Вопрос № 1 Квантовая природа света. Фотоны. Энергия, импульс, масса фотона

Вопрос № 1 Квантовая природа света. Фотоны. Энергия, импульс, масса фотона.

Опыт Боте – опыт доказывающий дуализм света.

Запись

Счетчик

Запись

Счетчик

Облучаем фольгу рентгеновскими лучами

Счетчики одинаковые, Запись дает

Разные данные. Следовательно

Свет дискретен.

Фотон – квант оптического диапазона. Порция, минимальный сгусток энергии.

Энергия фотона , где h – постоянная планка, 6.62 *10-34Дж*С.

E = mC2; ; ; для движущегося фотона.

; v = c в вакууме. m покоя фотона = 0.

Импульс фотона ;

Вопрос № 2 Давление света. Опыты . Объяснение давления света с точки зрения волновой и квантовой теории.

Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказы­вать на него давление.

Лебедев использовал легкий подвес на тонкой нити, по краям которого прикреплены легкие крылышки, одни из которых зачернены, а поверхности других зеркальные. Для исключения кон­векции и радиометрического эффекта (см. § 49) использовалась подвижная система зеркал, позволяющая направлять свет на обе поверхности крылышек, подвес помещался в откачанный баллон, кры­лышки подбирались очень тонкими (чтобы температура обеих поверхностей была одинакова). Значение светового давления на крылышки определялось по углу за­кручивания нити подвеса и совпадало с полученным те­оретически. В частности, оказалось, что давление света на зеркаль­ную поверхность вдвое больше, чем на зачерненную.

Давление с т. з. волновой т.: (из теории Максвелла); где – объемная плотность энергии; ; где – коэффициент отражения.

Давление с т. з. квантовой т.: P - ∑P импульс, который сообщается в ед. площади в ед. времени.

Пусть – 1, тогда ; теперь – отраженные фотоны дадут импульс ;

( – поглощенные ф. дадут импульс ; Сложим их ;

Вопрос № 3 Фотоэффект. Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта. Вольтамперная хар-ка фотоэлемента. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Фотоэффект – это испускание электронов вещ-вом, при облучении электромагнитным излучением.

Виды фотоэффекта: Внеш­ним фотоэлектрическим эффектом (фото­эффектом) называется испускание элек­тронов веществом под действием элек­тромагнитного излучения.

Внутренний фотоэффект — это вы­званные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупровод­ника или диэлектрика из связанных со­стояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей то­ка внутри тела увеличивается, что приво­дит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полу­проводника или диэлектрика при его осве­щении) или к возникновению э. д.с.

Вентильный фотоэффект — возникно­вение э. д.с. (фото-э. д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсут­ствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразова­ния солнечной энергии в электрическую.

I. Закон Столетова: при фиксирован­ной частоте падающего света число фото­электронов, вырываемых из катода в еди­ницу времени, пропорционально интенсив­ности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической осве­щенности Eе катода).

II. Максимальная начальная ско­рость (максимальная начальная кинети­ческая энергия) фотоэлектронов не за­висит от интенсивности падающего све­та, а определяется только его частотой n, а именно линейно возрастает с увели­чением частоты.

III. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т. е. ми­нимальная частота n0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет лю­бой интенсивности фотоэффекта не вызы­вает.

VI. Фотоэффект происходит мгновенно. нет накаливания или ожидания.

I

U

Uзапирающее

ВАХ фотоэлемента

Уравнение Эйнштейна

Вопрос № 4 Фотоэффект. Объяснение фотоэффекта с т. з. волновой и квантовой теории. Селективный фотоэффект. Дуализм света. Применение фотоэффекта.

Фотоэффект – это испускание электронов вещ-вом, при облучении электромагнитным излучением.

С т. з. волновой теории фотоэффект не объясняется.

С т. з. квантовой теории: Энергия падающего фотона расходует­ся на совершение электроном работы вы­хода А из металла и на со­общение вылетевшему фотоэлектрону ки­нетической энергии . По закону сохранения энергии,

Уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III законы фотоэффекта. непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фото­электрона линейно возрастает с увеличе­нием частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фото­нов), так как ни А, ни n от интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А=const), то при некоторой достаточно ма­лой частоте n=n0 кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фо­тоэффект прекратится (III закон фотоэф­фекта). Согласно изложенному, из (203.1) получим, что

n0=A/h и есть «красная граница» фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т. е. от химиче­ской природы вещества и состояния его поверхности.

γ

Селективный фотоэффект:

где γ –квантовый выход; ; с позиции квантовой теории

этот эффект не объясним. С т. з. волновой теории электрон начинает

совершать вынужденные колебания, при которых может произойти

λ

резонанс.

Max поляризации зависит от поляризации

и угла падения. Этот эффект подчеркивает дуализм света.

2

Применение фотоэффекта. Единственный способ для измерения интенсивности светового потока. Моментальное переключение, солнечная батарея.

Вопрос № 5 Рассеяние фотона на «свободном» электроне. Эффект Комптона.

λ

Р. В.

λ Р. В. – легкие элементы (слабая связь с ядром)

D

λэ

λэ > λ ; Δ λ = λэ – λ; комптоновское смещение; ; м;

Постоянная Комптона - физ. Вел. Равная комптоновскому смещению при рассеивании 90.

Комптон эффект – называется упру­гое рассеяние рентгеновского излучения на свободных (или сла­босвязанных) электронах вещества.

З. С.Э.

З. С.И.

;

из 1 вычитаем 2;

;

; ;

;

; ; ;

; м;

Вопрос № 6 Тепловое излучение, его природа и особенности. Излучательность и спектральная плотность излучательности. Лучепоглощательная способность. Закон Кирхгофа.

Тепловое излучение – излучение нагретых тел ЭМВ оптического диапазона.

Особенность – равновесие, тело излучает энергию столько, сколько поглощает.

Излучательность (энергетическая светимость) ;

Спектральная плотность излучательности:

; Энергия излучения в интервале от ν до ν+dν в ед. площади в ед. времени в эл. интервале ν.

; ;

Лучепоглощательная способность (спектральная поглощательная способность)

; спектральная поглощательная способность показывает, какая доля падающей энергии на тело поглощается.

Закон Кирхгофа: ;

В состоянии термодинамического равновесия отношение спектральной плотности излучательности к спектральной плотности поглощательной способности для всех тел одинаково, есть универсальная ф-ия.

Физ. смысл: чем больше тело поглощает – тем больше излучает.

Вопрос № 7 Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Законы излучения АЧТ. Оптическая пирометрия.

АЧТ – тело, поглощающее все падающие на него лучи. ;

З-ны излучение АЧТ:

1. З-н Стефана – Больцмана

R – Энергетическая светимость. Т – абсолютная температура.

; – постоянная Стефана – Больцмана. ;

; где – время; Серое тело – тело, которое по всем длинам волн излучает одинаково.

2. З-н Вина. При повышении Т АЧТ (максимум спектральной плотности излучательности) смещается в сторону коротких длин волн.

; b = 2.9 *10-3 м*К; b - постоянная Вина.

Т2

Т1

Методы измерения высоких темпе­ратур, использующие зависимость спек­тральной плотности энергетической свети­мости или интегральной энергетической светимости тел от температуры, называют­ся оптической пирометрией.

Билет № 8 Спектр излучения АЧТ. Формула Релея и Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка.

Спектр АЧТ. Релей и Джинс, пытаясь теоретически вывести зависимость спектра от Т, применили закон о равном распределении по степеням свободы.

Формула Релея и Джинса

; ;

Ультрафиолетовая катастрофа

В области больших частот(малых λ) ф-лы Релея

И Джинса не подтвердили экперимент.

;

Квантовая гипотеза и формула Планка

Согласно гипотезе Планка, энергия излучается порциями – квантами.

Согласно Планку ; ;

Билет № 9 Спектры излучения атомов и их роль в атомной физике. Закономерности в спектре излучения атома водорода. Обобщенная формула Бальмера и ее объяснение в рамках теории Бора.

Исследования спектров излучения разре­женных газов (т. е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ вполне определенный линей­чатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или групп близко рас­положенных линий. Самым изученным яв­ляется спектр наиболее простого атома — атома водорода.

Бальмер (1825—1898) подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные в то время спектральные линии атома во­дорода в видимой области спектра:

; где R – постоянная Ридберга, R = 1.1*107м-1;

Серии спектра водорода:

; - серия Лаймана ; - серия Бальмера

; - серия Пашена ; - серия Брэкета

Вопрос № 10 Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома. Затруднения классической модели атома.

Модель атома Томсона. Первая попытка создания на основе накопленных экспериментальных данных модели атома принадлежит Томсону. Согласно этой модели, атом представляет собой непрерывно заряжен­ный положительным зарядом шар радиу­сом порядка 10-10 м, внутри которого око­ло своих положений равновесия колеблют­ся электроны (за счет этого происходит излучение); суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом ней­трален. Через несколько лет было доказа­но, что представление о непрерывно рас­пределенном внутри атома положительном заряде ошибочно.

Резерфорд, исследуя прохождение a-частиц в веществе (через золотую фоль­гу толщиной примерно 1 мкм), показал, что основная их часть испытывает незна­чительные отклонения, но некоторые a-частицы (примерно одна изрез­ко отклоняются от первоначального на­правления (углы отклонения достигали даже 180°). Так как электроны не могут существенно изменить движение столь тя­желых и быстрых частиц, как a-частицы, то Резерфордом был сделан вывод, что значительное отклонение a-частиц обус­ловлено их взаимодействием с положи­тельным зарядом большой массы. Однако значительное отклонение испытывают лишь немногие a-частицы; следовательно, лишь некоторые из них проходят вблизи данного положительного заряда. Это, в свою очередь, означает, что положитель­ный заряд атома сосредоточен в объеме, очень малом по сравнению с объемом атома.

Ядерная модель атома.

e Второй закон Ньютона для имеет вид:

e

Затруднения. Уравнение содержит два не­известных: r и v. Следовательно, су­ществует бесчисленное множество значе­ний радиуса и соответствующих ему зна­чений скорости (а значит, и энергии), удовлетворяющих этому уравнению. По­этому величины r, v (следовательно, и Е) могут меняться непрерывно, т. е. может испускаться любая, а не вполне опреде­ленная порция энергии. Тогда спектры

атомов должны быть сплошными. В дей­ствительности же опыт показывает, что атомы имеют линейчатый спектр. Согласно электродинамике, ускоренно движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны и вследствие это­го непрерывно терять энергию. В резуль­тате электроны будут приближаться к яд­ру и в конце концов упадут на него. Таким образом, атом Резерфорда оказывается неустойчивой системой, что опять-таки противоречит действительности.