Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
31. Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы.
Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.
Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.
Полупроводниковые приборы, ППП — широкий класс электронных приборов, изготавливаемых из полупроводников.
К полупроводниковым приборам относятся:
Интегральные схемы (микросхемы)
Полупроводниковые диоды (в том числе варикапы, стабилитроны, диоды Шоттки),
Тиристоры, фототиристоры,
Транзисторы,
Приборы с зарядовой связью,
Полупроводниковые СВЧ-приборы (диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды),
Оптоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, солнечные элементы, детекторы ядерных излучений, светодиоды, полупроводниковые лазеры, электролюминесцентные излучатели),
Терморезисторы, датчики Холла.
32. Магнитное поле. Постоянные магниты, магнитное поле тока. Сила Ампера.
Магнитное Поле
Если два параллельно расположенных проводника подсоединить к источнику тока так, чтобы по ним прошел электрический ток, то в зависимости от направления тока в них проводники либо отталкиваются, либо притягиваются.
Объяснение этого явления возможно с позиции возникновения вокруг проводников особого вида материи - магнитного поля.
Силы, с которыми взаимодействуют проводники с током, называются магнитными.
Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.
Постоянный магнит — изделие различной формы из магнитотвёрдого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющее состояние намагниченности в течение длительного времени. Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.
Направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного электрическим током, который течет по прямолинейному проводнику, определяется правилом буравчика или правого винта. За направление линий магнитной индукции принимается направление вращения головки винта, которое обеспечивало бы поступательное его движение по направлению электрического тока
где n01= 4Пи• 10-7В • с/(А • м). - магнитная постоянная, R - расстояние, I - сила тока в проводнике.
В отличие от линий напряженности электростатического поля, которые начинаются на положительном заряде и оканчиваются на отрицательном, линии индукции магнитного поля всегда замкнуты. Магнитного заряда аналогично электрическому заряду не обнаружено.
За единицу индукции принимается одна тесла (1 Тл) - индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м2, по которой течет ток в 1 А, действует максимальный вращающий механический момент сил, равный 1 Н • м.
Индукцию магнитного поля можно определить и по силе, действующей на проводник с током в магнитном поле.
На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера, величина которой определяется следующим выражением:
где I - сила тока в проводнике, l -длина проводника, В - модуль вектора магнитной индукции, а - угол между вектором и направлением тока.
Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца располагаем по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец показывает направление силы Ампера.
33. Индукция магнитного поля. Магнитный поток. Вихревое электрическое поле.
МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
- это силовая характеристика магнитного поля.
Вектор магнитной индукции направлен всегда так, как сориентирована свободно вращающаяся магнитная стрелка в магнитном поле.
Единица измерения магнитной индукции в системе СИ:
Также магнитная индукция может быть определена[2] как отношение максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на её площадь.
Является основной фундаментальной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля.
В системе СГС магнитная индукция поля измеряется в гауссах (Гс), в системе СИ — в теслах (Тл)
1 Тл = 104 Гс
МАГНИТНЫЙ ПОТОК поток вектора
магнитной индукции В через какую-либо поверхность. Магнитный поток через малую
площадку dS, в пределах которой вектор В неизменен, равен dФ = ВndS, где Bn -
проекция вектора на нормаль к площадке dS. Магнитный поток Ф через конечную
поверхность равен интегралу от dФ по этой поверхности. Для замкнутой
поверхности магнитный поток равен нулю, что отражает отсутствие в природе
магнитных зарядов - источников магнитного поля.
Если говорить суровым математическим языком, вихревое поле – это поле, дивергенция которого равна нулю. То есть, говоря по-простому, это поле не имеет источников, а значит его силовые линии замкнуты. Такое поле может быть задано векторным потенциалом.
Примером вихревого поля является магнитное поле. Источником магнитного поля является электрический ток. Силовые линии магнитного поля прямолинейнорго тока представляют собой окружности, центром которых является проводник с током.
В определённом смысле противоположностью вихревым полям являются поля потенциальные. Это поля, ротор которых равен нулю, т.е. силовые линии незамкнуты, а начинаются/кончаются либо на источниках поля, либо уходят в бесконечность.Такое поле можно задать скалярным потенциалом.
Примером потенциального поля являются электростатическое и гравитационное поле.
Существует всеобщее заблуждение, что магнитное поле всегда вихревое, а электрическое – потенциальное. Это не так. Например, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты вокруг силовых линий порождающего магнитного поля. Магнитное поле чисто потенциальным быть не может, так как не существует магнитных зарядов, порождающих это поле, но при определённых условиях в ограниченной области пространства магнитное поле можно считать близким к потенциальному. Такое поле называют магнитостатическим и широко используют в технических расчётах, например в расчёте магнитопроводов электродвигателей.
34. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея.
Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур. Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину Φ = B · S · cos α,
где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором и нормалью к плоскости контура
В соответствии с законом Фарадея (установленным независимо Д. Генри и М. Фарадеем в 1831г.) ЭДС индукции Е, в контуре прямо пропорциональна скорости изменения во времени t магнитного потока Ф, проходящего через поверхность S, ограниченную контуром, т.е.
Е= - dФ/dt.
Знак минус определяет направление индуцированного тока в замкнутом контуре, т.е. индуцированный ток в контуре направлен так, что создаваемый им магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, препятствует изменению потока Ф, вызвавшему появление этого тока.
35. Правило ленца. Самоиндукция. Индуктивность.
Правило Ленца. Опыт показывает, что направление индукционного тока в контуре зависит от того, возрастает или убывает магнитный поток, пронизывающий контур, а также от направления вектора индукции магнитного поля относительно контура. Общее правило, позволяющее определить направление индукционного тока в контуре, было установлено в 1833 г. Э. X. Ленцем.
Правило Ленца можно наглядно показать с помощью легкого алюминиевого кольца (рис. 195).
Опыт показывает, что при внесении постоянного магнита кольцо отталкивается от него, а при удалении притягивается к магниту. Результат опытов не зависит от полярности магнита.
Отталкивание и притяжение сплошного кольца объясняется возникновением индукционного тока в кольце при изменениях магнитного потока через кольцо и действием на индукционный ток магнитного поля. Очевидно, что при вдвигании магнита в кольцо индукционный ток в нем имеет такое направление, что созданное этим током магнитное поле противодействует внешнему магнитному полю, а при выдвигании магнита индукционный ток в нем имеет такое направление, что вектор индукции его магнитного поля совпадает по направлению с вектором индукции внешнего поля.
Общая формулировка правила Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение магнитного потока, которым вызывается данный ток.
Самоиндукция. При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке. Явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией.
В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.
Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока (рис. 197).
Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки. Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке. При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.
Индуктивность это свойство проводника с током накапливать энергию в магнитном поле.
просто прямой проводник имеет небольшую индуктивность, если проводник свернуть в спираль так, чтобы соседние проводники имели одинаковую направленность тока, тогда магнитнгое поле соседних проводников действует на соседние проводники и индуктивность усиливается (при том же токе напряженность магнитного поля увеличивается значит больше энергии можно затолкать. Это как с пружиной - чем жесче бем больше энерни запасает при той же дефрмации)...
так вот. Но воздух плохо проводит магнитное поле. В воздухе оно сильно слабеет... в воздух сильное поле труддно затолкать... поэтому если полю вокруг проводников дать возможность идти не по воздуху а по железу, у которого мопотивляемость магнитному полю гораздо менбше... тогда в такой катушке можно накопить еще больше тока...
так вот эта катушка и есть индуктивность. Её свойства такие - если приложить к катушке индуктивности напряжение - в катушке начнет линейно нарастать ток. Если напряжение снять - начнет спадать ток. При этом, ток в катушке остановить мгновенно нельзя, так же как разогнанный автомобиль. Если попытаться быстро прервать ток - будет удар. удар напряжения, которое пытается продолжать ток.. вплоть до возникновения искрового разряда... это называется самоиндукция... так работают катушки зажигания в машине...
36. Переменный ток. Трансформатор.
Переме́нный ток, AC (англ. alternating current — переменный ток) — электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению.
Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае мгновенные значения тока и напряжения изменяются по гармоническому закону.
В устройствах-потребителях постоянного тока переменный ток часто преобразуется выпрямителями для получения постоянного тока.
Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно-связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока. Трансформаторы широко используются в промышленности и быту для различных целей.
37. Колебательный контур. Свободные и вынужденные колебания.
Колебательный контур — осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности и конденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока (и напряжения).
Колебательный контур — простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания
Резонансная частота контура определяется так называемой формулой Томсона:
Механические колебания и электромагнитные колебания могут быть:
- свободными (затухающими)
- вынужденными (незатухающими)
Свободные электромагнитные колебания возникают в колебательном контуре после однократного подведения энергии.
Объяснение явления: На обкладках конденсатора сосредоточен электрический заряд, после того как колебательному контуру предоставляется самостоятельность, конденсатор разряжается через катушку индуктивнос-ти, в которой возникает электрический ток. В конденсаторе сосредоточено электрическое поле с энергией W, которая по мере разрядки конденсатора, а в катушке возрастанию тока способствует магнитной энергии W.
Если контур реальный, то потери энергии электромагнитного поля неизбежны, т.к. частично энергия электромагнитного поля переходит во внутреннюю энергию проводников, диэлектрика, а также выделяется в виде джоулевого тепла на активной нагрузке (омическом сопротивлении R). В результате, в реальном контуре возникают свободные электромагнитные колебания, которые являются затухающими.
Вывод: (делают ученики) Свободные колебания, возникающие при разрядке конденсатора через катушку — затухающие электромагнитные колебания.
Вынужденные электромагнитные колебания - переменный электрический ток, являются незатухающими.
Для того чтобы колебания были незатухающими, на колеблющееся тело должна действовать внешняя периодически изменяющаяся сила.
Вынужденными электромагнитными колебаниями называют периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной Э.Д.С. от внешнего источника.
38. Конденсатор и катушка в цепи переменного тока. Электрический резонанс.
Конденсатор, включенный в цепь переменного тока, обладает емкостным сопротивлением Xc:
Xc = 1/(wC),
где С - емкость конденсатора,
w - частота переменного тока.
Величину емкостного сопротивления можно рассчитать по формуле Xc = U/I, предварительно измерив напряжение на конденсаторе U и силу тока в цепи I.
При этом колебания силы тока в цепи опережают по фазе колебания напряжения на конденсаторе на /2. Если сила тока меняется по закону I = Imsin(wt), то напряжение - U = Umsin(wt - /2). Векторная диаграмма тока и напряжения на конденсаторе приведена на рис. 2.
В цепи, содержащей конденсатор, происходит периодический обмен энергией между генератором и конденсатором без необратимого преобразования электромагнитной энергии, т.е. среднее значение мощности переменного тока в данном случае равно нулю Pср. = 0.
Катушка индуктивности, включенная в цепь переменного тока обладает сопротивлением:
XL = wL,
где L - индуктивность катушки.
Величину индуктивного сопротивления можно рассчитать по формуле XL = U/I, предварительно измерив напряжение на катушке U и силу тока в цепи I.
Отметим, что значение XL больше, чем сопротивление катушки в цепи постоянного тока. Это связано с тем, что при протекании переменного тока через катушку индуктивности благодаря явлению самоиндукции в последней возникает индукционное электрическое поле, противодействующее полю, создаваемому генератором переменного напряжения. Это индукционное поле и является причиной индукционного сопротивления XL.
Резона́нс (фр. resonance, от лат. resono — откликаюсь) — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствиерезонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы. Степень отзывчивости в теории колебаний описывается величиной, называемой добротность. Явление резонанса впервые было описаноГалилео Галилеем в 1602 г в работах, посвященных исследованию маятников и музыкальных струн.
39. Электрическое поле и электромагнитные волны. Скорость электромагнитных волн.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
- это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля.
Теория электромагнитного поля создана Джеймсом Максвеллом в 1865 г.
Он теоретически доказал, что:
любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.
Если электрические заряды движутся с ускорением, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется и само создает в пространстве переменное магнитное поле и т.д.
Источниками электромагнитного поля могут быть:
- движущийся магнит;
- электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся ( в отличие от заряда движущегося с постоянной скоростью, например, в случае постоянного тока в проводнике, здесь создается постоянное магнитное поле).
Электрическое поле существует всегда вокруг электрического заряда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой электрические заряды движутся,
электромагнитное – в системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся с ускорением.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
- это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью,
зависящей от свойств среды.
Свойства электромагнитных волн:
-распространяются не только в веществе, но и в вакууме;
- распространяются в вакууме со скоростью света ( С = 300 000 км/c);
- это поперечные волны;
- это бегущие волны (переносят энергию).
Источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся электрические заряды.
Колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. В вакууме скорость распространения электромагнитной волны с≈300 000 км/с (см. Скорость света). В однородных изотропных средах направления напряжённостей электрического (Е) и магнитного (Н) полей электромагнитной волны перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, то есть электромагнитная волна является поперечной.
40. Закон отражения и преломления света. Полное внутренние отражение.
Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.
Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:.
Явление полного отражения заключается в том, что волна ()например свет полностью отражаясь от границы с более менее плотным материалом отражается на 100%. В менее плотный материал не выходит ничего.
Получается так из закона преломления. Если "пригибать" луч света в плотной среде к границе, то в прошедший луч в менее плотную среду будет пригибаться быстрее. В конце концов прошедший луч пройдет параллельно границе раздела (тогда как парающий ещё нет), ну а далее - полное отражение.
41. Интерференция, дифракция и дисперсия света.
Свет – это электромагнитные волны в интервале частот Гц, воспринимаемых человеческим глазом, т.е. длин волн в интервале 380 ÷ 780 нм. Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия.
Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта.
Свет имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в любой другой среде скорость света убывает.
Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции.
2. Интерференция света. Применение интерференции.
Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина).
Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны.
Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее.
На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны.
Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути.
|
При разности хода, равной четному числу длин полуволн |
|
|
наблюдается интерференционный максимум. |
|
|
При разности хода, равной нечетному числу длин полуволн |
|
|
наблюдается интерференционный минимум. |
|
Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн.
Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей, для просветления оптики.
3. Дифракция света.
При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и темных полос.
Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называют дифракцией света.
Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой.
Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом которых является дифракционная решетка.
Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.
Пусть на решетку падает монохроматический (определенной длины волны) свет. В результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и по всем другим направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.
Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода Δ= d·sinφ,
где d – постоянная решетки – расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки, φ – угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки.
При разности хода, равной целому числу длин волн d·sinφ = k·λ, наблюдается интерференционный максимум для данной длины волны.
Условие интерференционного максимума выполняется для каждой длины волны при своем значении дифракционного угла φ.
В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр.
Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового света.
Дисперсия света.
Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета (спектр), при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиолетового цвета.
Запомнить 7 основных цветов спектра можно по мнемоническому правилу:
"Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан"
Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломления света зависит от длины его волны.
42. Корпускулярные и волновые свойства света.
Первые представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид, Птолемей и многие другие ученые и философы. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит.
В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа. Одна из этих теорий связана с именем И.Ньютона, а другая – с именем Х.Гюйгенса.
И. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).
Согласно же представлениям Х.Гюйгенса, свет – это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.
Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет И.Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.
На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.
Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например, на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.
Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.
Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. К волновым свойствам света можно отнести также дисперсию света, поляризацию. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.
Такая уверенность особенно окрепла, когда Д.Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Д.Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света. После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Г.Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. Однако в начале XX века представления о природе света начали корен-ным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц. Волновыми свойствами света нельзя было объяснить закономерности фотоэффекта.
Возникла необычная ситуация. Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь, закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная, протяженная волна, а как поток «сгустков» (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц – фотонов.
Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с, то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).
Одновременное наличие у объектов волновых и корпускулярных свойств получило название корпускулярно-волнового дуализма.
43. Фотон. Гипотеза Планка о квантах.
Фото́н — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. В физике фотоны обозначаются буквой γ. С точки зренияСтандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчикамиэлектромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.
Гипо́теза Пла́нка — гипотеза, выдвинутая 14 декабря 1900 года Максом Планком и заключающаяся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию , пропорциональной частоте ν излучения:
где h или — коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка. На основе этой гипотезы он предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением — формулу Планка.
Позднее гипотеза Планка была подтверждена экспериментально.
Выдвижение этой гипотезы считается моментом рождения квантовой механики.
44. Явление фотоэффекта. Фотоэлементы.
Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.
Законы фотоэффекта:
Формулировка 1-го закона фотоэффекта: Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока.
Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит.
Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода φ, покидает металл: где — максимальная кинетическая энергия, которую имеет электрон при вылете из металла.
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.
45. Строение ядра атома. Поглощение и испускание света атомом. Дефект масс, энергия связи.
Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны, входящие в состав ядра, несут положительный заряд.
В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом – нейтральная частица, не несущая заряда.
Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот – захватить чужые электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом.
Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, так как масса электрона составляет всего лишь 1/1836 часть массы протона. Плотность вещества в ядре фантастически велика – порядка 1013 - 1014 г/см3. Спичечный коробок, наполненный веществом такой плотности, весил бы 2,5 миллиарда тонн!
Внешние размеры атома – это размеры гораздо менее плотного электронного облака, которое примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.
Кроме протонов, в состав ядра большинства атомов входят нейтроны, не несущие никакого заряда. Масса нейтрона практически не отличается от массы протона. Вместе протоны и нейтроны называются нуклонами (от латинского nucleus – ядро).Электроны, протоны и нейтроны являются главными "строительными деталями" атомов и называются субатомными частицами.
Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров.
Спектр излучения (или поглощения) — это набор волн определенных частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества.
Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые.
Сплошные спектры излучают все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот видимого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать, где сидит фазан).
Линейчатые спектры излучают все вещества в атомарном состоянии. Атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только ему спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определенных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.
Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы. Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т. е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует способ определения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава звезд, атмосфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.
46. Радиоактивные излучения и их воздействия на живые организмы.
Существует несколько путей поступления радиоактивных веществ в организм: при вдыхании воздуха, загрязненного радиоактивными веществами, через зараженную пищу или воду, через кожу, а также при заражении открытых ран. Наиболее опасен первый путь, поскольку, во-первых, объем легочной вентиляции очень большой, а во-вторых, значения коэффициента усвоения в легких более высоки.
Излучения радиоактивных веществ оказывает очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,001 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.
При попадании радиоактивных веществ в организм любым путём они уже через несколько минут обнаруживаются в крови. Если поступление радиоактивных веществ было однократным, то концентрация их в крови вначале возрастает до максимума, а затем в течение 15-20 суток снижается.
В основе повреждающего действия ионизирующих излучений лежит комплекс взаимосвязанных процессов. Ионизация и возбуждение атомов и молекул дают начало образованию высокоактивных радикалов, вступающих в последующем в реакции с различными биологическими структурами клеток. В повреждающем действии радиации важное значение имеют возможный разрыв связей в молекулах за счет непосредственного действия радиации и внутри- и межмолекулярной передачи энергии возбуждения. Физико-химические процессы, протекающие на начальных этапах, принято считать первичными - пусковыми. В последующем развитие лучевого поражения проявляется в нарушении обмена веществ с изменением соответствующих функций органов. Малодифференцированные, молодые и растущие клетки наиболее радиочувствительны.
Животные и растительные организмы характеризуются различной радиочувствительностью, причины которой до сих пор полностью ещё не выяснены. Как правило, наименее чувствительны одноклеточные растения, животные и бактерии, а наиболее чувствительны - млекопитающие животные и человек. Различие в чувствительности к радиации имеет место у отдельных особей одного и того же вида. Она зависит от физиологического состояния организма, условий его существования и индивидуальных особенностей. Более чувствительны к облучению новорожденные и старые особи. Различного рода заболевания, воздействие других вредных факторов отрицательно сказывается на течении радиационных повреждений.
Изменения, развивающиеся в органах и тканях облучённого организма, называют соматическими. Различают ранние соматические эффекты, для которых характерна чёткая дозовая зависимость, и поздние - к которым относят повышение риска развития опухолей (лейкозов), укорочение продолжительности жизни и разного рода нарушения функции органов. Специфических новообразований, присущих только ионизирующей радиации, нет. Существует тесная связь между дозой, выходом опухолей и длительностью латентного периода. С уменьшением дозы частота опухолей падает, а латентный период увеличивается.
В отдалённые сроки могут наблюдаться и генетические (врождённые уродства, нарушения, передающиеся по наследству), повреждения, которые наряду с опухолевыми эффектами являются стохастическими. В основе генетических эффектов облучения лежит повреждение клеточных структур, ведающих наследственностью - половых органов (яичников и семенников).
Промежуточное место между соматическими и генетическими повреждениями занимают эмбриотоксические эффекты - пороки развития - последствия облучения плода. Плод весьма чувствителен облучению, особенно в период органогенеза (на 4-12 неделях беременности у человека). Особенно чувствительным является мозг плода (в этот период происходит формирование коры).
Радиация очень опасна для людей и для последующего потомства. Так, например, вероятность заболеть раком легких на каждую единицу дозы облучения для шахтеров урановых рудников оказалась в 4-7 раз выше, чем для людей, переживших атомную бомбардировку. Следовательно, проблема разработки средств защиты от радиации очень актуальна в наше время. И хотя в материалах некоторых обследований содержится вывод о том, что у облученных родителей больше шансов родить ребенка с синдромом Дауна, другие исследования этого не подтверждают. Несколько настораживает сообщение о том, что у людей, получающих малые дозы облучения, действительно наблюдается повышенное содержание клеток крови с хромосомными нарушениями.