101 ключевая идея: Физика - [30]

См. также статьи «Агрегатные состояния вещества», «Равновесие сил».

УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ

Ускоритель, линейный или циклический, — установка, предназначенная для увеличения кинетической энергии заряженных частиц. Каждая частица разгоняется в электрическом поле, создаваемом между двумя электродами. Затем частицы на большой скорости сталкиваются с другими частицами или античастицами. В результате таких столкновений образуются новые частицы или античастицы.

Синхротрон

Синхротрон состоит из вакуумной трубки в форме кольца, закрепленной между полюсами большого количества электромагнитов, окружающих трубку. При помощи пар электродов в некоторых позициях вдоль кольца заряженные частицы ускоряются по мере прохождения по трубке. Электромагниты создают магнитное поле, поддерживающее круговую траекторию частиц с постоянным радиусом. Напряженность магнитного поля увеличивается синхронно с увеличением массы частиц, поэтому радиус вращения остается постоянным.

Линейные ускорители

Линейные ускорители состоят из длинной серии электродов, подсоединенных к источнику переменного напряжения и представляющих собой коаксиальные (соосные) цилиндры, расположенные в вакуумной трубке. Заряженные частицы испускаются в одном из концов трубки и ускоряются до ближайшего электрода. При прохождении через него напряжение изменяется. Благодаря смене напряжения полярность частиц меняется и они отталкиваются от этого электрода и устремляются к следующему. Процесс повторяется снова и снова; частица, проходя между электродами, каждый раз приобретает кинетическую энергию. При этом магнитное поле не нужно, так как заряженная частица не меняет направления. В подобном линейном ускорителе Стэнфордского университета было получено первое доказательство существования кварков.

Линейный ускоритель

См. также статьи «Взаимодействия частиц», «Кварки 1 и 2».

ФОТОН

Фотон — это пакет электромагнитных волн с энергией Е = hf, где f — частота электромагнитных волн. Фотон является квантом (т. е. наименьшим количеством) электромагнитного излучения, которое поступает из источника электромагнитного излучения известной частоты.

Когда электрон переходит из внешней оболочки атома во внутреннюю, он теряет энергию, высвобождаемую в виде фотона. Если электрон переходит с энергетического уровня E₁ на более низкий энергетический уровень Е₂, энергия испускаемого фотона hf = E₁ — E₂. Легкие атомы испускают фотоны видимого или ультрафиолетового диапазона. Фотоны рентгеновского излучения испускаются, когда заполняются места во внутренних оболочках больших атомов. γ-фотоны испускаются, когда ядра с избытком энергии возвращаются к основному состоянию.

Для точечного источника фотонов, излучающего энергию с интенсивностью W, количество N фотонов, излучаемых источником в секунду, равно W/hf поскольку каждый фотон обладает энергией hf. Отсюда количество фотонов в секунду, проходящих под прямым углом через единицу площади поверхности на расстоянии r от источника равно (W/hf)/4πr². Интенсивность излучения на расстоянии r от источника равна энергии, проходящей в секунду под прямым углом через единицу поверхности W/4πr² = Nhf/4πr². Следовательно, интенсивность зависит от расстояния и изменяется согласно закону обратного квадрата, который применим и к свету, излучаемому звездой, и к интенсивности радиации из источника γ-излучения. В обоих случаях предполагается, что излучение не поглощается, поэтому интенсивность уменьшается от того, что излучение распространяется равномерно во всех направлениях.

Электронный переход

См. также статьи «Законы обратных квадратов», «Энергетические уровни атомов».

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Фотонная теория электромагнитного излучения была разработана Эйнштейном для объяснения фотоэлектрического эффекта, который представляет собой испускание электронов холодным металлом при направлении на его поверхность луча света свыше определенной частоты. Этот эффект открыл в 1888 году Холвакс, обнаруживший, что изолированная заряженная цинковая пластина разряжалась, когда ее облучали ультрафиолетовым светом. Дальнейшие исследования показали: металл испускает электроны при освещении и эффект не возникает, если частота света меньше определенной пороговой величины, независимо от интенсивности света.

В каждом металле содержатся электроны проводимости, оторванные от ядер и свободно движущиеся между ними. При нагревании металла эти электроны приобретают кинетическую энергию и начинают двигаться быстрее. Находясь у поверхности металла, они могут приобретать кинетическую энергию также под действием света, направленного на поверхность. Наличие пороговой частоты не объясняется из волновой теории света, согласно которой свет любой частоты мог бы служить причиной фотоэлектронной эмиссии.

В 1905 году Эйнштейн предложил новое объяснение: свет состоит из мельчайших порций электромагнитного излучения, которые ученый назвал фотонами. Он предположил, что энергия фотона Е пропорциональна его частоте f в соответствии с уравнением Е = hf, где h — постоянная Планка. Если свет направлен на поверхность металла, электроны на его поверхности поглощают фотоны. Каждый электрон, поглощающий фотон, в результате этого приобретает кинетическую энергию, равную энергии фотона (hf). Чтобы оторваться от поверхности незаряженного металла, электрон должен приобрести минимальное количество энергии, называемой работой выхода ф. Кинетической энергией электрона до того, как он поглотил фотон, можно пренебречь. Отсюда электрон, поглотивший фотон, может оторваться от поверхности металла, если энергия фотона превысит работу выхода (т. е. hf>ф). Таким образом, фотоэлектронная эмиссия может происходить на поверхности незаряженного металла, только если частота света превышает ф/h, что и называется пороговой частотой металла.