Kvant. Взаимодействие света

А так ли хорошо знакомо вам взаимодействие света с веществом? // Квант. — 2013. — № 5-6. — C. 48-49, 84.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Ощущение различных цветов зависит от различной частоты
колебаний, возбуждаемых светом в сетчатке.
Томас Юнг

Вещество испускает, как правило, свет, имеющий большую длину волны,
чем свет, вызывающий явление фотолюминесценции.
Джордж Габриэль Стокс

Падающий пучок света производит давление как на поглощающие,
так и на отражающие поверхности...
Петр Лебедев

Почему возникновение определенной фотохимической реакции
зависит только от цвета, а не от интенсивности света?
Альберт Эйнштейн

Как создается пара электрон-дырка? Есть несколько способов.
Например, световые фотоны.... могут поглотиться и образовать пару...
Ричард Фейнман

Свет всегда исходит от вещества, рождается в веществе и, поглощаясь,
исчезает в веществе. Встреча света с веществом всегда
сопровождается взаимодействиями.
Сергей Вавилов

Обнаружить это взаимодействие чрезвычайно легко. Достаточно выйти из темной комнаты на ярко освещенную улицу, как, невольно сощурившись, мы «зарегистрируем» воздействие света на сетчатку наших глаз. Присмотревшись, заметим, как выцвели на свету обои или занавески в нашем доме. Или почувствуем, как нагрелись на солнце темные прибрежные скалы. Постепенно наш повседневный опыт дополнится знаниями о действиях света, используемых в фотографии, о производстве фотоэлементов и применении фотолюминесценции. Заглянув в учебник физики, мы найдем еще немало терминов с приставкой «фото», но, к сожалению, за информацией о все новых возможностях света не поспевают не только школьные пособия, но и самые оперативные научные издания.

Казалось бы, совсем недавно были изобретены самоочищающиеся — лишь стоит на них посветить — стекла, как уже удалось создать хлопчатобумажную ткань, которую можно просто вывесить на балконе и очистить с помощью обычного солнечного света, да еще и восстановить ее первоначальный цвет. Не успели научиться влезать внутрь биологических клеток и с помощью наносветоводов получать превосходные их изображения «в интерьере», как эти же устройства намереваются использовать для оптической стимуляции клеток с одновременным наблюдением за их реакцией на световое воздействие. С каждым днем множится число прорывных находок, в которых и светом и со светом производят столь диковинные манипуляции, что впору воскликнуть: «Неужели это они, наши старые добрые знакомые световые лучи?»

Представьте, да. А чтобы легче было привыкнуть к их новым обличиям и экстраординарным способностям, начните все же со знакомства с вроде бы привычными действиями света. Глядишь, и многое прояснится.

Вопросы и задачи

1. Почему электроскоп, находящийся недалеко от ярко светящейся электрической дуги, разряжается весьма быстро?

2. При анализе получаемого на земле непрерывного спектра излучения Солнца оказывается, что он содержит более двух десятков темных линий, т.е. фактически является спектром поглощения. Чем это можно объяснить?

3. Какого цвета бумага — синяя, красная, черная — быстрее зажигается солнечными лучами, собранными при помощи вогнутого зеркала или линзы?

4. Возбуждение атома хрома происходит при поглощении зеленого света. А какой свет может излучаться этим атомом — ближе к красному или фиолетовому?

5. Стеклянный сосуд с керосином облучают дневным светом. Отчего возникает слабое голубоватое свечение керосина?

6. Почему частота света люминесцирующего вещества, как правило, меньше частоты поглощаемого веществом света? Как это согласуется с законом сохранения энергии?

7. Как зависит проводимость металлов и полупроводников от действия излучения?

8. Какая из приведенных на рисунке зависимостей силы тока, идущего через фоторезистор, от приложенного напряжения относится к освещенному фоторезистору и какая — к находящемуся в темноте? Применим ли закон Ома к данному фоторезистору?

9. Человек, проходя через турникет, кратковременно перекрывает луч света, падающий на фоторезистор. Как в этот момент изменяется сопротивление фоторезистора?

10. Воздействие света приводит к аналогичным процессам в фоторезисторах и фотодиодах. В чем же их основное отличие друг от друга?

11. Почему для устройства солнечных батарей применяется именно кремний, а не какой-либо другой полупроводник?

12. При освещении катода фотоэлемента монохроматическим светом в цепи элемента течет ток насыщения. Изобразите на графике зависимость этого тока от концентрации фотонов в световом потоке. От какого параметра зависит угловой коэффициент графика?

13. На рисунке представлены зависимости задерживающего напряжения при фотоэффекте от частоты падающего света. Чем отличаются условия, при которых получены эти прямые? Какое соотношение между фундаментальными константами может быть получено с помощью этих графиков?

14. Почему хвост кометы направлен всегда в сторону, противоположную Солнцу? Почему длина хвоста меняется при движении кометы?

15. Находящаяся в вакууме пылинка под давлением световых лучей движется с ускорением. За счет чего увеличивается ее кинетическая энергия, если: а) пылинка зеркальна; б) пылинка поглощает все лучи?

16. Какого вида изображение — позитивное (когда яркости деталей фотографируемого объекта и их изображений одинаковы) или негативное (когда светлые детали выглядят темными) получают: а) на фотопленке; б) на фотобумаге?

Микроопыт

У вас имеются два совершенно одинаковых спиртовых термометра, отличающихся только цветом окраски спирта. Будут ли термометры показывать одинаковую температуру, если вы выставите их на солнце?

Любопытно, что...

