Научно-познавательный материал по физике на тему "Квантовая физика и фотография" (11 класс)

«Величайшим достижением человеческого гения  является то, что человек может понять вещи,  которые он уже не в силах вообразить» Лев Ландау   КВАНТОВАЯ ФИЗИКА И  фотография

В поисках выхода из противоречия между теорией и опытом Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – КВАНТАМИ. — великий немецкий физик- теоретик, основатель квантовой теории — современной теории движения, взаимодействия и взаимных превращений микроскопических частиц. В 1900 г. в работе, посвященной равновесному тепловому излучению, Планк впервые ввел предположение о том, что энергия осциллятора (системы, совершающей гармонические колебания) принимает дискретные значения, пропорциональные частоте колебаний. Излучается электромагнитная энергия осциллятором отдельными порциями. Большой вклад внес Планк в развитие термодинамики. Планк Макс (1858—1947)

Энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения: hE

Постоянная Планка h  63,6  10  34 сДж  101,4  15 эВ  с эВ 1  106,1 19 Дж   ,1 0545726 h 2  34  10  сДж

фотоэффект Фотоэффект- это вырывание электронов из вещества под действием света (доказали в 1899 Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард) .

В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г.Герцем и тщательно исследованного выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Явление это получило название ФОТОЭФФЕКТА. — немецкий физик, впервые экспериментально доказавший в 1886г. существование электромагнитных волн. Исследуя электромагнитные волны, Герц установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Работы Герца послужили экспериментальным доказательством справедливости теории электромагнитного поля и, в частности, электромагнитной теории света. Уравнения Максвелла в современной форме были записаны Герцем. В 1886г. Герц впервые наблюдал фотоэффект. Герц Генрих (1857—1894)

— русский физик. Исследование фотоэффекта принесло Столетову мировую известность. Столетов показал также возможность применения фотоэффекта на практике. В докторской диссертации «Исследования о функции намагничения мягкого железа» он разработал метод исследования ферромагнетиков и установил вид кривой намагничения. Эта работа широко использовалась на практике при конструировании электрических машин. Столетов явился инициатором создания физического института при Московском университете. Столетов Александр  Григорьевич  (1839— 1896)

Законы фотоэффекта (выводы из опыта, которые сформулировал Столетов).  Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1сек, прямо пропорционально интенсивности света.  Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.  3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света 0(или максимальная длина волны 0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если < 0 , то фотоэффект уже не происходит.   

В начале ХХ в. Макс Планк ввел понятие кванта: элементарной частицы энергии. Эйнштейн применил это открытие к волновому излучению, которое распространяется небольшими частицами энергии(1905г). Он назвал эти частицы квантами света, или фотонами. Именно это открытие, а не теория относительности принесла ему Нобелевскую премию (1921г.). - немецкий физик- теоретик, один из основателей современной физики, создатель теории относительности, автор основополагающих трудов по квантовой теории и статистической физике. ЭЙНШТЕЙН  Альберт  (1879­ 1955)

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.  2vm  2 A вых  h Авых - работа выхода электрона из вещества hv – энергия кванта электромагнитного излучения V – частота излучения h – постоянная Планка

максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. Она может быть определена: 2  ЗUe  vm 2 U3 -задерживающее напряжение.

ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА. Вакуумные фотоэлементы. Современный вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода (рис.). Это катод 1. Через прозрачное окошко свет прони кает внутрь колбы. В ее центре расположена проволочная петля или диск — анод 2, который улавливания служит фотоэлектронов. Анод присоединяют к положительному батареи. Фотоэлементы реагируют на видимое излучение и даже на инфракрасные лучи. полюсу для При попадании света на катод фотоэлемента возникает электрический ток, который включает или выключает то или иное реле. цепи в

ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА. Полупроводниковые фотоэлементы. (внутренний явление фотоэффект). используется в фоторезисторах — приборах, сопротивление которых зависит от освещенности. Кроме того, сконструированы полупроводниковые фотоэлементы, создающие ЭДС и непосредственно преобразующие энергию излучения в энергию электрического тока. Это ЭДС, называемая в данном случае фотоЭДС, возникает в -перехода двух полупроводников при области р—n облучении этой области светом. С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение  звука , записанного на киноплёнке.

Применение полупроводниковых Особенно широкое фотоэлементов. применение полупроводниковых фотоэлементов получили при изготовлении солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях. К сожалению, пока такие батареи довольно дороги.

Давление света.  Для доказательства справедливости теории Максвелла было важно измерить давление света. Многие ученые пытались это сделать, но безуспешно, так как световое давление очень мало. В яркий солнечный день на поверхности площадью 1 м2 действует сила, равная всего лишь 4 • 10-6 Н.

Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 г. — русский физик, впервые измеривший давление света на твердые тела и газы. Эти работы Лебедева количественно подтвердили теорию Максвелла. Стремясь найти новые экспериментальные доказательства электромагнитной теории света, Лебедев получил электромагнитные волны миллиметровой длины и исследовал все их свойства. Лебедев создал первую в России физическую школу. Его учениками являются многие выдающиеся советские ученые. Имя Лебедева носит физический институт АН СССР (ФИАН). Лебедев Петр Николаевич  (1866—1912)

Прибор Лебедева. Объяснение: Свет – это поток фотонов. Фотоны обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс и перестают существовать. Согласно закону сохранения импульса покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает, что на тело действует сила.

Химическое действие света.  Важнейшие химические реакции под действием света происходят в зеленых листьях растений и микроорганизмах. В зеленом листе под действием солнца происходят необходимые для всей жизни на Земле процессы. Они дают нам пищу, кислород для дыхания.

Фотография.  Фотосъемка;  Проявление пленки(рис. а);  Закрепление(рис.б);  Фотопечать.