Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Методы и средства оптического контроля. Методические указания

Голосов: 2

Данные методические указания посвящены оптическим узлам и приборам широко применяемых в настоящее время в различных областях науки и техники. Развитие оптики и спектральных приборов, а также исследования строения вещества и определения его химического состава с помощью оптических приборов является актуальным и перспективным направлением в отечественной и зарубежной науке и технике на сегодняшний день. Основной целью данного методического указания является дать основы физической оптики и теории оптических приборов. В нем содержатся краткие сведения по элементам, узлам и системам типовых оптических приборов, рассмотрены примеры их работы.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
               Министерство образования РФ
Восточно-Сибирский государственный технологический           Данное методическое указание посвящено оптическим
                   университет                          узлам и приборам широко применяемых в настоящее время
                                                        в различных областях науки и техники.
                                                             Развитие оптики и спектральных приборов, а также
                                                        исследования строения вещества и определения его
                                                        химического состава с помощью оптических приборов
                                                        является актуальным и перспективным направлением в
                                                        отечественной и зарубежной науке и технике на
                                                        сегодняшний день.
      Методические указания к курсу по выбору                Основной целью данного методического указания
«Методы и средства оптического контроля»                является дать основы физической оптики и теории
        для студентов специальности 190800              оптических приборов. В нем содержатся краткие сведения
    «Метрология и метрологическое обеспечение»          по элементам, узлам и системам типовых оптических
         дневной и заочной форм обучения                приборов, рассмотрены примеры их работы.




                            Разработал: Жаргалов Б.С.




                  Улан-Удэ 2003

                                                        2


     1. Основные законы оптических явлений                   оптических системах. Для построения оптических систем
     По традиции оптику принято подразделять на              существенна      технология    изготовления   оптических
геометрическую,      физическую    и    физиологическую.     материалов с требуемыми свойствами, а также технологию
Геометрическая оптика оставляет вопрос о природе света,      обработки оптических элементов. Из технологических
исходит из эмпирических законов его распространения и        соображений чаще всего применяют линзы и зеркала со
использует     представление     о     световых     лучах,   сферическими поверхностями, но для упрощения
преломляющихся и отражающихся на границах сред с             оптических систем и повышения качества изображений при
разными оптическими свойствами и прямолинейных в             высокой светосиле используют оптические элементы.
оптически однородной среде. Её задача - математически             Уже в первые периоды оптических исследований были
исследовать ход световых лучей в среде с известной           на опыте установлены следующие четыре основных закона
зависимостью показателя преломления п от координат либо,     оптических явлений:
напротив, найти оптические свойства и форму прозрачных            1. Закон прямолинейного распространения света.
и отражающих сред, при которых лучи происходят по                 2. Закон независимости световых пучков.
заданному пути. Наибольшее значение геометрической                3. Закон отражения от зеркальной поверхности.
оптики имеет для расчета и конструирования оптических             4.Закон преломления света на границе двух
приборов - от очковых линз до сложных объективов и           прозрачных сред.
огромных астрономических инструментов.                            Дальнейшее изучение этих законов показало, во-
     Физическая      оптика   рассматривает     проблемы,    первых, что они имеют гораздо более лишь
связанные с природой света и световых явлений.               приближёнными законами. Установление условий и границ
Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные       применимости основных оптических законов означало
волны, основано на результатах огромного числа               важный прогресс в исследовании природы света.
экспериментальных исследований дифракции света,                   Сущность этих законов сводится к следующему.
интерференции, поляризации света и распространения в              1.1. Закон прямолинейного распространения света.
анизотропных средах.                                              В однородной среде свет распространяется по прямым
     Одна из важнейших традиционных задач оптики -           линиям.
получение изображений, соответствующих оригиналам как             Закон этот встречается в сочинениях по оптике,
по геометрической форме, так и по распределению яркости      приписываемых Евклиду и, вероятно, был известен и
решается главным образом геометрической оптикой с            применялся гораздо раньше.
привлечением физической оптики. Геометрическая оптика             Опытным доказательством этого закона могут служить
дает ответ на вопрос, как следует строить оптическую         наблюдения над резкими тенями, даваемыми точечными
систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась    источниками света, или получение изображений при
бы также в виде точки при сохранении геометрического         помощи малых отверстий. Рис. 1 иллюстрирует получение
подобия изображения объекту. Она указывает на источники      изображения при помощи малого отверстия, причем форма
искажений изображения и их уровень в реальных
                                                        3    4


