Тема: квантова природа світла

ПЛАН

1. Закони зовнішнього фотоефекту.

2. Фотони. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

3. Ефект Комптона.

4. Тиск світла.

 

1. Явище зовнішнього фотоефекту було відкрито Герцем у 1887 році і досліджено російським ученим Столєтовим.

Зовнішній фотоефект - явище вибивання електронів із речовини під дією електромагнітного випромінювання.

На основі спостережень Столєтов установив такі закони:

1) величина фотоструму насичування при фіксованій частоті випромінювання прямо пропорційна інтенсивності падаючого світла;

2) для кожного металу спостерігається певна максимальна довжина світла, вище від якої фотоефект не спостерігається;

3) максимальна швидкість електронів, які вилетіли, залежить від довжини хвилі або частоти і не залежить від його інтенсивності.

Якщо перший закон можна було пояснити, спираючись на хвильові властивості світла, то другий та третій закони з позиції електромагнітної природи світла не можна було пояснити.

 

Застосування фотоефекту:

 

1) вакуумний фотоефект 2) фотоелектронний помножувач

 

 

 

Він призначений для перетворення малих світлових сигналів у електричні. Він складається із декількох діанодів і катода, напруга на кожному з яких більша на 50-100 В, ніж на попередніх. Світло попадає на фотокатод, вириваючи електрони, які потім досягають першого діанода, прискорюються на наступних діанодах, і на виході маємо не світловий сигнал, а електричний, який можемо фіксувати.

 

2. Введення Планком квантування енергії електромагнітної хвилі при розгляді законів теплового випромінювання мало наслідки. Ейнштейн розвинув гіпотезу Планка, завдяки чому на сьогодні встановлено, що світло не тільки дискретно випромінюється (Планк), але й дискретно поширюється (Ейнштейн) у вигляді квантів - фотонів.

 

1) 2) m_0Ф ≡ 0

Е_Ф = m_Фс²

3)

Виходячи з цих основних положень та застосувавши закон збереження енергії, Ейнштейн дав пояснення явища зовнішнього фотоефекту: енергія кванта світла hn, що падає на поверхню металу, буде витрачатися на надання електрону енергії, яка чисельно дорівнює роботі виходу електрона із металу та надання кінетичної енергії вирваного електрона.

(1)

— рівняння Енштейна для зовнішнього фотоефекту.

 

Воно дозволило зрозуміти та пояснити 2-ий і 3-ій закони Столєтова, які у рамках хвильової теорії не можна було пояснити.

 

А_в - це фізична величина, яка чисельно дорівнює енергії, яку потрібно надати електрону для його виходу за межі металу.

hn₀ = А_в

(2) - умова реалізації фотоефекту.

 

Для кожного металу існує особиста довжина хвилі l₀ або частота n₀, вище (нижче) від якої фотоефект не спостерігається. Вона має назву червона межа фотоефекту. Фотоефект можливий при n ³ n₀, l £ l₀.

v_max = f (n)

3. Ефект Комптона був відкритий американським фізиком Комптоном в 1927 році при вивченні розсіяння рентгенівських променів на парафіні.

Зміст явища: електромагнітна хвиля у середовищі пружно взаємодіє з електронами речовини, внаслідок чого довжина хвилі цього випромінювання зростає (l Þ l¹).

Із точки зору хвильових властивостей світла довжина хвилі у речовині не повинна збільшуватися (принцип Г - Ф), оскільки вторинна хвиля повинна мати n або l таку ж, як і первинна. Реально Комптон установив, що внаслідок пружного розсіювання фотон зменшує свою енергію.

Розглянемо ефект Комптона:

l¹ > l Dl = l¹ - l

Застосувавши закони збереження до цього акту взаємодії, будемо мати:

(3)

 

Вирішення розв’язання системи (3) дає:

(4)

q - кут розсіяння фотона,

l_к - комптоновська довжина хвиль.

l_к = h / (m₀ c) = 2,426 ^. 10^-12 м - унікальне число.

 

 

4. У 1901 р. російський фізик Лебєдєв установив, що світло, падаючи на поверхню тіла, чинить тиск, величина якого залежить від двох причин:

1) інтенсивності падаючого світла,

2) відбивальної здатності поверхні тіла.

 

(5)

I - інтенсивність світла;

c - швидкість світла у вакуумі;

r - коефіцієнт відбивання.

Характерним є те, що це явище можна пояснити як з точки зору електромагнітної природи світла, так і з точки зору квантової. Оскільки фотони володіють імпульсом Р_ф, то вони при взаємодії з поверхнею тіла передають їй свій імпульс і енергію, зумовлюючи появу тиску Р, тому інтенсивність світла в рамках такого підходу можна зобразити так:

,

 

де N - кількість падаючих на поверхню тіла фотонів,

hn - енергія фотона,

S - площа поверхні,

t - час.

I - це енергія, яка припадає на одиницю поверхні тіла за одиницю часу. У випадку дзеркальної поверхні r = 1.

Р = 2I / c, у випадку АЧТ r = 0.

Р = I /c, тобто тиск світла на поверхню АЧТ у 2 рази більше ніж на тіло дзеркальної поверхні.

 

 

ЛЕКЦІЯ ХХI