Катодные лучи

катодные лучи.

В 1858 г. немецкий физик и изобретатель Генрих Иоганн Гейсслер (1815 - 1879) сконструировал насос, в котором роль поршня играл ртутный столб, что позволило достигать очень малых давлений в закрытом сосуде.

В 1858 - 59 г.г. другой немецкий физик
Юлиус Плюккер (1801 - 1868) провел ряд экспериментов по исследованию проводимости газов при низком давлении.

При прохождении тока газ светится, а когда газ откачан из трубки почти полностью, вблизи катода (т.е. электрода, подключенного к отрицательному полюсу батареи) возникает другое, зеленоватое свечение.

тени на светящиеся стенки трубки (И. В. Гитторф);

2) лучи распространяются прямолинейно.

«Крест Крукса» - опыт, демонстрирующий
тень от катодных лучей.

молекулы газа, остающегося в трубке (У. Крукс).
Э. Гольдштейн показал, что луче распространяются на расстояние много больше длины свободного пробега молекул в трубке.
3) лучи сколько-нибудь заметно не отклоняются наэлектризованными пластинами и проходят сквозь тонкую золотую фольгу (Г. Герц), поэтому он считал эти лучи электромагнитными волнами.

Впоследствии (в 1895 г.) в ходе опытов с «трубкой Крукса» сделал свое открытие В.К.Рентген.

катодных лучей на коллекторе, установленном внутри лучевой трубки, накапливается отрицательный заряд. Т. е. лучи - отрицательно заряженные частицы, но не молекулы (не ионы).

В 1897 г. Томсон зарегистрировал отклонение катодных лучей под действием внешнего электрического поля.
Это удалось благодаря более совершенным вакуумным насосам. Вскоре этот результат повторил и Э. Гольдштейн.

электрическим полем.
Он установил, катодные лучи - это поток частиц с отрицательным зарядом и отношением заряда к массе примерно 2·1011 Кл/кг.

других заряженных частиц, иллюстрирующие метод парабол

стала крупнейшим исследовательским

центром.

Великие ученые - руководители Кавендишской лаборатории

между цинковыми электродами.

Из-за несовершенства экспериментальной техники Герцу не удалось подробно исследовать это явление.
Некоторые выводы Герца оказались ошибочными.
Исследования продолжили
Гальвакс, Видеман и Эберт.

- 1889 г. Столетов исследовал влияние излучения ртутной лампы на прохождение тока через плоский конденсатор с цинковыми пластинами. Он установил, что

4) нет никакой задержки между началом освещения пластины и возникновением тока (безинерционность фотоэффекта).

2) похождение тока наблюдается только при облучении «отрицательной» пластины;

3) сила тока пропорциональна световому потоку;

вылетают электроны.

4. Величина Uз не зависит от светового потока и для
данного материала определяется частотой излучения:

5. Существет «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота излучения, при которой еще возможен фотоэффект.

2. Подтвердили, что ток насыщения пропорционален световому потоку.

3. Определили задерживающее напряжение

с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

электроны вещества. Электроны ускоряются. Некоторые из них вылетают из металла.

Противоречия классической модели эксперименту.

1. Величина задерживающего напряжения должна быть пропорциональна световому потоку. (Световой поток пропорционален энергии излучения).

2. В этом случае фотоэффект должен иметь резонансный характер. При совпадении частоты излучения с собственной частотой колебаний электрона в атоме должен наблюдаться максимум фототока.

3. Фотоэффект не должен быть безинерционным. Чем дольше ЭМВ «раскачивает» электрон, тем больше его скорость и энергия. В 1914 г. Майер и Герлах оценили минимальное время, необходимое для «раскачки» электрона. Оно оказалось порядка нескольких минут.

световое излучение, а не только механизм его испускания - поглощения имеет дискретный характер.

1. Безинерционность.

2. Сила тока пропорциональна
числу поглощенных квантов света,
т.е. энергии света.

m = Е/c2.

Фотон обладает энергией
Е = hν.

Фотон — частица, движущаяся со скоростью света c. Фотон существенно отличатся от обычных частиц, так как не имеет массы покоя и может существовать только в движении.

Импульс фотона
p = mc
и, следовательно, равен
р = hν/c = h/λ,
где λ — длина волны.

из одного источника независимо друг от друга.

В.К.Рентген в 1895 г. обнаружил новый вид электромагнитного излучения, которое он назвал X-лучами.

Вильгельм
Конрад
Рентген
(1845 - 1923)

с ускорением (например, при торможении ранее ускоренных электронов). Спектр тормозного излучение – непрерывный.

Для тормозного излучения наблюдается некоторая граничная частота (или наименьшая длина волны), выше которой электромагнитные волны не излучаются. Величина наименьшей длины волны (наибольшей частоты) зависит от величины ускоряющего напряжения (см. рис.)

Кроме тормозного излучения наблюдается характеристическое излучение, специфи-ческое для каждого вещества. Спектр характеристического излучения – дискретный.

легко объяснить, исходя из квантовой природы излучения.

Величина энергии, излучаемой электроном при торможении, не может превысить величины энергии, полученной электроном при ускорении.

что совпадает с экспериментально полученной величиной

где длина волны выражена в ангстремах, напряжение – в вольтах.

23 г. исследовал взаимодействие характеристического рент-геновского излучения мо-либдена (Kα – линию) с различными веществами.

Он обнаружил, что если наблюдать спектр излу-чения молибдена под неко-торым углом к оси исход-ного рентеновского пучка, то появляется дополнитель-ная длинноволновая линия.

Интенсивность и длина волны этой длинноволновой линии – спутника (или сателлита) зависит только от угла наблюдения и не зависит от рода облучаемого вещества.

составляет

(м).

Объяснить этот эффект можно, рассмотрев взаимодействие рентгеновских фотонов с электронами. (Если бы фотоны взаимодействовали с атомами вещества, результат зависел бы от рода вещества).

Рассмотрим столкновение рентгеновского фотона с электроном.

импульс электрона,

угол рассеяния,

импульс фотона до столкновения,

импульс фотона после столкновения.

скорость света c:

в квадрат:

Первое уравнение получено из закона сохранения энергии, второе уравнение системы – из закона сохранения импульса.

тела могут действовать различные силы

Давление равно величине силы, действующей на тело, делённой на площадь тела

Пусть фотоны падают на поверхность тела. Нужно рассмотреть два случая – фотоны полностью поглощаются и второй – фотоны полностью отражаются поверхностью тела.

1. Фотоны полностью поглощаются.

Найдём импульс, передаваемый поверхности тела поглощаемым фотоном.

одного фотона, n – число фотонов.

Пусть ΔE = nE1 энергия, передаваемая поверхности тела n поглощаемыми фотонами

энергия, передаваемая единице площади поверхности тела излучением в единицу времени.

от поверхности.

Найдём импульс, передаваемый поверхности тела n отражёнными фотонами.

Здесь E1 – энергия одного фотона, n – число фотонов.

Пусть ΔE = nE1 энергия, передаваемая поверхности тела n отражёнными фотонами

а N2 – отражаются. N1 = N – N2. Тогда импульс, передаваемый поверхности тела

Обозначим

Коэффициент ρ есть отношение числа отразившихся фотонов к общему числу фотонов. Поэтому назовём его коэффициентом отражения.

поэтому

поглощаемых), которые падают на поверхность.

Давление света

энергия, передаваемая единице площади поверхности тела излучением в единицу времени.