Квант_физ_2_2021

1. Квантовая физика

I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
Фотоэффект. Виды фотоэффекта.
Законы фотоэффекта.
Фотоны. Масса и импульс фотона.
Уравнение Эйнштейна для внешнего
фотоэффекта.
Давление света.
Эффект Комптона.
Диалектическое единство корпускулярных и
волновых свойств света.

2. Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом
называется испускание электронов
под действием света.
Электроны, вылетевшие из
вещества при внешнем
фотоэффекте, называются
фотоэлектронами.
Электрический ток, образуемый
при упорядоченном движении
фотоэлектронов во внешнем
электрическом поле, называется
фототоком.

3. Внутренний фотоэффект

Внутренним фотоэффектом называется
перераспределение электронов по энергетическим
состояниям в полупроводниках и диэлектриках,
происходящее под действием света.
При этом электроны переходят из связанных
состояний в свободные внутри полупроводника или
диэлектрика без вылета наружу.
В результате число носителей тока (свободных
электронов) внутри тела увеличивается, что
приводит к увеличению фотопроводимости
(повышению электропроводности полупроводника
или диэлектрика при его освещении).

4. Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект –
возникновение эдс (фотоэдс)
при освещении контакта двух
разных полупроводников или
полупроводника и металла
(при отсутствии внешнего
электрического поля).
Вентильный фотоэффект
позволяет преобразовать
световую энергию в
электрическую (кремниевые
фотоэлементы).

5. Внешний фотоэффект

Схема установки для изучения
внешнего фотоэффекта.
В вакуумной трубке расположены
катод (К) и анод (А).
Через кварцевое окно свет падает
на К.
R – потенциометр, с помощью
которого можно менять напряжение
между катодом и анодом
(измеряется вольтметром V).
П – переключатель, с помощью
которого можно менять знак
напряжения.
мА – миллиамперметр для
измерения силы тока.

6. Внешний фотоэффект

Световой поток имеет характеристики.
Потоком излучения Фэ называется средняя
мощность оптического излучения (энергия в
единицу времени).
Энергетической освещенностью Еэ
поверхности называется поток падающего на
эту поверхность излучения, отнесенный к
единице её площади.

7. Вольт амперная характеристика фотоэлемента

Зависимость фототока в трубке от разности
потенциалов между катодом и анодом при
постоянной освещенности называется вольт
амперной характеристикой.

8. Вольт амперная характеристика фотоэлемента

Существование фототока при значениях напряжения
между К и А от 0 до –Uз свидетельствует о том, что
фотоэлектроны выходят из катода имея некоторую
начальную скорость и соответственно кинетическую
энергию.
Максимальная начальная скорость фотоэлектронов
связана с задерживающим напряжением соотношением
mv2max / 2 = e Uз
Фототок увеличивается с ростом напряжения лишь до
определенного значения IH , называемого фототоком
насыщения. При фототоке насыщения все электроны,
вылетающие из катода под действием света, достигают
анода.

9. 1 закон фотоэффекта

Сила фототока насыщения IH
пропорциональна энергетической
освещенности катода E.
При определенной частоте
падающего света число
электронов, вырываемых из
катода в единицу времени,
пропорционально
интенсивности падающего
света.
Е2 > Е1

10. 2 закон фотоэффекта

Максимальная начальная
скорость фотоэлектронов не
зависит от интенсивности
падающего света, а
определяется только его
частотой.
Максимальная начальная
скорость линейно
возрастает с увеличением
частоты.

11. 3 закон фотоэффекта

12. Объяснение фотоэффекта

Фотоэффект не объясним с точки зрения
волновой природы света.
Квантовая природа света позволила успешно
объяснить законы внешнего фотоэффекта.
Эйнштейн высказал гипотезу о том, что свет
не только излучается, но распространяется и
поглощается в виде квантов или фотонов.
В случае поглощения света веществом
каждый поглощенный фотон передает всю
свою энергию частице вещества.

13. Объяснение фотоэффекта

При внешнем фотоэффекте электрон
проводимости металла, поглощая фотон,
получает его энергию.
Для выхода из металла должна
совершиться работа.
Работой выхода называется наименьшая
энергия, которую необходимо сообщить
электрону, чтобы удалить его из твердого
или жидкого вещества в вакуум.

14. Уравнение Эйнштейна. Масса и импульс фотона.

2
mVmax
h
Aвых
2
Из данного уравнения вытекают все законы
фотоэффекта.
hν – энергия фотона.
Фотон всегда движется со скоростью света с.
Массу можно найти из уравнения hν = mc2 m = hν /c2
Масса покоя фотона равна 0.
Импульс фотона P = mV = hν/c = h/λ.
Если ввести волновое число k = 2π/λ и ћ = h/2π, то
P= ћk

15. Давление света. Опыт П.Н. Лебедева.

16. Давление света

Давление света определяется
формулой
P = no hν (1+R) cos2 θ
no – концентрация фотонов
падающего света.
no hν – среднее значение
объемной плотности энергии
света.
R – коэффициент отражения.
θ – угол падения фотонов.

17. Эффект Комптона

Эффектом Комптона называется изменение длины
волны рентгеновского излучения (λ<10 нм) при его
рассеянии веществом, содержащим легкие атомы.
У легких атомов энергия связи электрона с атомом
значительно меньше энергии рентгеновского
излучения.
Опыты Комптона показали, что длина волны
рассеянного излучения λ′ больше длины волны
падающего излучения λ.
Δλ = λ′ - λ = 2 λк sin2 (θ/2)
λк = 2,43 10-12 – комптоновская длина волны.
θ – угол рассеяния.

18. Эффект Комптона

Упругое столкновение
фотона hv и электрона moc2.
Фотон отдает электрону
часть своей энергии и
импульса.
Уменьшение энергии фотона
означает увеличение длины
волны рассеянного
излучения λ′ = (c /v′).
Электрон приобретает
импульс mV и энергию mc2
и называется электроном
отдачи.

19. Корпускулярно-волновая двойственность света.

Интерференция, дифракция и поляризация
свидетельствуют о волновой природе света.
Законы теплового излучения, фотоэффекта и эффект
Комптона можно объяснить только с точки зрения
квантовой физики.
Волновой и квантовый способы описания света не
противоречат, а дополняют друг друга.
Чем больше длина волны, тем труднее обнаружить
квантовые свойства света.