...изменение цвета солей серебра было обнаружено еще в XIII веке немецким философом и теологом Альбертом Великим. Английский ученый Роберт Бойль упоминал об этом явлении в 1663 году, но приписывал его действию воздуха. И лишь в начале XVIII столетия было отмечено, что причина этих изменений заключается в действии света.

…в XIX веке явление люминесценции, несмотря на установленное Стоксом правило (см. эпиграф), не поддавалось теоретическому обоснованию. И само явление, и правило Стокса оказались в числе первых, к которым Эйнштейн, причем весьма успешно, применил свою квантовую теорию света.

…первая мировая война, низкий уровень вакуумной техники, скепсис многих физиков — вот причины задержки экспериментальной проверки знаменитого основного закона фотоэффекта, сформулированного Эйнштейном в работах 1905-06 годов. Лишь десятилетием позже закон был окончательно подтвержден.

…роль света в фотохимических процессах сводится к сообщению молекуле столь большой энергии, что она расщепляется на составные части. Примечательно, что освещение даже видимым светом может так же эффективно расщеплять молекулы, как нагревание до 20000 °C.

…гигантские мощности лазерного излучения достигаются лишь в коротких импульсах. Если же говорить о непрерывном излучении, то, чтобы создать с его помощью силу величиной всего лишь в 1 ньютон, действующую на поглощающую свет мишень, потребуется мощность целой электростанции — порядка 300 мегаватт. Вот почему так сложно запустить фотонную ракету, работающую на световой тяге.

…одно из важнейших свойств алмаза — его люминесценция. Под действием видимого света и других излучений он начинает светиться различными цветами. Эта особенность помогает обнаруживать и извлекать алмазы из породы.

…фотонные кристаллы — искусственные метаматериалы, оптические свойства которых определяются не особенностями веществ, а структурой их композиции, — могут служить светопроводниками, светоизоляторами и даже. светополупроводниками.

…японское агентство исследований космоса планирует к 2030 году развернуть на геостационарной орбите (36000 километров над Землей) систему сбора солнечной энергии. Спутники, входящие в состав системы, будут оснащены солнечными батареями для преобразования энергии излучения и ее передачи на земные приемники в виде микроволн или лазерных пучков.

…уже довольно давно известны «светочувствительные» очки, прозрачные в помещении и темнеющие на солнечном свету. В таком стекле содержатся крохотные кристаллы веществ, например, бромистого серебра, меняющих оптические свойства при изменении освещенности. А недавно подобное поведение было обнаружено у графена — тончайшего слоя углерода толщиной в один атом.

Что читать в «Кванте» о взаимодействии света с веществом

(публикации последних лет)

1. «Калейдоскоп «Кванта» — 2005, №5, с.32; 2008, №5, с.32; 2010, №5, с.32;

2. «Фотонные кристаллы и другие метаматериалы» — 2006, Приложение №2;

3. «Пособие по физике для покупателей лампочек» — 2006, Приложение №6, с.5;

4. «Сюрпризы зеленого стекла» — 2007, №5, с.10;

5. «ФЭМ-эффект» — 2008, Приложение №2, с.129;

6. «Нанотехнологии: когда размер имеет значение» — 2008, №3, с.6;

7. «Самая светлая революция и ее творцы» — 2008, №6, с.2;

8. «Нобелевская премия за «школьную»физику» — 2010, №1, с.17;

9. «Начало квантовой эпохи» — 2013, Приложение №3, с.99.

Ответы

Вопросы и задачи

1. Ионизация воздуха под действием света — фотоионизация — приводит к тому, что воздух становится проводником электрического тока.

2. Часть лучей поглощается окружающей Солнце газовой оболочкой, а часть — земной атмосферой.

3. Черная, так как она поглощает практически все падающие на нее лучи.

4. Такой же — зеленый, а также желтый, оранжевый и красный.

5. Это явление объясняется фотолюминесценцией — свечением тел под действием облучения светом меньшей длины волны.

6. Часть энергии поглощенных фотонов превращается во внутреннюю энергию люминесцирующего вещества.

7. Проводимость металлов от излучения не зависит, если только оно не вызывает их нагревания. Проводимость полупроводников под действием излучения резко возрастает, так как излучение приводит к образованию пар «электрон-дырка», т.е. к росту свободных носителей заряда.

8. Освещенному фоторезистору соответствует график 2. Закон Ома применим при постоянном освещении.

9. Сопротивление фоторезистора увеличивается, так как при перекрытии светового потока проводимость фоторезистора уменьшается.

10. Фоторезистор пропускает ток в обоих направлениях, а фотодиод — только в одном.

11. Кремний обладает наибольшей чувствительностью к длинам волн, на которые приходится наибольшая энергия в солнечном спектре.

12. Зависимость тока насыщения от концентрации фотонов — прямая пропорциональная (рис. ). Угловой коэффициент графика определяется квантовым выходом фотоэффекта, т.е. числом фотоэлектронов, приходящихся на один фотон.

13. Графики получены при различных материалах фотокатода с разными работами выхода. Угловой коэффициент наклона прямых равен отношению постоянной Планка к заряду электрона.

14. Хвост кометы отбрасывается силой светового солнечного давления. Эта сила увеличивается по мере приближения к Солнцу; увеличивается при этом и длина хвоста.

15. а) За счет уменьшения энергии отраженных фотонов; б) за счет поглощения части энергии света.

16. На фотопленке — негативное, на фотобумаге — негативное по отношению к изображению на пленке и позитивное по отношению к фотографируемому объекту.

Микроопыт

Нет, не будут, поскольку возможны расхождения показаний вследствие различной степени поглощения солнечных лучей спиртом разной окраски.

Материал подготовил А.Леонович