Псо-12. Задание «Физика» на 30.04.2020 г.
Тема: Квантовая природа света.
План урока
1.Квантовые свойства света.
2. Энергия и импульс фотона.
3. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект).
4. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
5. Решение задачи.
Квантовые свойства света.
Согласно эл.магн.теории свет представляет собой эл.магн.волны. На волновые свойства света указывают такие явления, как дифракция света (огибание светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Однако для описания процессов поглощения и излучения света веществом эта теория недостаточна. Особенно очетливо это проявилось при анализе распространения энергии по длинам волн в электромагнитном излучении нагретого тела. Согласно волновой теории света тепловое равновесие между излучением и веществом не может быть достигнуто, т.к. вся энергия нагретого тела должна перейти в излучение, а само тело должно охладиться до абсолютного нуля. В действительности ничего подобного не происходит.
В 1900 г. нем.физик Макс Планк разрешил это противоречие между теорией и опытом, предположив, что свет излучается не непрерывно в виде волн, а определенными дискретными порциями энергии – квантами (от лат. quantum – количество). Световые кванты позднее были названы фотонами (от гр. photos – свет) – элементарная частица света. Свойства излучения, обусловленные его квантовым характером, называют квантовыми (или корпускулярными – от лат. corpusculum – частица).
Квантовая теория света была создана трудами немецких ученых Макса Планка и Альберта Эйншетейна.
Согласно квантовой теории, свет излучаетя и поглощается атомами и молекулами вещества определенными порциями – квантами, т.е. представляет собой поток фотонов.
|
|
Энергия и импульс фотона.
Основными характеристиками фотона являются энергия и импульс.
Энергия фотона ε прямо пропорциональна частоте колебаний в электромагнитном излучении:
ε = hν,
где ν – частота света, h – постоянная Планка (постоянный коэффициент одинаковый для всех волн и квантов).
Значение постоянной Планка h = 6,63∙10 – 34 Дж∙с.
Эта формула носит название формулы Планка и выражает связь между волновыми и корпускулярными свойствами света.
Т.к. 
, то 
(энергия фотона обратно пропорциональна длине волны в вакууме).
Энергию фотона часто выражают через частоту: ε = ω∙ħ, где ω= 2πν, ħ – приведенная постоянная Планка (значение из задачника 1,05∙10 – 34 Дж∙с).
Импульс фотона равен:
Направление импульса фотона совпадает с направлением скорости волны (светового луча).
Масса фотона является массой электромагнитного поля:
Фотоны не имеют массы покоя (m0 = 0), что отличает их от частиц вещества (например, протонов и электронов). Фотон, пока существует, движется со скоростью с, равной скорости света в вакууме. В монохроматическом свете (цвет одной длины волны) с определенной частотой все фотоны имеют одинаковую энергию, импульс и массу.
Интенсивность излучения света определяется количеством квантов. Энергия фотона неделима. Фотоны излучаются при переходе атомов из возбужденного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, также при ускорении и торможении заряженных частиц, при распадах некоторых частиц. При встрече с веществом фотон может быть поглощен частицей вещества. При этом сам фотон исчезает, а его энергия целиком передается частице вещества.
|
|
Свету присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. При распространении света проявляются его волновые свойства, которые обнаруживаются в явлениях дифракции, интерференции и поляризации, а при взаимодействии с веществом (при излучении и поглощении) – корпускулярные свойства, согласно которым свет представляет собой поток фотонов. Основные свойства фотона (энергия, импульс и масса) зависят от характеристик электромагнитной волны: частоты или длины волны в вакууме. Свет обладает двойственностью свойств – корпускулярно-волновым дуализмом. При малых частотах колебаний преобладают волновые свойства света, при больших частотах – квантовые свойства света. В любых световых явлениях при глубоком их изучении обнаруживается неразрывная связь корпускулярных и волновых свойств света, взаимно дополняющих друг друга и отражающих взаимосвязанные закономерности распространения света и его взаимодействия с веществом. Квантовые свойства света обусловлены тем, что энергия, импульс и масса электромагнитного излучения сосредоточены в фотонах – особых частицах или световых квантах. Закономерности распределения фотонов в пространстве описываются волновыми свойствами света. Волновыми свойствами определяется также число фотонов, находящихся в той или иной точке пространства.
3. Фотоэффект.
Внешний - явление вырывания электронов из вещества под действием света.
|
|
Внутренний – явление вырывания электронов из атомов внутри вещества.
Открыл в 1887 г. Генрих Герц, изучил в 1888 г. Александр Григорьевич Столетов.
Наибольший фототок, получающийся при неизменном световом потоке, называется фототоком насыщения.
Законы фотоэффекта:
1-ый закон: Фототок насыщения прямо пропорционален световому потоку.
2-ой закон: Максимальная кинетическая энергия выбиваемых излучением электронов не зависит от интенсивности излучения, а определяется только его частотой и материалом электрода.
3-ий закон: Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта (наименьшая частота νmin или наибольшая длина волны λmax), при которой еще возможен внешний фотоэффект.