Учебные презентаций. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА. СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ. ФОТОЭФФЕКТ.

10-ТЕМА

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА. СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ. ФОТОЭФФЕКТ.

СОДЕРЖАНИЕ

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА.
Тепловое излучение тел.
Фотоны.
Фотоэффект.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА.

В декабре 2000 года мировая научная общественность отме-чала столетний юбилей возникновения новой науки – квантовой физики. Заслуга в этом принадлежит выдающемуся немецкому физику Максу Планку.
Ему удалось решить проблему спектрального распределения света, излучаемого нагретыми телами, проблему, перед которой классическая физика оказалась бессильной. Планк первым высказал гипотезу о квантовании энергии осциллятора (системы, совершающей гармонические колебания), несовместимую с принципами классической физики.
Именно эта гипотеза, развитая впоследствии трудами многих выдающихся физиков, дала толчок процессу пересмотра и ломки старых понятий, который завершился созданием квантовой физики.

Тепловое излучение тел.

Испускаемый источником свет уносит с собой энергию. Сущес-твует много различных механизмов подвода энергии к источнику света. В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается наг-реванием, излучение называется тепловым. В отличие от всех других видов излучения, тепловое излучение может находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами.
Если в замкнутую полость с зеркально отражающими стенками поместить несколько тел, нагретых до различной температуры, то такая система с течением времени приходит в состояние теплового равновесия, при котором все тела приобретают одинаковую темпе-ратуру. Излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется рав-новесным.

Тепловое излучение тел.

Плотность энергии равновесного излучения и его спек-тральный состав зависят только от температуры. Если через малое отверстие заглянуть внутрь полости, в которой установилось тер-модинамическое равновесие между излучением и нагретыми телами, то глаз не различит очертаний тел и зафиксирует лишь однородное свечение всей полости в целом.
Пусть одно из тел в полости обладает свойством поглощать всю падающую на его поверхность лучистую энергию любого спек-трального состава. Такое тело называют абсолютно черным.

Тепловое излучение тел.

При заданной температуре собственное тепловое излучение абсолютно черного тела, находящегося в состоянии теплового рав-новесия с излучением, должно иметь тот же спектральный состав, что и окружающее это тело равновесное излучение. В противном случае равновесие между абсолютно черным телом и окружающем его излучением не могло бы установиться. Поэтому проблема сво-дится к изучению спектрального состава излучения абсолютно черного тела.

Фотоны.

Согласно квантовой теории свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов.
Энергия фотонов равна E = hν.
Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы покоя, m0 = 0. Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы, E=mc2=hv и E2 = m2c4 + p2c2,
следует, что фотон обладает импульсом
.

Фотоны.

Таким образом, учение о свете, совершив виток длитель-ностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах.
Это не механический возврат к корпускулярной теории Ньюто-на. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимо-действии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойст-венная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма

Фотоны.

Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком, и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.

Фотоэффект.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и экспериментально исследован А. Г. Столетовым и независимо Ф. Ленардом.
Внешний фотоэффект состоит в выбивании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Фотоэффект.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта приведена на рис.23.4.
Используется стеклянный ваку-умный баллон с двумя металличес-кими электродами. К электродам прик-ладывается напряжение U, поляр-ность которого можно изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещается монохроматичес-ким светом длины волны λ, и при неизменном световом потоке снима-ется зависимость силы фототока I от приложенного напряжения U.

рис.23.4. рис. 23.5

Фотоэффект.

На рис. 23.5 изображены типичные кривые зависимости силы фототока от приложенного напряжения.  
Рис. 23.5.
Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запираю-щий потенциал.
Кривые показывают, что при дос-таточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, выбитые светом из катода, достигают анода.

Фотоэффект.

Измерения показали, что ток насыщения Iн прямо пропорции-онален интенсивности падающего света.
Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекраща-ется. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:
Запирающий потенциал Uз не зависит от интенсивности пада-ющего светового потока и линейно возрастает с увеличением час-тоты ν света (Ленард) (рис. 23.6).

Рис. 23.6.Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света. 

Фотоэффект.

Экспериментально установлены следующие закономерности фотоэффекта:
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.
Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.
Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном в 1905 г на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где h – постоянная Планка. Свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть энергии электрона затрачивается на совершение работы выхода A на границе металл–вакуум, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:


.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна отражает закон сохранения энергии для фотоэффекта. С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из него следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число электронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Тестовые задания.

1.(98/1-57). Вырывание электронов из вещества под действием света называется явлением ...
А) поляризации. В) дифракции. С) дисперсии.
D) фотоэффекта. Е) интерференции.
2.(98/5-64). При освещении электрической дугой отрицательно заряженная пластина постепенно теряет свой заряд. Как изменится скорость потери заряда пластиной, если на пути света поставить фильтр, задерживающий ультрафиолетовые лучи и свободно пропускающие все остальные?
А) увеличится. В) возможны различные изменения.
С) уменьшится. D) не изменится. Е) НПО.

Тестовые задания.

3.(98/5-56). Как изменится количество фотоэлектронов, вырываемых светом за 1 с, если интенсивность падающего света уменьшится в 4 раза?
А) уменьшится в 16 раз. В) увеличится в 4 раза. D) не изменится.
С) уменьшится в 2 раза. Е) уменьшится в 4 раза
4.(98/12). Как изменится число фотоэлектронов, вырываемых из металла при увеличении частоты падающего излучения в 2 раза?
А) уменьшится в 2 раза. В) увеличится в 2 раза.
С) уменьшится в 6,63 раза. D) не изменится. Е) увеличится в 6,63 раза.

Тестовые задания.

5.(03/8-49). Как изменится максимальная скорость фотоэлектронов, если, не меняя длины волны, увеличить поток света в 4 раза?
А) не изменится. В) увеличится в 4 раза. С) увеличится в 2 раза.
D) уменьшится в 4 раза. Е) уменьшится в 2 раза.
6.(01/1-16). Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта представляет собой применение к данному явлению:
закона сохранения энергии.
закона сохранения импульса.
закона сохранения момента импульса.
закона сохранения заряда. Е) НПО.

Тестовые задания.

7.(96/7-118). Какова длина волны излучения, если при фотоэффекте скорость вылетающих из пластины электронов равна 1,6·106м/с? (А=5,3 эВ).
А) 10 ·10 -6 м. В) 98,6 нм. С) 6,63·10 -10 м.
D) 20·10 -8 м. Е)1·10 -6 м.
8.(99/7-59). Красная граница фотоэффекта для калия равна 600 нм. Найдите работу выхода для калия (в джоулях). с=3108 м/с; h=6,6·10-34 Дж·с.
А) 6,6·10 -26Дж. В) 6,6·10 -19Дж. С) 2,2·10 -19Дж.
D) 3,3·10 -19Дж. Е) 2,2·10 -26Дж.

Тестовые задания.

9.(98/7-65). Из вещества, красная граница фотоэффекта которого 1·1015 Гц, под действием света частотой 1,5·1015 Гц вылетают фотоэлектроны. Определите максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов (в джоулях). h=6,6·10-34 Дж·с.
А) 6,6·10 -19. B) 2,2·10 -19. C) 1·10 -19. D) 1,6·10 -19. E) 3,3·10 -19.
10.(03/11-37). На цезиевый катод падает оранжевый свет с длиной волны 600 нм. Работа выхода для цезия равна 1,8 эВ. При каком запирающем потенциале (В) прекращается фототок? h=4,l·10 -15 эВ·с.
А) 2,5. В) 1,8. С) 0,6. D) 0,3. Е) 0,25.