Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
В ультрарелятивистском случае, кохда Е'к т0с2, эта формула принимает вид
V1 + х « 1 + х/2 при х«1.
(19)
(20)
§ 5. ПРИМЕРЫ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ
43
Из приведенных формул видно, что выигрыш при использовании ускорителей на встречных пучках особенно велик для легких частиц, например электронов, для которых тос2ж0,5МэВ. Так, для установки со встречными пучками, ускоряющей электроны до энергии Е'к = 130 МэВ, энергия Ек эквивалентного ускорителя с неподвижной мишенью составляет, согласно формуле (21), примерно 70 ГэВ, т. е. в 520 раз больше!
• При каких условиях энергия частицы пропорциональна импульсу?
• Покажите, что при ускорении частицы под действием постоянной силы ее скорость стремится к конечному пределу.
• Почему в ускорителях, разгоняющих частицы до высоких энергий, период обращения в магнитном поле не остается постоянным?
• В чем заключается преимущество использования встречных пучков в физике высоких энергий?
II. ЗАКОНЫ МИКРОМИРА. ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ
§ 6. Световые кванты
Одна из величайших революций в физике, связанная с открытием квантовых закономерностей, пришлась на начало XX столетия. Оказалось, что ряд экспериментальных фактов, относящихся к атомным явлениям, в принципе невозможно объяснить в рамках классической механики и электродинамики, получивших к этому времени вполне законченный вид.
Фотоэлектрический эффект. Наиболее ярко ограниченность представлений классической физики обнаружила себя в явлении фотоэффекта, открытого Г. Герцем и впервые подробно исследованном А. Г. Столетовым.
Явление фотоэффекта заключается в вырывании электронов из вещества падающим на него светом. Основные черты этого явления сводятся к следующему. Пучок света, падающий на поверхность металла, освобождает из металла электроны при условии, что частота света выше определенного критического значения, зависящего от рода металла. Количество вырываемых в единицу времени электронов при неизменном спектральном составе излучения пропорционально падающему на поверхность металла световому потоку.
К моменту открытия фо-Рис. 15. Простейший опыт по наблюдению тоэффекта в 1887 г. еще ни-фотоэффекта чего не было известно
об электронах, открытых Дж. Томсоном только десять лет спустя в 1897 г. Однако экспериментально было установлено, что металл при освещении теряет именно отрицательный заряд.
§ 6. СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ
45
Экспериментальные закономерности фотоэффекта. Простейший способ наблюдать фотоэффект — это освещать ультрафиолетовым излучением заряженную цинковую пластину, соединенную с электрометром (рис. 15). Если заряд пластины положительный, то облучение ее никак не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если заряд пластины отрицательный, то излучение электрической дуги очень быстро разряжает электрометр. Сразу после открытия
электрона стало ясно, что фотоэффект связан именно с освобождением имеющихся в металле электронов. Если электроны, испускаемые одним электродом (их обычно называют фотоэлектронами), собрать на другом электроде в вакуумной колбе и замкнуть между электродами цепь (рис. 16), то сила тока в ней будет пропорциональна световому потоку. Весь процесс протекает практически мгновенно, т. е. безынерционно.
Если, не меняя светового потока, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока (фототока) нарастает. При некотором напряжении она достигает определенного максимального значения, после чего перестает увеличиваться (рис. 17). Это максимальное значение фототока называется током насыщения. Ясно, что насыщение фототока наступает тогда, когда все испускаемые фотоэлектроны попадают на второй электрод.
Освобожденные из металла светом электроны обладают некоторой кинетической энергией. Эта энергия возрастает с увеличением частоты падающего света.
Кинетическая энергия фотоэлектронов. Остановимся на том, как можно измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Из графика на рис. 17 видно, что сила фототока отлична от нуля и при отсутствии приложенного напряжения. Если изменить полярность батареи, то ток уменьшится и при некотором напряжении Uъ сила
и
Рис. 16. Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта
Рис. 17. Зависимость силы фототока от приложенного напряжения при неизменном световом потоке
46
II. ЗАКОНЫ МИКРОМИРА. ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ
тока обратится в нуль. Это так называемое задерживающее напряжение, при котором все вырванные светом электроны возвращаются на катод, из которого они были вырваны. Значение 1/ъ зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны. Измеряя задерживающее напряжение и применяя закон сохранения энергии, можно найти это максимальное значение кинетической энергии:
