Тема 2. Дуализм свойств электромагнитного излучения.

1. Двойственная природа электромагнитного излучения. Какие явления, связанные с поглощением и излучением электромагнитных волн невозможно объяснить на основе электромагнитной теории? Гипотезы о квантовой природе излучения и поглощения света. Фотоны. Энергия и импульс фотона; выразите эти величины через длину волны , частоту , циклическую частоту .

 

В одних явлениях (интерференция, дифракция, поляризация) свет проявляется себя как волны, в других (тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона) - как частицы (кванты, фотоны), поэтому говорят о двойственной, корпускулярно волновой природе света.

Если частота света и, следовательно, энергия фотона, велика, то свет проявляется себя как «частицы», при малых частотах - как волны.

Например, в области радиоволн квантовые свойства практически не проявляются, и волновая электромагнитная теория хорошо объясняет явления, связанные с радиоволнами.

В силу двойственности природы света, для его характеристики используются как квантовые, так и волновые величины.

- Свет как частицы (кванты, фотоны) характеризуется:

Энергия фотона:

Масса покоя фотона равна 0

Импульс фотона:

- Свет как электромагнитные волны характеризуются:

- длина волны (м), n - частота (Гц), w - циклическая частота (1/с), с - скорость света в вакууме.

k в скалярной форме называют волновым числом, в векторной форме называют волновым вектором, р - импульс фотона: , .

 

 

Тема 3. Фотоэффект.

1. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта.

 

Фотоэффектом называют электрические явления, происходящие под действием электромагнитного излучения (света). Различают следующие виды фотоэффекта:

1) Внешний фотоэффект. Он состоит в том, что под действием света происходит

испускание электронов из вещества. При этом на поверхности вещества появляется положительный заряд.

2) Внутренний фотоэффект. Выбитые светом электроны остаются в веществе.

Если к веществу приложена разность потенциалов, то при освещении светом

электропроводность вещества увеличивается.

3) Фотоэффект в запирающем слое (вентильный фотоэффект). Если привести в контакт два вещества с разным типом проводимости (электронной и дырочной), то на их границе возникает разность потенциалов. Если освещать границу контакта светом и цепь замкнуть, то в ней будет протекать ток. Таким образом, можно наблюдать непосредственное преобразование световой энергии в электрическую.

Эйнштейн показал, что закономерности внешнего фотоэффекта можно объяснить, если предположить, что свет поглощается порциями (квантами) такими же, как по предположению Планка свет излучается: - уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта - это частота или длина волны, при которых начинается (или прекращается) фотоэффект.

 

2. Вакуумный фотоэлемент, его вольтамперная и световая характеристики. Инерционный ток и ток насыщения. Запирающий потенциал . Нарисуйте график от частоты падающего света . Что можно найти по графику?

Внутри стеклянного баллона, из которого откачен воздух, имеются два электрода: катод (К) и анод (А).

При освещении катода светом, из него будут вылетать электроны, образуя электронное облако. Часть электронов по инерции достигает анода. Если катод и анод замкнуть вне баллона и присоединить микроамперметр, то прибор покажет ток - инерционный ток ().

Зависимость фототока от напряжения называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента. Начиная с некоторых напряжений, ток перестает увеличиваться, если при этом световой поток остается постоянным. Максимальный ток называется током насыщения ().

Световой характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока насыщения от падающего светового потока. Квантовый подход приводит к прямой пропорциональности тока насыщения световому потоку ~ .

Уравнение Эйнштейна можно записать в виде: и выразить задерживающий потенциал: .

По графику можно найти работу выхода А, красную границу , а по наклону прямой можно определить величину постоянной Планка h.

Задерживающее напряжение (потенциал) - это обратное напряжение, которое нужно приложить между катодом и анодом фотоэлемента, чтобы прекратился фототок

 

 

3. Фотоэффект как взаимодействие фотона со связанным электроном. Покажите, что фотоэффект не может иметь места, если электрон является свободным, не связанным с атомом. Используйте релятивистские соотношения.

 

Тема 4. Эффект Комптона.

1. Эффект Комптона. На основе каких представлений можно объяснить эффект Комптона? Напишите закон сохранения энергии; поясните, почему надо использовать релятивистские формулы. Напишите закон сохранения импульса в векторном и скалярном виде; сделайте чертеж.

 

Эффектом Комптона называется рассеяние веществом электромагнитного излучения, при котором частота рассеянного излучения уменьшается по сравнению с первоначальной, и одновременно наблюдается вылет быстрых электронов. Изменение частоты оказывается различной в зависимости от угла наблюдения.

(написать из реферата)

 

 

Импульс и энергия электрона до столкновения пренебрежимо малы по сравнению с импульсом и энергией фотона (), т.е. электрон можно считать свободным. После столкновения фотон отклоняется от первоначального направления под углом q, а его энергия уменьшается и становится равной hn. Электрон получает импульс и кинетическую энергию и летит под углом j.

Закон сохранения импульса:

Закон сохранения энергии: - энергия падающего фотона; - энерг. рассеянного фотона; - кинетическая энергия электрона отдачи.

2. Опишите эффект Комптона. Напишите формулу для изменения длины волны падающего излучения. При каких углах рассеяния изменение максимально и минимально? Что такое комптоновская длина волны электрона? Почему эффект Комптона не наблюдается для видимого света?

Изменение длины волны при комптоновском рассеянии излучения (на свободном электроне).

Из формул следует, что комптоновское изменение длины волны не зависит от природы рассеивающего вещества, а определяется только углом наблюдения: .

Комптоновская длина волны электрона: .

q=0°	Dl=0
q=90°	Dl=
q=180°	Dl=2

Комптоновское рассеяние наблюдается только для рентгеновских и гамма-лучей. В этом случае изменение длины волны сравнимо с длиной волны падающего излучения, и может быть измерено экспериментально. Для видимого света обнаружить эффект Комптона невозможно, т.к. максимальное изменение Dl=0,48пм слишком мало по сравнению со средней длиной световой волны

l»500нм=500000пм (зеленый свет) и перекрывается тепловым уширением спектральных линий.