Тепловое излучение и люминесценция

 

Схема исследования:

В современном  виде законы внешнего фотоэффекта формулируются  следующим образом:

2. Максимальная  начальная скорость (максимальная  начальная кинетическая энергия)  фотоэлектронов не зависит от  интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

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

В 1905 г. Эйнштейн выдвинул смелую идею, обобщавшую гипотезу квантов, и положил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта).

Согласно Эйнштейну  свет с частотой ν не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых

   hn 

 

Эффект Комптона

 

Комптон занимался  изучением рассеяния коротковолнового света (в действительности рентгеновского излучения) различными веществами и  обнаружил, что частота рассеянного света меньше частоты падающего света.

Уменьшение  частоты указывало на потерю энергии.

Комптон показал, что обнаруженный им эффект можно  объяснить на основе фотонной теории света, т.е. соударением налетающих фотонов с электронами вещества

Применив к столкновениям  фотонов и электронов законы сохранения энергии и импульса, Комптон установил, что энергии рассеянных фотонов, предсказываемые фотонной теорией, полностью согласуются с экспериментальными данными.

Опыты показали, что разность

не зависит от длины волны λ падающего излучения и природырассеивающего вещества, а определяется только углом рассеивания φ

Где λ1   – длина волны рассеянного излучения,λе  – комптоновская длина волны При рассеянии фотона на электроне                       

 

 

Фотоны

 

В 1905 г. Эйнштейн выдвинул смелую идею, обобщавшую гипотезу квантов, и положил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта).

Согласно Эйнштейну  свет с частотой ν не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых

   hn 

Таким образом, распространение света нужно  рассматривать не как непрерывный  волновой процесс, а как поток  локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме с. Квант электромагнитного излучения получил название фотон.

Итак, мы можем  измерить энергию вылетевшего электрона, исходя из волновой и фотонной теории.

Чтобы ответить на вопрос какая теория предпочтительней, рассмотрим некоторые детали фотоэффекта

Начнем с  волновой теории, и предположим, что пластина освещается монохроматическим светом.

Световая волна  характеризуется параметрами: интенсивностью и частотой (или длиной волны). 

Волновая теория предсказывает, что при изменении  этих характеристик происходят следующие  явления:

При увеличении интенсивности света число выбитых  электронов и их максимальная энергия  должны возрастать, т.к. более высокая  интенсивность света означает большую амплитуду электрического поля, а более сильное электрическое поле вырывает электроны с большей энергией.

Частота света  не должна влиять на кинетическую энергию  выбитых электронов.

Кинетическая  энергия зависит только от интенсивности  падающего света.

Совершенно  иное предсказывает фотонная (корпускулярная) теория.

Прежде всего, заметим, что в монохроматическом  пучке все фотоны имеют одинаковую энергию (равную hν).

Увеличение  интенсивности светового пучка  означает увеличение числа фотонов  в пучке, но не сказывается на их энергии.

Объяснить уравнение  Эйнштейна

Записать уравнение  Эйнштейна.

Объяснить внешний  фотоэлектрический эффект с точки  зрения квантовой.

Нарисовать  график зависимости uз от частоты n.

Как можно определить постоянную Планка!

О фотоне

Фотон обладает энергией E=hn

Фотон обладает инертной массой:

 

Фотон – частица, не обладающая массой покоя.

 Она может  существовать только двигаясь  со скоростью света c.

1. Опыт Боте 

Опыт Боте (1924 г.). В этом опыте  тонкая металлическая фольга Ф освещалась рентгеновскими лучами малой интенсивности, вызывающими в фольге слабую рентгеновскую  флюоресценцию (послесвечение). Рентгеновское  излучение от фольги попадало на два счетчика ионизирующего излучения Сч1 и Сч2 (счетчики Гейгера). Чувствительность таких счетчиков настолько велика, что они могут регистрировать отдельные рентгеновские кванты. Срабатывая, счетчики приводили в действие механизмы самописцев М1 и М2, делающие отметки на движущейся ленте Л. В результате получено, что отметки на ленте от двух самописцев, связанные с моментами попадания в счетчики рентгеновских квантов, абсолютно случайны. Этот факт можно было объяснить лишь беспорядочным попаданием рентгеновских квантов, рассеиваемых фольгой то в одном, то в другом направлении, тогда как согласно волновым представлениям излучение от источника должно распространяться равномерно во все стороны.

2. Импульс фотона

Фотон - материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).

Основные свойства фотона 
1. Является частицей электромагнитного поля. 
2. Движется со скоростью света. 
3. Существует только в движении. 
4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Энергия фотона: 

Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как , Отсюда - масса фотона.

Импульс фотона . Импульс фотона направлен по световому пучку. Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

3. Давление света. 

В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений  об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать  давление на препятствие (благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v - направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны).

Квантовая теория света объясняет  световое давление как результат  передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен . Световое давление:

При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают  абсолютно упругим, поэтому изменение  импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (удар неупругий).

Это давление оказалось ~4.10-6 Па. Предсказание Дж. Максвеллом существования светового  давления было экспериментально подтверждено П. Н. Лебедевым, который в 1900 г. измерил  давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали. Опыты П. Н. Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом