Основные свойства фотона

Фотоэффектом называется испускание электронов с поверхности металла под действием света.

В1888 г. Г. Герц обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.

Фотоэффект можно наблюдать в следующих случаях:

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

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

Законы фотоэффекта

Количественные закономерности фотоэффекта (1888–1889) были установлены А. Г. Столетовым. Он использовал вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами.

Первый закон

Исследуя зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами при постоянном световом потоке на один из них, он установил первый закон фотоэффекта.

Фототок насыщения пропор­ционален световому потоку, падающему на металл: I = ν∙ Φ, где ν – коэффициент пропорциональ­ности, называемый фоточувствительностью вещества.

Следовательно, число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

Второй закон

Изменяя условия освещения на этой же установке, А. Г. Столетов открыл второй закон фотоэффекта: кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.

Если к освещенному электроду подключить положительный полюс батареи, то при некотором напряжении фототок прекратится. Это явление не зависит от величины светового потока.

Используя закон сохранения энергии , где e – заряд; m – масса электрона; v – скорость электрона; U _з– запирающее напряжение, устанавливают, что если частоту лучей, которыми облучают электрод, увеличить, то U _з2> U _з1, поэтому E _к2> E _к1. Следовательно, ν ₂> ν ₁.

Таким образом, кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света.

Третий закон

Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. существует наименьшая частота ν _min, при которой еще возможен фотоэффект. При ν < ν _minни при какой интенсивности волны падающего света на фотокатод фотоэффект не произойдет.

Четвертый закон

Фотоэффект практически безынерционен (t = 10⁻⁹с).

Теория фотоэффекта

А.Эйнштейн, развив идею М.Планка (1905), покачал, что законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории.

Явление фотоэффекта экспериментально доказывает: свет имеет прерывистую структуру.

Излученная порция Е = hν сохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком.

На основании закона сохранения энергии .

Так как , , , .

ОК-28

Фотон и его свойства

Фотон – материальная, электрически нейтральная частица.

Энергия фотонаE = hν или Е = ħω, так как , ω = 2 πν. Если h = 6,63∙10⁻³⁴Дж∙с, то ħ ≈ 1,55∙10⁻³⁴Дж∙с.

Согласно теории относительности E = mc ²= hν, отсюда , где m – масса фотона, эквивалентная энергии.

Импульс , так как c = νλ. Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Основные свойства фотона

1. Является частицей электромагнитного поля.

2. Движется со скоростью света.

3. Существует только в движении.

4. Остановить фотон нельзя: он либо движется с v = с, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

подтвердил квантовую теорию света. Взаимодействие между фотоном и связанным в атоме электроном:

1. С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах:

ν _рас.= ν _пад, что опытом не подтверждается.

2. Фотоэффект – полное поглощение фотона.

3. При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А.Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны (λ) рассеянного излучения по сравнению с длиной волны (λ) падающего излучения. Чем больше φ, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты ν (увеличение λ). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А.Комптона можно объяснить: фотон частотой ν обладает энергией E = hν, массой и импульсом .

Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон-электрон: hν + m ₀ c ² = hν' + mc ², ,где m ₀ c ² – энергия неподвижною электрона; hν – энергия фотона до столкновения; hν' – энергия фотона после cтолкновенияс фотоном; и – импульсы фотона до и после столкновения; mv – импульсы электрона посте столкновения с фотоном.

Решение уравнений для энергии и импульса дает формулу для изменения длины волны при рассеянии фотона на элек гронах: , где – комптоновская длина волны.

Вынужденные колебания .
Вынужденными колебаниями наз. незатухающие колебания системы, которые вызываются действием внешней периодической силы.
Если сила не будет периодической, то не возникнет и периодических колебаний. Например, если сила постоянна, то возникает статическое отклонение системы. Примеры: колебания гребных винтов, лопаток турбины, качелей при раскачивании, мостов и балок при ходьбе и т.д.
Сила, вызывающая вынужденные колебания, наз. вынуждающей (возмущающей) силой.
Если внешняя вынуждающая сила изменяется по гармоническому закону , то в системе устанавливаются гармонические колебания с частотой внешней вынуждающей силы (процесс установления колебаний изображен на рисунке: вынужденные колебания накладываются на свободные затухающие колебания; после того, как свободные колебания прекращаются, остаются только вынужденные).
Резонанс.
Явление возрастания амплитуды колебаний при приближении частоты вынуждающей силы ω к собственной частоте колебательной системы ω0, называется резонансом.
Соответственно данная частота наз. резонансной частотой.
При наличии трения резонансная частота несколько меньше собственной частоты колебательной системы. С энергетической точки зрения при резонансе создаются наилучшие условия для передачи энергии от внешнего источника к колебательной системе.
Резонанс применяется для измерения частоты (частотомеры) вибраций, в акустике. Резонанс необходимо учитывать при расчете балок, мостов, станков и т.д.
Автоколебания.
Колебательная система, совершающая незатухающие колебания за счет действия источника энергии, не обладающего колебательными свойствами (периодичностью), наз. автоколебательной.
Примеры: часы, орган, духовые инструменты, сердечно-сосудистая система, паровые машины и двигатели внутреннего сгорания и т.д.
Любая автоколебательная система состоит из 4 частей: 1. колебательная система; 2. источник энергии, компенсирующий потери энергии на преодоление сопротивления; 3. клапан – устройство, регулирующее поступление энергии в колебательную систему определенными порциями и в определенный промежуток времени; 4. обратная связь – устройство для обратного воздействия автоколебательной системы на клапан, управляющее работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.
Примером механической автоколебательной системы могут быть часы с анкерным ходом.
	Часы с маятником	Ручные часы
Колебательная система	Маятник	Балансир (маховик)
Источник энергии	Поднятая гиря	Заведенная пружина
Клапан	Анкер
Обратная связь	Взаимодействие анкера с ходовым колесом