Свтовые кванты

1. СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ

2. ЗАВЕРШЕНИЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики
завершилось по следующим причинам:
Больше 200 лет существуют законы механики, теория
всемирного тяготения.
Разработана МКТ.
Подведен прочный фундамент под термодинамику.
Завершена теория электромагнетизма Максвеллом.
Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии,
импульса, момента импульса, массы и электрического
заряда).

3. ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ НАЧАЛА XX в.

В конце XIX - начале XX в. открыты:
X-ЛУЧИ (рентгеновские лучи, В. Рентген),
ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ (А. Беккерель),
ЭЛЕКТРОН (Дж. Томсон).
Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.
Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного
пересмотра понятии пространства и времени.
Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы
Дж.Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было
предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми
телами обусловлено колебательным движением электронов. Но
это предположение нужно было подтвердить сопоставлением
теоретических и экспериментальных данных.

4. I. ЗАРОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

•ПРОБЛЕМА «УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ КАТАСТРОФЫ»:
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ – излучение нагретых тел
Модель абсолютно черного тела –
небольшое отверстие в замкнутой полости
Абсолютно черное тело – модель тела
полностью поглощающего (излучающего).
электромагнитные волны любой длины
• Проблема сводится к изучению спектрального состава
излучения абсолютно черного тела. Решить эту проблему
классическая физика оказалась не в состоянии.

5. Закон Рэлея - Джинса

Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку
более строгого теоретического вывода закона
распределения энергии, но закон приводил к
хорошему совпадению с опытами в области
малых частот.

6. Закон Стефана - Больцмана

Австрийские физики И.Стефан и Л.Больцман
экспериментально установили: полная энергия,
излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с
единицы поверхности, пропорциональна
четвертой степени абсолютной температуры.
W E T
4
• где = 5,67.10-8 Дж/(м2.К.с) — постоянная СтефанаБольцмана.
Роль закона: закон Стефана — Больцмана
позволил вычислить энергию излучения
абсолютно черного тела по известной
температуре.

7.

max T const
При заданном значении температуры Т
интенсивность излучения черного тела
максимальна и соответствует
определенному значению длины волны
.
Закон В. Вина: при изменении
температуры длина волны, на которую
приходится максимальная энергия,
убывает обратно пропорционально
температуре,
Используя законы термодинамики,
В.Вин получил закон распределения
энергии в спектре черного тела,
который совпадал с
экспериментальными результатами
лишь в области больших частот.

8. МАКС ПЛАНК (ГЕРМАНИЯ)

Заслуга в этом принадлежит
выдающемуся немецкому
физику Максу Планку. Ему
удалось решить проблему
спектрального распределения
света, излучаемого нагретыми
телами, перед которой
классическая физика оказалась
бессильной.

9. ГИПОТЕЗА ПЛАНКА (1900 г.)

Атомы испускают
электромагнитную
энергию отдельными
порциями —
квантами.
Энергия Е каждой
порции прямо
пропорциональна
частоте излучения:
h
2
1,055 10
E h
h=6,63·10-34 Дж·с — постоянная Планка.
34
Дж с 6,59 10
16
эВ с

10. ФОТОЭФФЕКТ

1897 г - Г. Герц (Германия) – открытие явления
1898 - 90 гг. - А.Г.Столетов (Россия) –
экспериментальное установление законов
ФОТОЭФФЕКТ - явление вырывания
электронов из металла под действием
света

11. Столетов Александр Григорьевич (1839-1896)

• Количественные
закономерности
фотоэффекта были
установлены
А.Г.Столетовым
(1888—1889).

12. ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Опыт Г. Герца (1888 г.):
при облучении
ультрафиолетовыми лучами
электродов, находящихся
под высоким напряжением,
разряд возникает при
большем расстоянии между
электродами, чем без
облучения.

13.

НАБЛЮДЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА:
1. Цинковую пластину,
соединенную с
электроскопом, заряжают
отрицательно и облучают
ультрафиолетовым светом.
Она быстро разряжается.
Если же ее зарядить
положительно, то заряд
пластины не изменится.

14. НАБЛЮДЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА:

2. Ультрафиолетовые лучи,
проходящие через сетчатый
положительный электрод,
попадают на отрицательно
заряженную цинковую
пластину и выбивают из нее
электроны, которые
устремляются к сетке,
создавая фототок,
регистрируемый
чувствительным
гальванометром.

15. НАБЛЮДЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА:

16.

Катод K
Источник монохроматического
света длины волны λ
Кварцевое окошко
Анод А
Двойной ключ
для
изменения
полярности
• Стеклянный вакуумный
баллон
Электроизмерительные
приборы для снятия
вольтамперной
характеристики
Потенциометр для
регулирования
напряжения
Источник напряжения U

17. Первый закон фотоэффекта:

Фототок насыщения пропорционален
световому потоку, падающему на
металл.
или
Количество фотоэлектронов,
выбиваемых светом с поверхности
металла за 1 с, прямо пропорционально
поглощаемой за это время энергии
световой волны.

18.

ν1= ν2
Световой поток,
падающий на
фотокатод
увеличивается, а его
спектральный состав
остается неизменным:
Ф2 > Ф1
• Сила тока насыщения и, следовательно, число выбитых
светом за 1 с электронов увеличивается: Iнас,2>Iнас,1
• Значение запирающего напряжения не меняется!

19.

Начиная с некоторого
значения напряжения
сила тока в цепи
перестает изменяться,
достигнув насыщения.
I0
• При U 0 I 0 0
следовательно выбитые
электроны обладают
кинетической энергией.
• Сила тока насыщения
прямо пропорциональна
числу электронов,
выбитых светом за 1 с с
поверхности катода:
q eN
I
const I нас
t
1c

20.

При таком значении
напряжения сила
тока в цепи анода
равна нулю.
Напряжение запирания
(запирающее напряжение)
I0
Uç
При U > Uз в результате облучения электроны, выбитые из
электрода, могут достигнуть противоположного электрода
и создать некоторый начальный ток.

21. ВТОРОЙ ЗАКОН ФОТОЭФФЕКТА:

Кинетическая энергия
фотоэлектронов прямо
пропорциональна
частоте падающего света
и не зависит от его
интенсивности.
m
eU з
2
2
max
где m - масса электрона,
а υmax - максимальная скорость
фотоэлектрона.

22. ТРЕТИЙ ЗАКОН ФОТОЭФФЕКТА:

Для каждого вещества существует красная граница
фотоэффекта, т. е. наименьшая частота min , при
которой еще возможен фотоэффект.
При частоте ν = νmin
запирающее напряжение равно
нулю.
При частоте ν < νmin
фотоэффект отсутствует.
«Красная» граница фотоэффекта
является характеристикой
данного вещества.

23. ЧЕТВЕРТЫЙ ЗАКОН ФОТОЭФФЕКТА:

Фотоэффект безинерционен

24. ИДЕЯ ЭЙНШТЕЙНА (1905 г.):

Свет имеет прерывистую дискретную
структуру. Электромагнитная волна
состоит из отдельных порций – квантов,
впоследствии названных фотонами.
Квант поглощается электроном целиком.
Энергия кванта передается электрону.
(Один фотон выбивает один электрон.)
Энергия каждого фотона определяется
формулой Планка W = E = hν, где h –
постоянная Планка.

25. УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА

На основании закона сохранения энергии:
m
h A
2
2
Смысл уравнения Эйнштейна:
энергия кванта тратится на работу выхода электрона из
металла и сообщение электрону кинетической энергии.
В этом уравнении:
ν - частота падающего света,
m - масса электрона (фотоэлектрона),
υ - скорость электрона,
h - постоянная Планка,
A - работа выхода электронов из металла.

26. ВАКУУМНЫЙ ФОТОЭЛЕМЕНТ

27. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

28. ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА

Фотосинтез: в молекулах хлорофилла под
действием света из углекислого газа и воды
образуются кислород и органические
вещества.
Фотография: образование серебра при
падении света на кристаллы бромистого
серебра.
Зрение: разложение некоторых молекул в
сетчатке под действием света.

29. ФОТОСИНТЕЗ

30. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА

31. ЛЕБЕДЕВ П.Н. (РОССИЯ)

32.

33. 1900 год- П. Н. Лебедев измерил давление света.