и размер изображения показывают, что проектирование        изображение совсем не получится и экран будет освещён
происходит при помощи прямолинейных лучей.                 практически равномерно.
                                                                1.. 2   Закон независимости световых пучков
                                                                Световой поток можно разбить на отдельные световые
                                                           пучки, выделяя их, например, при помощи диафрагм.
                                                           Действие этих выделенных световых пучков оказывается
                                                           независимым, т.е. эффект, производимый отдельным
                                                           пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно
                                                           другие пучки или они устранены.
                                                                1.3.    Закон отражения света.
                                                                Луч падающий, нормаль к отражающей поверхности и
                                                           луч отраженный лежат в одной плоскости (рис. 2), причем
                                                           углы между лучами и нормалью равны между собой: угол
                                                           падения i равен углу отражения i'. Этот закон также
    Рис. 1 Прямолинейное распространение света:            упоминается в сочинениях Евклида. Установление его
получение изображения с помощью малого отверстия.          связано с употреблением полированных металлических
                                                           поверхностей (зеркал), известных уже в очень отдаленную
     Закон прямолинейного распространения может            эпоху.
считаться прочно установленном на опыте. Он имеет весьма
глубокий смысл, ибо само понятие о прямой линии, по-
видимому     возникло    из   оптических    наблюдений.
Геометрическое понятие прямой как линии, представляю-
щей кратчайшее расстояние между двумя точками, есть
понятие о линии, по которой распространяется свет в
однородной среде.
     Более детальное исследование описываемых явлений
показывает, что закон прямолинейного распространения
света теряет силу, если мы переходим к очень малым
отверстиям.
     Так, в опыте, изображенном на рис. 1, мы получим      Рис. 2 Закон отражения.     Рис. 3 Закон преломления.
хорошее изображение при размере отверстия около 0,5 мм.
При последующем уменьшении отверстия - изображение              1.4 Закон преломления света.
будет несовершенным, а при отверстии около 0,5-0,1 мкм          Преломление      света-   изменение  направления
                                                           распространения оптического излучения (света) при его
                                                      5    6


