Презентация к занятию по теме "Гипотеза Планка о квантах. Фотоэффект "

Квантовая физика –
раздел учения о свете, в котором изучается
дискретный характер излучения, распространения и взаимодействия света с веществом, а также рассматривается корпускулярно-волновой дуализм.

19.07.2020

2

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

19.07.2020

3

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.

19.07.2020

4

Классическая теория теплового излучения расходилась с результатами опыта.
Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счет своей внутренней энергии.
Абсолютно черное тело – тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуре.

Согласно классической физики энергия теплового излучения черного тела зависит от температуры и длины волны.
Однако для больших частот (ультрафиолетовая область спектра) классическая физика резко расходится с экспериментом

19.07.2020

5

В состоянии равновесия процессы испускания и поглощения энергии каждым телом в среднем компенсируют друг друга.
Следовательно: плотность энергии излучения достигает определенного значения, зависящего только от установившейся температуры тел.
Излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется равновесным или черным излучением.
Основное свойство: плотность энергии равновесного излучения и его спектральный состав зависят только от температуры.

Абсолютно черное тело – мысленная модель тела полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины (и, соответственно, излучающего все длины электромагнитных волн).

Модель абсолютно черного тела –
небольшое отверстие в замкнутой полости

Проблема сводится к изучению спектрального состава излучения абсолютно черного тела. Решить эту проблему классическая физика оказалась не в состоянии.

Следовательно: абсолютно черное тело при заданной температуре испускает с поверхности единичной площади в единицу времени больше лучистой энергии, чем любое другое тело.

Важнейшая закономерность теплового излучения:
Для установления равновесия в полости необходимо, чтобы каждое тело испускало ровно столько лучистой энергии, сколько оно и поглощает.

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.
где  = 5,67.10-8 Дж/(м2.К.с) — постоянная Стефана-Больцмана.

Роль закона: закон Стефана — Больцмана позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре.

Выдающийся немецкий физик Макс Планк в 1900 г. решил проблему спектрального распределения света, излучаемого нагретыми телами, перед которой классическая физика оказалась бессильной.

19.07.2020

10

Атомы испускают электромагнитную энергию
отдельными порциями — квантами.
Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:



h=6,63.10-34 Дж.с — постоянная Планка.

19.07.2020

11

Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка в электронвольтах.

Тогда h=4,136.10-15 эВ.с.
(1 эВ - энергия, которую приобретает элементарный заряд, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В.
1 эВ=1,6.10-19 Дж).
В атомной физике употребляется также величина

19.07.2020

12

Эйнштейн, 1905г.
Электромагнитное излучение имеет квантовый характер, распространяется и поглощается веществом в виде отдельных частиц электромагнитного поля – фотонов.
Свойства фотона:
Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения
Фотон- электрически нейтральная частица
Скорость фотона во всех системах отсчета равна скорости света в вакууме
Фотон не существует в состоянии покоя m = 0

19.07.2020

13

Свойства фотона:
Фотон обладает импульсом

19.07.2020

14

Слово состоит из двух иностранных слов: фото и эффект. Как же они переводятся? Фото - от греческого - свет, а эффект – от латинского – действую. Дословно – действие света.

Открытие явления – 1887год, немецкий учёный, Генрих Герц.
Опытное доказательство – 1888 год, выдающийся русский физик, А. Г. Столетов.
Теоретическое подтверждение – 1905 год, английский учёный, А. Эйнштейн.

19.07.2020

15

Фотоэлектрический эффект

- явление вырывания электронов из металла под действием света

1887г.
Генрих Герц

19.07.2020

16

Столетов
Александр Григорьевич
1839-1896
Выдающийся русский физик
Исследовал свойства ферромагнетиков,
несамостоятельный газовый разряд.
Опытным путем выяснил и сформулировал законы фотоэффекта.

19.07.2020

17

Фототок насыщения
Задерживающее напряжение

Законы фотоэффекта

Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света.

Красной границей фотоэффекта называют минимальную частоту света, ниже которой фотоэффект не наблюдается:

Теория фотоэффекта

1905 г. Эйнштейн – объяснил законы фотоэффекта
Свет не только излучается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде квантов



уравнение Эйнштейна

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из вещества.

Красной границей фотоэффекта называют минимальную частоту света или максимальную длину волны, при которой начинается фотоэффект

Теория фотоэффекта

hc / λ = А вых

21

19.07.2020

Объяснение фотоэффекта

При увеличении интенсивности монохроматического излучения растет число поглощенных металлом квантов, а следовательно и число вылетающих из него электронов, поэтому фототок прямо пропорционален интенсивности излучения (1 закон).

Из уравнения Эйнштейна видно, что кинетическая энергия вылетающих электронов зависит только от рода металла, состояния его поверхности и частоты (или длины волны) излучения, то есть величины энергии квантов и не зависит от интенсивности излучения (2 закон).

Если величина энергии квантов меньше работы выхода, то при любой интенсивности излучения электроны вылетать не будут
(3 закон).

Пример 1.
Найдите массу и импульс фотонов для инфракрасных
лучей ν=1012 Гц

19.07.2020

23

Пример 2.
Под каким напряжением работает рентгеновская трубка,
если самые «жесткие» лучи в рентгеновском
спектре этой трубки имеют частоту 1019Гц ?

19.07.2020

24

Пример 3
Определите красную границу фотоэффекта для калия.
Работа выхода электронов в калии 2,2 эВ.

19.07.2020

25

Пример 3.
Какое запирающее напряжение надо подать на зажимы
а и b, чтобы электроны, вырванные ультрафиолетовыми
лучами с длиной волны 0,1 мкм из вольфрамовой
пластины К, не могли создать ток в цепи?

19.07.2020

26

19.07.2020

27