Головна

Тема 13. Корпускулярна оптика. Фотоефект і ефект Комптона

  1. IBM Team Unifying Platform. Ефективна організація спільної роботи над проектом
  2. II ПРЯМИЙ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ
  3. II. Ефект фінансового важеля.
  4. III. Етап «ефект флюідності». Підсвідоме сприйняття людини
  5. IV ЗВОРОТНЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ
  6. U Характеристика найбільш ефективних в діловому спілкуванні питань.
  7. V2: Зовнішні ефекти і суспільні блага

згідно квантової гіпотези Планка-Ейнштейна світло частотою n випускається, поширюється і поглинається речовиною окремими порціями (квантами), енергія яких eо=hn (h - Постійна Планка). Ці локалізовані в просторі дискретні світлові кванти, які рухаються зі швидкістю с поширення світла у вакуумі, отримали назву фотонів. Таким чином, поширення світла можна розглядати не як безперервний хвильовий процес, а як потік частинок - фотонів. Доказом цих квантових (корпускулярних) уявлень про світло, як про потік частинок, є фотоефект и ефект Комптона.

зовнішнім фотоефектом називається випускання електронів речовиною під дією електромагнітного випромінювання. Явище зовнішнього фотоефекту і його закономірності пояснені на основі квантової теорії фотоефекту, Згідно з якою кожен квант світла поглинається тільки одним електроном.

енергія hn падаючого на метал фотона витрачається на вчинення електроном роботи виходу А з металу і на повідомлення вилетів фотоелектронна кінетичної енергії, тобто за законом збереження енергії:

(рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту).

З цього рівняння випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає зі збільшенням частоти падаючого випромінювання і не залежить від його інтенсивності, тобто від числа фотонів. Так як зі зменшенням частоти світла кінетична енергія фотоелектронів зменшується, то при деякій частоті n=n0 кінетична енергія фотоелектронів стане рівною нулю і в тому випадку енергія фотона hn0 дорівнює роботі виходу А, З чого випливає, що n0=А/h (частота n0 носить назву червоною кордону фотоефекту). при частоті n 0 фотоефекту не буде.

Маса і імпульс фотона.Згідно квантової гіпотези Планка-Ейнштейна, поширення світла можна розглядати як потік часііц - фотонів, енергія яких e0= hn . Тоді з рівняння Ейнштейна взаємозв'язку маси і енергії E = mc2 випливає, що маса фотона:

.

Фотон рухається зі швидкістю світла с, Тому імпульс р фотона:

.

Отримані вирази пов'язують корпускулярні характеристики фотона - масу, імпульс і енергію - з хвильової характеристикою світла - його частотою n (Або його довжиною хвилі l).

Корпускулярні властивості світла виявляються в ефекті Комптона.

ефектом Комптона називається збільшення довжини хвилі короткохвильового електромагнітного випромінювання при його пружному розсіянні на вільних електронах речовини. Досліди Комптона показали, що різниця довжин хвиль розсіяного (l ') І падаючого (l) Електромагнітного випромінювання, тобто величина Dl = l'-l не залежить від довжини хвилі l падаючого випромінювання і природи розсіює речовини (РВ), а визначається тільки кутом розсіювання q, Тобто кутом між напрямами променів до і після розсіювання (рис. 29):

 , де  -комптоновская довжина хвилі.

 Ефект Комптона не вкладається в рамки хвильової теорії світла, і його пояснення дано на основі квантових уявлень про природу світла. Якщо розглядати випромінювання, як потік фотонів, то ефект Комптона - це результат пружного зіткнення рентгенівських фотонів з вільними електронами розсіює речовини. В процесі цього зіткнення фотон передає електрону частину свого енергії, що веде до збільшення довжини хвилі при розсіюванні фотона.

(На малюнку 29 введені наступні позначення: p и p ' - Імпульси фотона до і після розсіювання; pe - Імпульс електрона після розсіювання на ньому фотона).

Виходячи із законів збереження імпульсу і енергії
 Мал. 11
 для пружного зіткнення двох частинок (рис. 29) - налітає фотона з спочиваючим вільним електроном речовини, було отримано такий вираз для величини Dl:

 , де пм.

Цей вислів для величини Dl, Отримане на основі корпускулярних уявлень про світло, виявилося аналогічно до наведеного вище висловом для величини Dl, Отриманого Комптоном експериментально.

Отже, ефект Комптона є експериментальним доказательст-вом прояви корпускулярних властивостей світла як потоку частинок - фотонів. Отже, розглянуті явища фотоефекту і ефекту Комптона служать доказом квантових (корпускулярних) уявлень про світло як про потік фотонів, а, з іншого боку, такі явища, як інтерференція, дифракція і поляризація світла підтверджують хвильову природу світла. Таким чином, світло, володіючи одночасно корпускулярним і хвильовими властивостями, виявляє так званий корпускулярно-хвильовий дуалізм.

Тема 14. Теплове випромінювання

Випромінювання світла тілами, обумовлене їх нагріванням, називається тепловим випромінюванням. Кількісно теплове випромінювання характеризується спектральним-ної щільністю енергетичної світності тіла,тобто потужністю випромінювання з одиниці площі поверхні тіла в інтервалі частот одиничної ширини:

 , де

 - Енергія випромінювання, що випускається за одиницю часу з одиниці площі поверхні тіла в інтервалі частот від n до n + dn .

Спектральну щільність енергетичної світностіможна представити у вигляді функції довжини хвилі l , Тобто у вигляді Rl,T , Причому:

.

За допомогою цієї формули можна перейти від Rn,T к Rl,T і навпаки.

Знаючи спектральную щільність енергетичної світності, можна обчислити інтегральну енергетичну світністьRT :

.

Здатність тел поглинати падаюче на них випромінювання характеризується спектральної поглинальної здатністю Аn,T :

,

яка б показала, яка частка енергії, принесеної за одиницю часу на одиницю площі поверхні тіла падаючими на неї електромагнітними хвилями з частотами від n до n + dn , Поглинається тілом.

Тіло, здатне поглинати повністю при будь-якій температурі все падаюче на нього випромінювання будь-якої частоти, називається чорним тілом. Отже, спектральна поглинальна здатність чорного тіла для всіх частот і температур тотожно дорівнює одиниці ( ).

закон Кірхгофа. Кірхгоф установив, що відношення спектральної щільності енергетичної світності Rn,T до спектральної поглинальної здатності Аn,T не залежить від природи тіла; воно є для всіх тіл універсальною функцією rn,T частоти n (Або довжини хвилі l) І температури Т:

.

Для чорного тіла , Тому із закону Кірхгофа випливає, що універсальна функція Кірхгофа rn,T - Це спектральна щільність енергетичної світності Rn,T чорного тіла. Тоді вираз для інтегральної енергетичної світності чорного тіла Re можна записати у вигляді:

.

Енергетична світність чорного тіла Re залежить тільки від температури.

Закон Стефана - Больцмана. Відповідно до закону Стефана - Больцманаенергетична світність чорного тіла Re залежить від температури Т наступним чином:  , де s - Постійна Стефана - Больцмана.

 Мал. 30
Закон зміщення Віна. З експериментальних кривих залежності функції rl,T від довжини хвилі l при різних температурах (рис. 30) слід, що розподіл енергії в спектрі абсолютно чорного тіла є нерівномірним. Всі криві мають яскраво виражений максимум, який у міру підвищення температури зміщується в бік більш коротких хвиль.

згідно закону зміщення Віна, залежність довжини хвилі lmax , Що відповідає максимуму функції rl,T, Від температури має вигляд:  , де b - Постійна Вина.

Цей вислів називають законом зміщення Вина, так як воно показує зміщення положення максимуму функції rl,T зі зміною температури Т .

Тема 15. Теорія Бора для атома водню. Спектр атома водню


ХВИЛЬОВА І КВАНТОВА ОПТИКА | Магнітне поле в центрі кругового провідника із струмом | Рівняння вільних незатухаючих гармонічних коливань | Тема 7. Рівняння вільних згасаючих гармонійних коливань. | | Тема 11. Дифракція світла. дифракція Фраунгофера | Додаткова тема. Рівняння Максвелла для стаціонарних електричного і магнітного полів |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати