22. Гипотеза М. Планка о квантах. Фотоэффект. Опыты А. Г. Столетова. Уравнение А. Эйнштейна для фотоэффекта. Фотон icon

22. Гипотеза М. Планка о квантах. Фотоэффект. Опыты А. Г. Столетова. Уравнение А. Эйнштейна для фотоэффекта. Фотон


2 чел. помогло.
Смотрите также:
Тема урока: Фотоэлектрический эффект. Экспериментальные законы внешнего фотоэффекта. Фотон...
Лабораторная работа №304...
Тема урока: «Фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна»...
Тепловидение
Содержание лекций 3-го семестра Лекция 1...
«Фотоэффект»
Квантовая физика...
План урока: Актуализация знаний по теме «Шкала электромагнитных колебаний»...
Доклад на международном научном конгрессе «Фундаментальные проблемы естествознания»...
Специальная теория относительности а...
Применение цифровых методов обработки сигналов в спектрометрическом тракте прибора “наталья-2М”...
Задачи с начальным условием. Квазиклассическое приближение. Критерий применимости...



Загрузка...
скачать




22. Гипотеза М.Планка о квантах. Фотоэффект. Опыты А.Г.Столетова. Уравнение А.Эйнштейна для фотоэффекта. Фотон. Опыты П.Н.Лебедева и С.И.Вавилова.


На рубеже 19 и 20 веков (±30 лет) у физиков накопилось значительное количество экспериментальных фактов, обнаруженных в самых разных областях физики, которые не удавалось объяснить с помощью классической физики, основанной на законах Ньютона и теории электромагнитного поля Максвелла. К ним относятся:


  1. Особенности теплового излучения нагретых тел. В частности, распределение плотности энергии по длинам волн в равновесном тепловом излучении.

  2. Открытая Беккерелем радиоактивность.

  3. Существование спектров излучения и поглощения света веществом.

  4. Особенности открытого Генрихом Герцем фотоэффекта. Существование красной границы фотоэффекта, открытое Гальваксом, и другие.

  5. Особенности процесса фотографии, связанные с механизмом получения скрытого изображения. Свет, обладающий волновыми свойствами, при засвечивании зерен фотопленки «локализуется» в области, размеры которой значительно меньше длины волны.

  6. Открытые Томсоном отрицательно заряженные частицы электроны при взаимодействии с препятствиями проявляют свойства волн. Длина волны связана с импульсом электрона обратной пропорцией. При взаимодействии с веществом (той же фотопластинкой) электроны тоже локализуются в области, размеры которой значительно меньше соответствующей длины волны.

  7. Особенности зависимости теплоемкости газов и твердых тел от температуры.

  8. Открытые в экспериментах Резерфорда особенности строения атомов.

  9. Обнаружение дискретной природы света в экспериментах Вавилова.

  10. Эффект Комптона, проявляющийся при взаимодействии рентгеновского излучения с веществом.

  11. Неизвестная природа источника энергии, поддерживающего практически неизменным в течение миллиардов лет свечение Солнца и других звезд.

  12. Обнаруженная экспериментально независимость скорости света от выбора инерциальной системы отсчета.

  13. Влияние гравитации на электромагнитное излучение.


Этот список можно было бы продолжать и продолжать.

Некоторые из этих явлений мы рассмотрим достаточно подробно, другие вскользь, но главное, на что я надеюсь, - это на то, что заинтересовавшиеся поднятыми вопросами самостоятельно смогут найти подробности в серьезных книжках. За некоторые открытия физики 20 века получили Нобелевские премии – каждое из них приоткрывало одну из тайн устройства окружающего нас мира. Советую Вам почитать лекции лауреатов, произнесенные ими при вручении премий. Каждая лекция показывает путь мыслей, который привел к выдающемуся открытию. На основании разрозненных фактов и идей в каждом случае придумывались оригинальные эксперименты или идейные «ходы», которые вели к пониманию сути явлений. Эта литература не менее захватывает при чтении, чем детективы. Здесь также есть следы «преступлений», «вещественные доказательства», «следственные эксперименты». От исследователя здесь тоже требуется умение сопоставить факты, найти «внутренние пружины» и составить модель, которая объясняла бы то, что обнаружено в эксперименте.
^

Свойства света


То, что свет переносит с собой энергию, или сам является энергией, ни у кого не вызывает сомнений. Для тех, кто сомневается, можно предложить вспомнить, как они греются на Солнце летом. Плотность энергии электромагнитного поля в соответствии с Максвелловской теорией определяется мгновенными значениями векторов напряженности электрической компоненты поля Е и индукции магнитного поля В. Она равна сумме плотностей энергии электрического и магнитного поля.

Введем два (новых для нас) вектора: вектор электрической индукции D=εε0E , связанный с вектором напряженности электрического поля Е, и вектор напряженности магнитного поля, связанный с вектором индукции магнитного поля В соотношением В=μμ0Н. Если использовать эти два вектора, то уравнения, связывающие электрические и магнитные поля приобретают более простой вид. Например, плотности энергии электрического и магнитного полей равны:

WE=(DE)/2, WВ=(ВН)/2.

Направление потока энергии в пространстве определяется также мгновенными значениями этих двух векторов. Вектор Р = ЕВ/μμ0 равен вектору потока энергии в пространстве и носит название: вектор Пойнтинга.

Вектор Пойнтинга – вектор плотности потока энергии в пространстве – находится через векторы напряженностей электрического и магнитного поля так:

Р = ЕН.

Наблюдения за кометами, хвосты которых в подавляющем большинстве случаев направлены в сторону «от Солнца», подсказывает, что свет несет с собой импульс. Прямое экспериментальное измерение силы давления света на конденсированные тела и на газы впервые провел П.Н. Лебедев.

Вектор плотности потока импульса р в плоской электромагнитной волне связан с вектором Пойнтинга:

ср = ЕН.

Многочисленные эксперименты показывают, что свет обладает свойствами волны – или сам является волной. В то же время были открыты и такие свойства света, которые не могут быть объяснены, если рассматривать свет только как волну, то есть с точки зрения классической физики противоречат его волновой природе.
^

Взаимодействие излучения и вещества


Нагревание различных предметов приводит к тому, что ими в окружающее пространство излучается энергия в форме электромагнитных волн (света). При тепловом равновесии тела обмениваются энергией в виде излучения, то есть и излучают и поглощают свет. Равновесное тепловое излучение явилось интересным объектом исследования. Свойства этого излучения никак не удавалось объяснить, исходя из известных законов классической физики. Самым «крепким орешком» оказалось распределение плотности энергии такого излучения по частотам (или длинам волн) в зависимости от температуры. При рассмотрении теплового равновесия совершенно неважно, какими свойствами обладает физическое тело, которое участвует в тепловом обмене с равновесным излучением, лишь бы этот обмен энергией осуществлялся.

Выход из положения нашел в 1900 году Макс Планк. В качестве тела, взаимодействующего с излучением, Планк рассмотрел модельные молекулы = материальные точки на пружинках, имеющие массу и электрический заряд. Каждый такой осциллятор имел определенную резонансную частоту колебаний. Им была угадана (подобрана) формула, которая удивительно точно описывала распределение плотности энергии равновесного теплового излучения при всех температурах. Для объяснения справедливости этой формулы Планк отказался от классической идеи о том, что движущиеся ускоренно заряженные частицы непрерывно излучают или поглощают электромагнитные волны. Предположение о том, что такое излучение или поглощение происходит «прерывно», то есть энергии «осцилляторов» меняются дискретно, привело к тому, что была впервые высказана идея квантов, идея, в соответствии с которой энергия и осцилляторов и излучения меняется скачками – фиксированными порциями. Величина «порции» зависит от частоты излученного или поглощенного света:

.

Фотоэффект


Явление фотоэффекта (внешнего) в процессе исследования электромагнитных волн впервые обнаружил Генрих Герц. Это открытие было совершено как «побочное» или добавочное к главному исследованию. Электромагнитные волны Герц получал, разряжая конденсатор (лейденскую банку) через проволоку, согнутую в виде витка. Этот виток представлял собой индуктивность, магнитное поле которой не замыкается в ограниченном объеме, как это имеет место для тороидальной катушки, а может заполнить всё окружающее пространство. В силу того, что электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью, от колебательного контура, образованного конденсатором и катушкой, во все стороны распространялись волны. В качестве индикатора того, что электромагнитная волна «добралась» до регистрирующего контура, устроенного аналогично излучающему, Герц использовал явление электрического пробоя воздуха. Он заметил, что пробой воздушного промежутка в разрыве контура между металлическими шариками облегчается, если шарики освещены светом дуговой лампы. Такая лампа производила свет не только в видимом диапазоне, но и в диапазоне ультрафиолета. Исследования фотоэффекта велись многими учеными, в том числе и А.Г. Столетовым. Им изучался процесс разряда воздушного конденсатора, заряженного до большой разности потенциалов, под воздействием света. Оказалось, что освещение отрицательно заряженной пластины приводило к разряду конденсатора, а освещение положительно заряженной пластины – нет. Максимальный фототок оказался пропорционален интенсивности светового потока (Столетов).

Гальвакс обнаружил существование так называемой «красной границы» фотоэффекта. При освещении металлов светом с разными частотами (длинами волн) фотоэффект возникает только в том случае, когда длины волн короче определенной характерной для данного вещества длины.

В экспериментах с изменяющимся электрическим полем, при небольших разностях потенциалов пластин (1-10 В), было выяснено, что для любого металла «запирающее ток напряжение» линейно зависит от частоты световых волн. Коэффициент пропорциональности (наклон графика) был для всех металлов одним и тем же. Кроме того, было обнаружено, что не возникает никакой временной задержки между началом освещения вещества и появлением фототока.

Закон сохранения энергии для актов выбивания электронов из вещества записывается в виде:



Здесь ћ =h/(2π), h – постоянная Планка, А – это минимальная работа выхода, а символом Q обозначена энергия, переданная веществу, из которого был выбит электрон.

В принципе, если учесть энергию, связанную с тепловым движением, то возможна и ситуация, когда Q<0, но обычно ее не рассматривают, так как вероятность появления этого события гораздо меньше, чем такого, при котором Q≥0.

Если переданная веществу энергия Q очень мала (равна нулю), то в этом случае выбитый электрон приобрел максимально возможную кинетическую энергию. Тогда выражение для закона сохранения энергии будет записано в виде:



Это выражение называют уравнением Эйнштейна для (внешнего) фотоэффекта.

В этом эффекте проявляется одно из свойств света: нести с собой энергию. Причем эта энергия переносится порциями, которые пропорциональны частоте световых волн. Существование красной границы фотоэффекта указывало на существование определенной «работы выхода» для электронов из вещества. Минимальная работа выхода определяет красную границу фотоэффекта.

Кроме внешнего фотоэффекта известно и явление «внутреннего» фотоэффекта, когда электроны не вырываются за границы материала. Наиболее ярко внутренний фотоэффект проявляется в экспериментах с полупроводниками. В них при освещении светом увеличивается электрическая проводимость, причем это связано не с нагревом материала, а с тем, что в нем под действием света увеличивается количество носителей заряда. Более подробно о внутреннем фотоэффекте разговор будет вестись при изучении полупроводников и современной теории твердых тел, которой в школьной физике дали звучное название «зонная теория».

Само понятие «квант» или порция энергии возникло впервые в работе Макса Планка, который исследовал процесс теплового излучения нагретых тел, находящихся в равновесии со своим тепловым излучением. Он предположил, что вещество испускает и поглощает энергию в этом процессе порциями. Альберт Эйнштейн, рассматривая теоретически процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом и флуктуации плотности энергии излучения, пришел к выводу, что сам свет «квантуется», то есть существует в виде порций, энергии которых пропорциональны частоте света. Кванты света еще называют «фотонами». Слово «фотос» по-гречески означает свет. Современные исследования показывают, что не каждый квант света, падающий на вещество, обязательно вызывает появление фотоэлектрона. Так называемый «квантовый выход», то есть отношение числа выбитых фотоэлектронов к числу упавших квантов света, зависит от сорта вещества и от длины волны света. Характерная его величина для фотонов, длина волны которых, например, меньше, чем длина волны, соответствующая красной границе, в полтора-два раза – 0,01÷0,1. Чем больше энергия кванта света, тем больше и квантовый выход. Для достаточно энергичных квантов света (гамма квантов) возможно выбивание не одного, а многих фотоэлектронов.
^

Эффект Комптона


В экспериментах по фотоэффекту использовались кванты света, энергия которых лишь немного превосходила работу выхода электрона из вещества. Если же освещать вещество очень «энергичными» квантами света, энергия которых во много раз (на порядки) больше чем работа выхода, то этой самой работой выхода можно и вовсе пренебречь. В экспериментах Комптона исследовалась зависимость изменения частоты световых квантов от угла «рассеяния» кванта на электроне. Оказалось, что в полученном спектре частот присутствуют смещенная по частоте и несмещенная по частоте компоненты. В этом первом случае кванты света сталкиваются с «покоящимися» (как бы) или слабо связанными электронами внешних электронных оболочек атома и в соответствии с законами сохранения изменяют и свою энергию, и направление распространения, а вместе с ним и свой импульс. Во втором случае кванты света взаимодействуют с «глубоко» расположенными электронами и ядрами. Масса такой заряженной частицы значительно больше, чем масса электрона. Связанные системы электронов внутренних оболочек и ядер рассеивают кванты света, не получая практически энергии от них. Количественный анализ показал, что кванты света несут с собой импульс, величина которого пропорциональна частоте колебаний световой волны. Энергия Е и импульс Р квантов света связаны соотношением: Е = (Р×С). Здесь С – это скорость света.
^

Случайность, непредсказуемость света


Мы так долго и во всех подробностях занимались волновой оптикой, что никаких сомнений в том, что свет имеет волновые свойства, нет. Однако если в экспериментах с дифракцией или интерференцией фиксировать возникающую картину с помощью фотопленки, то при малых интенсивностях световых потоков можно обнаружить, что «чернеют» только малые участки, размеры которых значительно меньше, чем длина волны света. Зерно бромистого или йодистого серебра, поглотившее хотя бы одну «порцию» света, в процессе проявки полностью «разлагается» на серебро и галоген. Поэтому возникает «усиление», которое в зависимости от размеров зерна-кристалла может достигать величины 103 и больше. Создав поток, который в среднем по времени соответствует, например, поглощению на фотопластинке 100 порций-квантов света в секунду, и, освещая фотопластинку в течение 1 секунды, мы будем от эксперимента к эксперименту получать число пятнышек около 100 (90 – 110). Пятнышки каждый раз будут располагаться случайным образом. Предсказать, какой именно из кристалликов поглотит квант света, и в данной точке возникнет при проявке пятно, невозможно. Из этого эксперимента следует, что свет имеет вероятностную природу и «локализуется» в области, которая значительно меньше, чем длина волны, то есть имеет природу «частицы». В тех местах, где наблюдается максимумы в интерференционной картине, частицы света возникают (локализуются) чаще, а там, где располагаются минимумы, не возникают вовсе.

Интерпретацию этого придумал Альберт Эйнштейн. Он предложил считать, что квадрат вектора напряженности электрического поля в некоторой точке пространства пропорционален плотности вероятности обнаружить вблизи этой точки квант света – частицу.
^

Свет – волны, частицы, вероятность


Суммируя все свойства света, нужно сказать, что свет несет с собой энергию и импульс и может локализоваться в области, размеры которой много меньше, чем длина волны, то есть он обладает свойствами частицы. С другой стороны свет – это волна, которая может участвовать в процессах интерференции и дифракции. «С третьей стороны» при «локализации» частицы проявляется вероятностный характер света. Невозможно предсказать, вблизи какой именно точки пространства свет в очередной раз «локализуется».

Вполне макроскопические эксперименты со светом, которые выявляют его дискретную и вероятностную природу, провел С.И. Вавилов. В этих экспериментах роль регистрирующего свет прибора играл человеческий глаз. Экспериментатор долго привыкал к темноте в комнате, при этом адаптация зрения к темноте приводила к увеличению чувствительности глаза. Пучок света, направляемый в глаза исследователя, ослаблялся настолько, что в среднем в глаз попадали единицы квантов света за секунду. При таком характере освещения глаз реагировал на свет в режиме «есть/нет». Наблюдался флуктуационный и дискретный характер освещения.




Скачать 103,25 Kb.
оставить комментарий
Дата09.11.2011
Размер103,25 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

плохо
  5
не очень плохо
  1
хорошо
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх