Тема 2. Квантовая природа света 2.1. Внешний фотоэлектрический эффект Это явление было открыто Г.Герцем в 1887 г. и подробно изучено в работах А.Г.Столетова. 1839— 1896 1857— 1894 Конденсатор А.Г.Столетова. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света Схема опыта Столетова. Вольтамперная характеристика Максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты. Ток насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку
Iнас Ф. Фотоэффект начинается только с некоторой частоты ω0, при ω < ω0 (λ > λ0) фотоэффект отсутствует.
- Красная граница фотоэффектаПредположение Эйнштейна: Электромагнитные волны поглощаются такими же квантами, как и излучаются. Энергия кванта передается электрону, часть ее затрачивается на отрыв электрона с поверхности вещества, а оставшаяся часть – это кинетическая энергия фотоэлектрона.
Работой выхода А называется энергия, которую необходимо затратить, чтобы оторвать электрон с поверхности вещества. Уравнение фотоэффекта (уравнение Эйнштейна) (2.1) Если
hν <
A, то фотоэффект отсутствует. (2.2)
Задача 2.1 Красная граница фотоэффекта для цинка составляет 310 нм. Определить максимальную кинетическую энер- гию (в электрон-вольтах) фотоэлектронов и задержива-ющую разность потенциалов, если на цинк падает ультрафиолетовое излучение с длиной волны 200 нм.
Дано: λ0 = 310 нм = 0,31·10-6 м λ = 200 нм = 0,2·10-6 м
WKmax - ?
UЗ - ?
2.2. Фотоны Электромагнитное излучение не только испускает-ся, поглощается, но и распространяется в виде отдельных квантов
(фотонов).
Опыт Боте:Энергия фотона
определяется его частотой ():
, где
или длиной волны :
Масса фотона:
(2.3)
В вакууме v = c
В среде
Импульс фотона:
(2.4)
(2.5)
Три корпускулярные характеристики фотона (энергия, масса, импульс) связаны с его волновой характеристикой (частотой).
2.3. Эффект Комптона
1892 - 1962
1923 г.
Эффект Комптона можно объясняется тем, что про-цесс рассеяния представляет собой упругое столкнове-ние рентгеновского фотона с почти свободными электронами.
Фотон до столкновения:
Электрон до столкновения:
Фотон после столкновения:
Электрон после столкновения:
Из законов сохранения энергии и импульса:
(2.6)
(2.7)
Разделим (2.6) на с (ω/с = k)
(2.8)
Возведем (2.8) в квадрат
(2.9)
(2.10)
Возведем (2.7) в квадрат
Сравним (2.9) и (2.10)
(2.11)
Умножим (2.11) на
(2.12)
(2.13)
- комптоновская длина волны
2.4. Давление света.
Опыт П. Лебедева (1900 г.)
Зеркальный лепесток:
Зачерненный лепесток:
dt N
(2.14)
Коэффициент отражения ρ – часть фотонов, отразившихся от площадки.
До соударения:
После соударения:
Волновые свойстваКорпускулярные свойства - интерференция - излучение ЭМ волн - дифракция - фотоэффект - поляризация - эффект Комптона Чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства и тем слабее – волновые. (2.15)