Корпускулярно-волновой дуализм.

Корпускулярно-волновой дуализм — теория в квантовой механике, гласящая, что в зависимости от системы отсчета поток электромагнитного излучения можно рассматривать и как поток частиц (корпускул), и как волну. В частности, свет — это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

_____________________________________________________________________________________________________________

Внешний фотоэффект. Основные законы фотоэффекта.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Законы внешнего фотоэффекта:

1.Закон Столетова: при неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1с, прямо пропорционально интенсивности света): In Ee и ncek Ee.

2. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.

3.Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света v о при которой фотоэффект ещё возможен. Фотокатод - электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию света.

_____________________________________________________________________________________________________________

Квантовая теория фотоэффекта. Формула Эйнштейна.

Краткий

Фотоэффект – это явление взаимодействия фотонов света с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества.

Виды фотоэффекта:

· внешний;

· внутренний;

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений.

Внешний фотоэффект связан с выходом электронов из металла при облучении его светом определенной частоты. При поглощении энергии (ε = hν) веществом частоты ν, каждый из электронов может поглотить только один фотон, приобретая при этом его энергию .

Используя закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил уравнение для внешнего фотоэффекта, выражающее закон сохранения энергии:

,где Авых – работа выхода электрона из металла;

– кинетическая энергия вылетевшего электрона.

 

Из уравнения Эйнштейна следует, если Ек = 0, то можно получить ту наименьшую частоту: – красная граница фотоэффекта, при которой фотоэффект возможен.

Полный

Фотоэффект – это явление взаимодействия фотонов света с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества.

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

· Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.

· Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота ν_min, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

· Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

· Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > ν_min.

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям при взаимодействии с электромагнитной световой волной электрон должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели также было невозможно понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где h – постоянная Планка. Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что свет имеет прерывистую (дискретную) структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии.

Виды фотоэффекта:

· внешний;

· внутренний;

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Внешний фотоэффект связан с выходом электронов из металла при облучении его светом определенной частоты. Из квантовой теории фотоэффекта следует, что каждый акт поглощения фотона электроном происходит независимо от других. Увеличение интенсивности излучения означает увеличение числа падающих и поглощенных фотонов. При поглощении энергии (ε = hν) веществом частоты ν, каждый из электронов может поглотить только один фотон, приобретая при этом его энергию .

Используя закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил уравнение для внешнего фотоэффекта, выражающее закон сохранения энергии:

,

где Авых – работа выхода электрона из металла;

– кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Из уравнения Эйнштейна следует, если Ек = 0, то можно получить ту наименьшую частоту: – красная граница фотоэффекта, при которой фотоэффект возможен.

_____________________________________________________________________________________________________________

Красная граница фотоэффекта

Кратко:

Вариант1

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота v0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Вариант 2

Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины v, называемой красной границей.

Полный ответ: Качественное объяснение фотоэффекта с точки зрения волновой теории на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл; тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого из металла электрона должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, так как с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. Так как, по волновой теории, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта.

_____________________________________________________________________________________________________________

Опыт Резерфорда.

1911г. - Э. Резерфорд ставит опыт по рассеянию альфа-частиц. Пучок aльфа-частиц пропускался через тонкую золотую фольгу. Золото было выбрано как очень пластичный материал, из которого можно получить фольгу толщиной практически в один атомный слой.

 

Некоторые альфа-частицы проходили сквозь фольгу, образуя на экране размытое пятно, а следы от других альфа-частиц были зафиксированы на боковых экранах.

 

Опыт показал, что положительный заряд атома сконцентрирован в очень малом объеме - ядре, а между ядрами атомов существуют большие промежутки. Оказалось, что ядра различных атомов имеют диаметры порядка 10-14 –10-15 см, в то время как размер самого атома 10-8 см, то есть в 104 – 105 раз превышает размер ядра.

Вывод из опыта Резерфорда. Учитывая то, что из 2000 испущенных?-частиц только одна отбрасывалась назад Резерфорд сделал вывод, что положительный заряд в атоме занимает небольшое пространство, то есть в атоме есть положительно заряженное ядро, а электроны вращаются вокруг ядра.

Планетарная модель атома.

Планета́рная моде́ль а́тома, или модель атома Резерфорда — исторически важная модель строения атома предложенная Эрнстом Резерфордом в классической статье, опубликованной в 1911 г. на основании анализа и статистической обработке результатов экспериментов по рассеиванию альфа-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных Гейгером и Марсденом в 1909г. В этой модели Резерфорд описывает атом, состоящий из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с уточнениями, что движение электронов не может быть описано законами классической механики и имеет квантово-механическое описание.

Исторически, планетарная модель Резерфорда пришла на смену «модели сливового пудинга» Джозефа Джона Томсона, которая предполагает, что отрицательно заряженные электроны помещены внутрь положительно заряженного атома с распределённым по всему объему атома положительным зарядом, подобно изюминкам в пироге.

____________________________________________________________________________________________________________

23. Закономерности в атомных спектрах

Излучение невзаимодействующих друг с другом атомов состоит из отдельных спектральных линий. В соответствии с этим спектр испускания атомов называется линейчатым. Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов. Прежде всего было замечено, что линии в спектрах атомов расположены не беспорядочно, а объединяются в группы или, как их называют, серии линий. Отчетливее всего это обнаруживается в спектре простейшего атома — водорода. Очевидно, что линии располагаются в определенном порядке. Расстояние между линиями закономерно убывает по мере перехода от более длинных волн к более коротким.

В соответствии с сериями спектральных линий:

серия Бальмера: n=3,4,5; серия Лаймана: n=2,3,4; серия Пашена: n=4,5,6

Обобщенная формула Бальмера

Обобщенная формула Бальмера (для частоты)

для каждой данной серии m имеет постоянное значение, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6 (определяет серию). n принимает целочисленные значение начиная с числа m+1 (определяет отдельные линии данной серии)

Обобщенная формула Бальмера (для длины волны)

спектральную линию с наибольшей длиной волны из всех линий данной серии называется главной линией серии. Линия соответствующая n=∞ - коротковолновая граница; к ней примыкает непрерывный спектр.

n – главное квантовое число исходного уровня – натуральное число – большее или равное 3

- постоянная Ридберга

Первые 4 линии серии находятся в видимом диапазоне, остальные — в ультрафиолетовом:

____________________________________________________________________________________________________________