10. Красная граница внешнего фотоэффекта для некоторого металла λ₀ = 400 нм. Будет ли наблюдаться фотоэффект при освещении этого металла светом

а) энергия кванта которого ε₀ = 3,2 эВ;

б) с длиной волны 500 нм;

в) с частой 3·10 14 Гц?

11. Работа выхода электрона из некоторого металла равна 3 эВ. Можно ли наблюдать внешний фотоэффект при освещении его светом с длиной волны 500 нм?

12. Как изменится величина тока насыщения на вольт-амперной характеристике фотоэлемента, если не изменяя светового потока увеличить частоту падающего излучения?

13. Как изменится величина тока насыщения на вольт-амперной характеристике фотоэлемента, если не изменяя длины волны падающего излучения увеличить световой поток?

14. Фотоэлемент освещается монохроматическим светом длины волны λ. Как изменится вид вольтамперной характеристики, если увеличить (уменьшить) длину волны, не меняя светового потока? Изобразить это графически.

15. При изучении фотоэффекта получены графики зависимости задерживающего потенциала от частоты падающего излучения для двух металлов (рис. 1.68 ). Сравнить

а) интенсивности падающего излучения;

б) работы выхода электронов из металлов;

в) красные границы фотоэффекта.

16. На рис.1.69 приведены вольтамперные характеристики фотоэлемента при освещении его монохроматическим светом частот ν₁ и ν₂ (кривые 1 и 2). Почему они начинаются не из одной точки? В чем причина разных величин токов насыщения?

17. На рис.1.70 приведены вольтамперные характеристики фотоэлемента при освещении их монохроматическим светом (кривые 1 и 2). Сравнить:

а) частоты используемого света.ν₁ и ν₂;

б) интенсивности используемых источников света;

в) количество электронов, выбиваемых из катода в единицу времени для точек А и В; А и С ;

г) количество электронов, достигающих анода в единицу времени для точек А и В; А и С.

Тепловое излучение

1. Объяснить, почему открытая форточка всегда смотрится темным пятном, даже при идеально белой противоположной стене?

2. Опытный металлург по виду раскаленного металла может примерно определить его температуру. Каким законом теплового излучения он при этом интуитивно пользуется?

3. Две одинаковых по размеру конфорки на Вашей электроплите раскалены одна до красного, другая до голубого свечения. На какой из них можно быстрее вскипятить чай?

5. Имеются два нагретых шара из одного материала (рис.1.71). Максимум излучательной способности первого соответствует длине волны 0,4 мкм, второго – 0,6 мкм. Во сколько раз отличаются их энергетические светимости?

6. Две печки-буржуйки 1 и 2, изготовленные из одного металла, нагреты до одинаковой температуры (рис.1.72). Сравнить их энергетические светимости и мощности излучения.

7. Две электрические лампочки, имеющие вольфрамовые спирали одинаковой толщины, но разной длины (L₁ > L₂ ), потребляют одинаковую мощность. Сравнить их температуры.

8. На рис. приведена кривая излучательной способости абсолютно черного тела при температуре Т₁. Как, по вашему, будет расположена эта кривая при температуре Т₂ > Т₁? Дать необходимые пояснения.