прохождении через границу раздела однородных                 поверхности, разделяющей две среды, мал, мы наблюдаем
изотропных прозрачных (не поглощающих) сред с                заметные отступления от указанных выше законов. Однако
показателем преломления n1 и n2. Преломление света           для обширной области явлений, наблюдаемые в обычных
определяется следующими двумя закономерностями :             оптических приборах, все перечисленные законы
преломленный луч лежит в плоскости, проходящей через         соблюдаются достаточно строго. [ 3 ]
падающий луч и нормаль (перпендикуляр) к поверхности              Идеальные оптические системы.
раздела; углы падения ϕ и                                         Гаусс (1841 г.) дал общую теорию оптических систем,
     преломления χ (рис.3) связаны законом преломления       получившую дальнейшее развитие в трудах многих
Снелля :                                                     математиков и физиков.
                           sin ϕ                                  Теория Гаусса есть теория идеальной оптической,
                                       = n                   системы,    т.е.   системы,    в    которой    сохраняется
     n1 sinϕ = n2 sinχ или sin χ                             гомоцентричность пучков и изображение геометрически
                                                             подобно предмету. Согласно этому определению всякой
      где n - постоянная , не зависящая от углов ϕ и χ.      точке пространства объектов соответствует в идеальной
Величина n - показатель преломления, определяется            системе точка пространства изображений; эти точки носят
свойствами обеих сред, через границу раздела которых         название сопряженных. Точно так же каждой прямой или
проходит свет, и зависит также от цвета лучей.               плоскости пространства объектов должна соответствовать
Преломление света сопровождается также отражением            сопряженная прямая или плоскость пространства
света.                                                       изображений. Таким образом, теория идеальной оптической
      На рис. 3 ход лучей света при преломлении на плоской   системы      есть     чисто     геометрическая     теория,
поверхности , разделяющей две прозрачные среды.              устанавливающая соотношение между точками, линиями,
Пунктиром обозначен отраженный луч. Угол преломления         плоскостями.
χ больше угла падения ϕ; это указывает, что в данном              Идеальная     оптическая    система    может    быть
случае происходит преломление из оптически более             осуществлена с достаточным приближением в виде
плотной первой среды в оптически менее плотную вторую        центрированной оптической системы, если ограничиться
(n1 > n2), n - нормаль к поверхности раздела.                областью вблизи оси симметрии, т.е. параксиальными
      Явление преломления света было известно уже            пучками. В теории Гаусса требование «тонкости» системы
Аристотелю. Попытка установить количественный закон          отпадает,    но    лучи    по-прежнему     предполагаются
принадлежит знаменитому астроному Птолемею (120 г.           параксиальными. Разыскание оптической системы, которая
н.э.), который предпринял измерение углов падения и          приближалась бы к идеальной даже при пучках
преломления.                                                 значительного раскрытия, есть такая задача прикладной
      Закон отражения и закон преломления также              геометрической оптики.
справедливы лишь при соблюдении известных условий. В              Линия,      соединяющая       центры     сферических
том случае, когда размер отражающего зеркала или             поверхностей, представляет собой ось симметрии
                                                         7   8


центрированной системы и называется главной оптической       как A1B1P1Q1, то точка, сопряженная с F2, лежит в бес-
осью системы. Теория Гаусса устанавливает ряд так            конечности. Таким образом, F2 есть фокус (второй , или
называемых точек и плоскостей , задание которых              задний) системы. Плоскость, проходящая через фокус
полностью описывает все свойства оптической системы и        перпендикулярно к оси , носит название фокальной.
позволяет пользоваться ею, не рассматривая реального хода         Любая точка линии H1R1 сопряжена с точкой линии
лучей в системе.                                             H2R2 , лежащей на такой же высоте от О1О2, как и
                                                             выбранная. То же относится и к плоскостям, проведенным
                                                             через H1R1 и H2R2 перпендикулярно к главной оси, т.к.
                                                             вся система симметрична относительно оси. Плоскость
                                                             H1R1, изображается на H2R2 прямо и в натуральную
                                                             величину. Такие плоскости называются главными
                                                             плоскостями.
                                                                  Таким образом, идеальная оптическая система
                                                             обладает главными плоскостями. Точки H1 и Н2
                                                             пересечения главных плоскостей с осью носят название
                                                             главных точек системы. Расстояния от главных точек до
                                                             фокусов называются фокусным расстоянием системы f1 =
                                                             H1R1 и f2=H2R2 [3]
                                                                  2. Основные свойства света
                                                                  Рассматривая двойственную природу света, следует
                                                             понимать, что эта двойственность означает одновременное
                                                             наличие у света молекулярных и волновых свойств. Так
      7 Пусть ММ и NN - крайние сферические поверхности      какие же свойства присущи свету и как их отличать друг от
, ограничивающие систему, и ОО1- ее главная ось (рис. 4 ).   друга? Предлагается следующая таблица:
Проведем луч A1B1 , параллельный О1О2; точка В1 есть
место входа этого луча в систему. Согласно свойству               Свойства света
идеальной системы лучу А1В1 соответствует в про-                  Волновые                  Квантовые
странстве изображений сопряженный луч G2F2, выходящий             -отражение                -фотоэффект
из системы в точке G2 . Как идет луч внутри системы нас не
                                                                  -преломление              -давление света
интересует. Второй луч P1Q1 выберем вдоль главной оси.
                                                                  -интерференция            -эффект Комптона
Сопряженный ему луч Q2P2 будет также идти вдоль
                                                                  -поляризация              -отражение
главной оси. Точка F2 как пересечение двух лучей G2F2 и
Q2P2 есть изображение точки , в которой пересекаются              -дисперсия
лучи А1В1 и P1Q1 , сопряженные с G2F2 и Q2P2 . Но так             -давление света

                                                        9    10


     Сначала напомню ключевые понятия.                           Так, свет, идущий от небольшого яркого источника
     Интерференция        –      физическое   явление     через     круглое    отверстие,   должен      по   законам
перераспределения волновой энергии в пространстве при     геометрической оптики дать на экране резко ограниченный
наложении     монохроматичных     (одинаковой частоты     светлый кружок на темном фоне. Такая картина и
колебаний) волн.                                          наблюдается при обычных условиях опыта. Но если
     Поляризация – физический процесс создания            расстояние от отверстия до экрана в несколько тысяч раз
определенного      направления     колебаний  вектора     превосходит размеры отверстия, то удается наблюдать
напряженности в электромагнитной волне.                   важные детали явления: образуется более сложная картина,
     Дисперсия – зависимость показателя преломления       которая состоит из совокупности светлых и темных
вещества от длинны волны падающего излучения.             концентрических колец, постепенно переходящих друг в
     Дифракция (результат интерференции) – физическое     друга. При другом соотношении между диаметром
явление нарушения прямолинейного распространения волн     отверстия и расстоянием до экрана в центре картины может
в неоднородных средах.                                    быть темное пятно. Этот случай совершенно необъясним с
     Фотоэффект- явление вырывания электронов с           позиции геометрической оптики, однако он получает
поверхности тел под действием света.                      простое объяснение с точки зрения волновой теории и
     Эффект Комптона- явление изменения длины волны       является естественным следствием этой теории.
излучения при его рассеивании.                                   Появление чередующихся колец или полос в области
                                                          геометрической тени французский физик Френель объяснил
      Легко заметить, что некоторые явления включены в    тем, что световые волны, приходящие из разных точек
обе колонки. Это означает, что их природу можно           отверстия в одну точку на экране, интерферируют между
объяснить как с квантовых, так и с волновых позиций.      собой.
Однако существуют как число волновые свойства света              Метод зон Френеля для объяснения дифракции на
(поляризация,    дисперсия,     дифракция),    так   и    отверстии.
квантовые(фотоэффект и эффект Комптона). Рассмотрим их         Разобьем волновой фронт, находящийся в пределах
чуточку подробнее.                                        отверстия, из точки наблюдения на отдельные участки
                                                          (зоны).
     2.1. Дифракция                                            Если из данной точки отверстие разбивается на четное
     Простейший       случай     нарушения      законов   число зон, то в этой точке наблюдается дифракционный
геометрической оптики наблюдается в случае прохождения    минимум, а если в отверстие укладывается нечетное
света через очень малое отверстие, при этом наблюдается        число зон, то максимум.
несоблюдение правил прямолинейного распространения:            В нашей жизни мы не встречаем дифракции на
свет на краях отверстия заметно отклоняется в стороны,    отверстии и это не удивительно, т. к. для этого необходимо
огибая края.                                              чтобы размер отверстия был соизмерим с длинной волны.
                                                               2.2. Дифракционная решетка
                                                    11    12


       Дифракция света используется в спектральных            всех остальных в области видимого света. Наименьшее
приборах. Одним из основных элементов во многих               значение угол дифракции ɸ имеет для фиолетового света.
спектральных приборах является дифракционная решетка.              2.3. Дисперсия
Обычно применяются отражательные решетки, но я                     Вопрос о причине различной окраски тел естественно
рассмотрю принцип действия решетки, представляющей            занимал ум человека уже давно. Очень большое количество
собой непрозрачную пластину с нанесенной на неё               наблюдений, и чисто житейских, и научных, было в
системой      параллельных         непрозрачных      полос,   распоряжении исследователей, но вплоть до работ Ньютона
расположенных на одинаковом расстоянии d друг от друга.       (начавшихся около 1666 г.) в этом вопросе царила полная
     Пусть на решетку падает монохроматическая волна с        неопределенность.
плоским волновым фронтом ( Поверхность, на которой все             Ньютон поставил целый ряд опытов, показывающих,
точки колеблются в одинаковой фазе, называется волновой       что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра,
поверхностью или волновым фронтом.). В результате             показатель преломления имеет вполне определенное
дифракции из каждой щели свет распространяется не             значение, тогда как преломление белого света можно только
только в первоначальном направлении, но и по всем другим      приблизительно      охарактеризовать    одним    каким-то
направлениям.                                                 значением этого показателя. Сопоставляя подобные
     Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на       наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют
экране в фокальной плоскости параллельные лучи от всех        простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через
щелей соберутся в одну полоску. Параллельные лучи,            призму, и сложные, представляющие совокупность
идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода: ⌂l       простых, имеющих разные показатели преломления. В
=d *sin ɸ, где d – расстояние между соответствующими          частности, солнечный свет есть такая совокупность цветов,
краями соседних щелей, называемое периодом решетки; ɸ -       которая при помощи призмы разлагается, давая
угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к            спектральное изображение щели.
плоскости решетки. При равенстве разности хода ⌂l целому           Таким образом, в основных опытах Ньютона
числу длин волн d *sin ɸ = κ *λ (λ - длина волны падающего    заключались два важных открытия:
света) наблюдается интерференционный максимум света.               Свет различного цвета характеризуется разными
Линза не вносит разности хода. Как следует из последнего      показателями преломления в данном веществе (дисперсия
уравнения, условие интерференционного максимума для           {Дисперсия – лат. dispersus – рассеянный, разбросанный.
каждой световой волны выполняется при своем значении          Наблюдавшееся Ньютоном явление следует точнее
угла дифракции ɸ. В результате при похождении через           называть дисперсией показателя преломления, ибо и другие
дифракционную решетку пучок белого света разлагается в        оптические величины обнаруживают зависимость от длины
спектр.                                                       волны (дисперсию)}).
     Угол дифракции имеет наибольшее значение для                  Белый цвет есть совокупность простых цветов.
красного света, так как длина волны красного света больше

                                                        13    14


     Открытие явления разложения белого света на цвета      луч и ось турмалина. Поэтому способность такого света
при преломлении позволило объяснить образование радуги      проходить через вторую пластинку турмалина зависит от
и   других     подобных     метеорологических    явлений.   ориентации оптической оси этой пластинки относительно
Преломление света в водяных капельках или ледяных           оптической оси первой пластинки. Такой анизотропии не
кристалликах, плавающих в атмосфере, сопровождается         было в пучке, идущем непосредственно от фонаря (или
благодаря дисперсии в воде или льде разложением             солнца), ибо по отношению к этому пучку ориентация
солнечного света. Рассчитывая направление преломления       турмалина была безразлична.
лучей в случае сферических водяных капель, мы получаем             Можно объяснить все наблюдавшиеся явления, если
картину      распределения     цветных      дуг,    точно   сделать следующие выводы.
соответствующую наблюдаемым а радуге. Аналогично,                1) Световые колебания в пучке направлены
рассмотрение преломления света в кристалликах льда          перпендикулярно к линии распространения света (световые
позволяет объяснить явления кругов вокруг Солнца и Луны     волны поперечны).
в морозное время года, образование так называемых                2) Турмалин способен пропускать световые колебания
ложных солнц, столбов и т. д.                               только в том случае, когда они направлены определенным
      2.4. Поляризация                                      образом относительно оси (например, параллельно оси).
     Явления интерференции и дифракции, послужившие              3) В свете фонаря (солнца) представлены поперечные
для обоснования волновой природы света, не дают еще         колебания любого направления и притом в одинаковой
полного представления о характере световых волн. Новые      доле, так что одно направление не является
черты открываются через кристаллы, в частности через        преимущественным.
турмалин. Возьмем две одинаковые пластинки турмалина,            Я буду в дальнейшем называть свет, в котором в
вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника           одинаковой      доле   представлены    все   направления
совпадает с определенным направлением внутри кристалла,     поперечных колебаний, естественным светом.
носящим название оптической оси. Серия опытов                    Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в
показывает,    что    интенсивность    светового   пучка,   одинаковой степени проходит через турмалин при любой
проходящего через пластинки турмалина, зависит от           его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2,
взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой         способен     пропускать   световые    колебания   только
ориентации кристаллов свет проходит через второй            определенного направления. Действительно, как бы ни был
кристалл без ослабления. Если же второй кристалл            ориентирован турмалин, в естественном свете всегда
повернут на 90° от первоначального положения, то свет       кажется одна и та же доля колебаний, направление которых
через него не проходит. Итак, свет, прошедший сквозь        совпадает с направлением, пропускаемых турмалином.
турмалин, приобретает особые свойства. Свойства световых    Прохождение естественного света через турмалин приводит
волн в плоскости, перпендикулярной направлению              к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те,
распространения света, становится анизотропным, т. е.       которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет,
неодинаковыми относительно плоскости, проходящей через      прошедший через турмалин, будет представлять собой
                                                      15    16


совокупность поперечных колебаний одного направления,      энергию вещества, что приводит к нагреванию тела.
определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет        Нередко, однако, известная часть этой энергии
называется линейно поляризованным, а плоскость,            поглощенной энергии вызывает и другие явления. Очень
содержащую направление колебаний и ось светового пучка,    важными действиями света, получившими больше
- плоскость поляризации.                                   практические применения, являются фотоэлектрический
                                                           эффект,     фотолюминесценция      и     фотохимические
     Теперь становится понятным опыт с прохождением        превращения.
света через две последовательно поставленные пластинки          Фотоэффект – явление вырывание электронов с
турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через    поверхности тел под действием света. Первоначально
нее пучок света, оставляя в нем колебания только одного    явление фотоэффекта пытались объяснить с волновых
направления. Эти колебания могут пройти через второй       представлений о природе света:
турмалин полностью только в том случае, когда                   Электромагнитная волна попадает на металл.
направление их совпадает с направлением колебаний,              Электромагнитное поле “раскачивает” электрон.
пропускаемых вторым турмалином, т. е. когда его ось             Когда скорость электрона становится большой,
параллельна оси первого. Если же направление колебаний в   электрон вылетает.
поляризованном свете перпендикулярно к направлению              Кинетическая       энергия     электрона      прямо
колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет         пропорциональна интенсивности светового потока.
будет полностью задержан. Это имеет место, когда                При     подобном     объяснении    явления     сразу
пластинки турмалина, как говорят, скрещены, т. е. их оси   обнаружились некоторые противоречия, полученные в
составляют угол 90°. Наконец, если направление колебаний   результате экспериментов:
в поляризованном свете составляет острый угол с                 Максимальная скорость вылетевшего электрона
направлением, пропускаемым турмалином, то колебания        определяется частотой падающего света на зависит от его
будут попущены лишь частично.                              интенсивности.
     Существуют кристаллы, еще сильнее задерживающие            Величина тока насыщения (число электронов
один из поляризованных лучей, чем это происходит в         вылетевших      за   единицу    времени)    определяется
турмалине (например, кристалл йодистого хинина), так что   интенсивности света.
кристаллическая пленка толщиной в десятую долю                  Существует минимальная частота падающего света
миллиметра и даже тоньше практически полностью             при которой еще наблюдается фотоэффект (так называемая
отделяет один из поляризованных лучей.                     “красная граница фотоэффекта”).
     2.5. Фотоэффект                                            Величина тока        зависит от типа материала.
     Световая волна, падающая на тело, частично            Фотоэффект без инерционен.
отражается от него, частично походит насквозь, частично         Объяснить подобные явления учёные смогли лишь
поглощается. В большинстве случаев энергия поглощенной     после предположения Планка, которое заключалось в том,
световой волны целиком переходит во внутреннюю
                                                     17    18


что свет не только излучается порциями, но и                 в виде совершенно определенных равных порций – “атомов
распространяется порциями.                                   световой энергии”. Для этих порций энергии установлено
     Он же выявил зависимость между энергией одной           специальное название; они именуются световыми квантами
излученной порции и частотой излучения: E = ‫* ע‬h ( где ‫- ע‬   или фотонами. Представление о световых квантах было
частота излучения, h – постоянная Планка ).                  введено Эйнштейном в 1905 г.
     В дальнейшем при изучении однофотонного                      То обстоятельство, что в большинстве оптических
поглощения (физическая модель в которой все кванты света     опытов не обнаруживается квантового характера световой
поглощаются материалом) был опытным путем получен            энергии, не удивительно. Действительно, h – очень малая
закон фотоэффекта:                                           величина, равная 6,6*10-34 Дж *с. Вычислим энергию
      ‫* ע‬h = (mv2)/2 + Aвыхода                               кванта зеленого цвета для
     Aвыхода – минимальная энергия, которую необходимо            λ =500 нм. Соответствующее ‫ = ע‬с/ λ =3*108/5*10-7 =
сообщить электрону, для вырывания его с поверхности               = 6*1014 Гц и следовательно, ‫ *ע‬h =4*10-19Дж; это –
металла без сообщения кинетической энергии.                  очень маленькая величина. Энергия, с которой мы имеем
     Данная формула смогла объяснить прошлые                 дело в большинстве опытов, состоит из очень большого
противоречия объяснения явления фотоэффекта:                 числа квантов; естественно, что при этом остается
     Так как Aвыхода – величина постоянная для данного       незамеченным, что энергия эта всегда равна целому числу
металла, то максимальная скорость электрона зависит от       квантов. Аналогично, большинство опытов с обычными
частоты излучения.                                           порциями вещества всегда охватывает очень большое
     Если частота излучения меньше частоты излучения         количество атомов вещества; поэтому мы не можем
красной границы (‫* ע‬h красной границы = Aвыхода), то         заметить в этих опытах, что данное вещество состоит из
явления фотоэффекта не наблюдается.                          целого числа минимальных порций – атомов. Требуются
     При увеличении интенсивности света возрастает число     специальные опыты, в которых атомистическое строение
фотонов и возрастает количество вылетевших электронов,       вещества выступает вполне отчетливо. Совершенно так же в
что ведет к увеличению силы тока.                            большинстве обычных оптических опытов от нашего
     Закон фотоэффекта вносит совершенно новые черты в       внимания ускользает то обстоятельство, что световая
представлении о свете. Он означает, что свет частоты ‫ע‬       энергия состоит из отдельных световых квантов. В
сообщает электрону энергию, равную ‫* ע‬h , какова бы ни       специальных же опытах, к которым и относятся
была интенсивность света. При сильном свете большее          вышеперечисленные опыты по фотоэффекту, с полной
количество электронов получает указанные порции энергии,     ясностью выступает квантовая природа световой энергии.
при слабом – меньшее, но сами порции остаются неизменно           Представление о световых квантах позволяет легко
равными ‫* ע‬h.                                                понять смысл первого основного закона фотоэффекта –
     Таким образом, световой энергии приписывается           пропорциональность      между   световым     потоком     и
атомистический характер; энергия света данной частоты ‫ע‬      фототоком; световой поток, т. е. энергия, приносимая
не может делиться на произвольные части, а проявляет себя    светом за единицу времени, определяется числом световых
                                                       19    20



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика