Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф 3 физика: оптика. Квантовая физика (шифр дисциплины и ее название в строгомсоответствии с государственным образовательнымстандартом и учебным планом)

Скачать 0.77 Mb.

Название	Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф 3 физика: оптика. Квантовая физика (шифр дисциплины и ее название в строгомсоответствии с государственным образовательнымстандартом и учебным планом)
страница	5/7
Тип	Учебно-методический комплекс

filling-form.ru > Туризм > Учебно-методический комплекс

1 2 3 4 5 6 7

Фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Фотоэффект был открыт в 1887г. Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены А.Г. Столетовым (1888), а затем немецким физиком Ф. Ленардом (1899). Первое теоретическое объяснение законов фотоэффекта дал А. Эйнштейн (1905). Большой вклад в теоретические и экспериментальные исследования фотоэффекта внесли А.Ф. Иоффе (1907), П.И. Лукирский и C.С. Прилежаев (1928), И.Е. Тамм и C.Т. Шубин (1931).

Фотоэффект наблюдается в газах и в конденсированных (твердых и жидких) телах.

Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов и молекул газа под действием света и называется фотоионизацией.

В конденсированных телах различают внешний и внутренний фотоэффекты.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света. Он проявляется в изменении концентрации носителей тока в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимость – увеличение электрической проводимости вещества под действием света. Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называется возникновение под действием света ЭДС (фото-ЭДС) в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и металла или двух разнородных полупроводников (например: в p – n переходе).

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения в вакуум или другую среду.

Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фотопотоком.

Внешний Фотоэффект. Законы Столетова.

Практическое значение имеет внешний фотоэффект из твердых тел в вакуум.

Опыт Столетова: Конденсатор, образованный проволочной сеткой и сплошной пластиной, был включен последовательно с гальванометром Г в цепь батареи. В результате в цепи возникал ток, регистрирующийся гальванометром.

На основании опытов Столетов пришел к выводам: 1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи; 2) сила тока возрастает в увеличением освещенности пластины; 3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

Спустя 10 лет (1898) Ленард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых под действием света частиц, установили, что эти частицы являются электронами.

Ленард и др. исследователи усовершенствовали прибор Столетова, поместив электроды в эвакуированный баллон (рисунок).

Свет падает через кварцевое окно Д на фотокатод К.

Характер зависимости фототока J в трубке от разности потенциалов U анода А и катода К при постоянной энергетической освещенности катода монохроматическим светом (вольтамперная характеристика) изображен на рисунке.

Существование фототока при отрицательных значениях U от 0 до U₀ свидетельствует о том, что фотоэлектроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость и соответственно кинетическую энергию. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов V_max связана с задерживающим потенциалом U₀ соотношением:

m₀ * V²_max / 2 = e * U₀, где e и m_e – абсолютная величина заряда и масса электрона.

Фототок увеличивается с ростом U лишь до определенного предельного значения Jн, называемого фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, вылетающие из катода под влиянием света, достигают анода. Если n_СЕК – число фотоэлектронов, покидающих катод за 1 с, то Jн = е * n_СЕК.

Законы внешнего фотоэффекта:

При неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода: Jн  Еэ и n_СЕК  Еэ;
Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности;
Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света ₀, при которой ещё возможен внешний фотоэффект; частота ₀ зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.

Фотоэффект безынерционен, т.е. испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на фотокатод падает свет с частотой   ₀.

Невозможность объяснения фотоэффекта с точки зрения классической физики.

Второй и третий законы Столетова, а также безынерционность фотоэффекта находились с резком противоречии с классическими представлениями о волновой природе света. С волновой точки зрения качественно фотоэффект можно было объяснить следующим образом. Электрический вектор электромагнитной волны ускоряет электроны в металле. Благодаря этому электроны в металле начинают "раскачиваться". Если эта "раскачка" носит резонансный характер, то амплитуда вынужденных колебаний электрона становится столь значительной, что электрон вырывается за пределы металла, т.е. происходит фотоэффект.

Однако объяснить количественные закономерности фотоэффекта с волновой точки зрения оказалось невозможным. Амплитуда вынужденных колебаний электрона с волновой точки зрения пропорциональна амплитуде вектора электрической напряженности падающей электромагнитной волны. С другой стороны, интенсивность светового потока прямо пропорциональна квадрату амплитуды вектора электрической напряженности в световой волне. То есть, с волновой точки зрения скорость вылетающих фотоэлектронов должна увеличиваться с увеличением интенсивности падающего света. Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.

Т.к., по волновой теории, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, "красной границы" фотоэффекта не должно быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не могла объяснить безынерционность фотоэффекта.

Вывод: второй и третий законы фотоэффекта не удается истолковать на основе классической электромагнитной теории света. Согласно этой теории вырывание электронов проводимости из металла является результатом их "раскачивания" в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света и пропорциональной ей энергетической освещенности фотокатода.

Необъясним и факт безынерционности фотоэффекта. Согласно классическим волновым представлениям требуется довольно значительное время для того, чтобы электромагнитная волна заданной интенсивности могла передать электрону энергию, достаточную для совершения им работы выхода.

Лишь квантовая теория света позволила успешно объяснить законы внешнего фотоэффекта. Развивая идеи Планка о квантовании энергии атомов-осцилляторов, Эйнштейн высказал гипотезу о том, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве, и поглощается веществом в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения – фотонов.

Фотоны.

Фотон – от греческого "свет" – элементарная частица, квант электромагнитного излучения.Термин введен Г.Н. Льюисом в 1929г.

Энергия фотона согласно гипотезе Планка:

_ = h *  = ћ * , где

h = 6,63 * 10^-34 Дж*с, ћ = h / 2 = 1,05 * 10^-34 Дж*с – постоянная Планка (квант действия).

Масса фотона может быть получена из соотношения: m_ = _ / с² = h *  / c².

Импульс фотона и его энергия в соответствии и его энергия в соответствии с общей формулой теории относительности связаны соотношением: _ = с * р²_ + m²₀_ * c².

Для фотона m₀_ = 0, тогда р_ = _ / с = h *  / c = m_ * c.

Если ввести волновое число k = 2/ , то выражение для р_ можно переписать в форме:

р_ = h *  / c = h /  = h * k / 2 = ћ * k.

Направление вектора импульса совпадает с направлением распространения света, характеризуемым волновым вектором k: р_ = ћ * k (в векторах).

Из соотношения _ = h *  = ћ *  и общих принципов теории относительности вытекает: 1) масса покоя фотона равна нулю; 2) фотон всегда движется со скоростью с.

Выражения для _ связывают корпускулярные характеристики фотона – массу, импульс, энергию – с волновой характеристикой света – его частотой .

В этом факте проявляется корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) – это лежащее в основе квантовой теории представление о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты.

Волновые свойства сета играют определяющую роль в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации; а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом (фотоэффект, эффект Комптона и т.д.). Чем больше длина волны. Тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить квантовые свойства света; чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем сильнее проявляются корпускулярные свойства излучения.

Н-р: Красный свет:  = 7 *10^-7м; m_= 3,2 *10^-36кг.

Рентген:  = 25*10^-12м; m_= 8,8 *10^-32кг.

Гамма-лучи:  = 1,24 *10^-12м; m_= 1,8 *10^-30кг.

Однако волновой и квантовый способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, т.к. свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами. Он представляет собой диалектическое единство этих противоположных свойств.

В дальнейшем оказалось, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам вещества.

Наглядно представить корпускулярно-волновой дуализм невозможно. Отчасти трудности восприятия дуализма обусловлены особенностями нашего мышления. Наши зрительные образы (модели) основаны на том, что мы видим в повседневной жизни. Корпускулярно-волновой дуализм существует реально, представление о нем – результат абстрагирующей деятельности разума высокого порядка.

Уравнение Эйнштейна.

Согласно гипотезе Эйнштейна в случае поглощения света веществом каждый поглощенный фотон передает свою энергию частице вещества, в частности, электрону.

Свободный электрон не может поглотить фотон, т.к. при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и импульса. Фотоэффект из атома, молекулы или конденсированной среды возможен из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме энергией ионизации, в конденсированной среде – работой выхода Ф.

Закон сохранения энергии при фотоэффекте выражается соотношением Эйнштейна:

 = ћ *   _i, где _i – энергия ионизации атома, или  = ћ *   Ф.

При Т = 0 К и не очень высокой интенсивности света (когда многофотонные эффекты практически отсутствуют), фотоэффект не возможен, если ћ *  < _i или

ћ *  < Ф.

Фотоэффект в газах наблюдается на отдельных атомах или молекулах. Атом, поглощая фотон, испускает электрон и ионизируется. Вся энергия ионизации передается испускаемому электрону.

В конденсированных средах механизм поглощения фотонов зависит от их энергии. При ћ *   Ф излучение поглощается электронами проводимости (в Ме) или валентными электронами (в полупроводниках и диэлектриках). В результате этого наблюдается либо фотоэлектронная эмиссия, либо внутренний фотоэффект.

При ћ *  во много раз превышающих энергию межатомных связей в конденсированной среде ( - кванты), фотоэлектроны могут вырываться из глубоких оболочек атома.

Рассмотрим фотоэлектронную эмиссию из металлов.

Фотоэмиссия  результат трех последовательных процессов: поглощение фотона и появление электрона с высшей энергией; движение этого электрона к поверхности, при котором часть энергии электрона может рассеяться; выход электрона в другую среду через поверхность раздела.

Фотоэмиссия из металлов возникает, если энергия фотона ћ *  превышает работу выхода из Ме Ф.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: h *  = Ф + m_e * V²_max / 2.

 второй закон фотоэффекта: h *   Ф = m_e * V²_max / 2 = е * U₀.

Таким образом, V_max и U₀ зависят только от частоты света и работы выхода электрона из фотокатода.

Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света по линейному закону. Она обращается в нуль при частоте ₀, соответствующей красной границе внешнего фотоэффекта: ₀ = Ф / h.

То есть, красная граница зависит только от работы выхода электрона из металла.

Для чистых поверхностей большинства металлов Ф>3 эВ, поэтому фотоэмиссия из металлов может наблюдаться в видимой и ультрафиолетовой частях спектра (для щелочных металлов и Ва), и только в ультрафиолетовой области спектра (для всех других металлов).

Количественной характеристикой фотоэмиссии является квантовый выход Y  число вылетевших электронов, приходящихся на один фотон, падающих на поверхность тела. Величина Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов. Вблизи порога фотоэмиссии для большинства металлов Y  10^⁴ электрон/фотон. Малость Y обусловлена тем, что свет проникает в металл на глубину  10^⁵ см, и там в основном поглощается. Фотоэлектроны  движении к поверхности сильно взаимодействуют с электронами проводимости, которых в металле много, быстро рассеивают энергию. Энергию, достаточную для совершения работы выхода сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались вблизи поверхности, на глубине  10^⁷ см. кроме того поверхность металла сильно отражает видимое и ближнее ультрафиолетовое излучения.

При очень больших интенсивностях света, достижимых с помощью лазера, наблюдается многофотонный (нелинейный) фотоэффект. При этом электрон может получить энергию не одного, а N фотонов.

В этом случае уравнение Эйнштейна: N * h *  = Ф + m_e * V²_max / 2.

Красная граница Nфотонного фотоэффекта: ₀ = Ф / N * h.

Эффект Комптона.

Наиболее полно и ярко корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. А. Комптон, исследуя в 1923 году рассеяние рентгеновских монохроматических лучей веществами с легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также излучение более длинных волн.

Схема опытов Комптона изображена на рисунке:

Монохроматические рентгеновские лучи, возникшие в рентгеновской трубке А, проходят через диафрагмы В и узким пучком направляются на легкое рассеивающее вещество C. Лучи, рассеянные на угол , регистрируются приемником рентгеновских лучей  рентгеновским спектрографом Д, в котором измеряется длина волны рассеянных рентгеновских лучей.

Опыты Комптона показали, что рассеянные рентгеновские лучи имеют длину волны ^' большую, чем длина волны  падающих лучей. Выяснилось, что разность   = ^'   зависит только от свойств рассеивающего вещества и длины волны падающего света:

  = ^'   =2 _k * sin ² ( / 2) (*), где   длина волны падающего излучения; ^'  длина волны рассеянного излучения;   угол рассеяния; _k 2,43 * 10^¹²м  комптоновская длина волны электрона, величина, постоянная для всех веществ.

Это явление получило название эффекта Комптона.

1 2 3 4 5 6 7

	Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 7 Физика: оптика;... ...		Российской федерации курский государственный технический университет ...
	Учебно-методический комплекс дисциплины гсэ. В 2 семейное право шифр... ...		Учебно-методический комплекс дисциплины гсэ. В 2 кпв: семейное право... ...
	Методические указания к выполнению контрольной работы по физике для... Электричество и магнетизм, волновая и квантовая оптика, атомная и ядерная физика		Учебно-методический комплекс дисциплины «Учет на предприятиях малого бизнеса» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального...
	Учебно-методический комплекс дисциплины «Торговый маркетинг» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...		Учебно-методический комплекс дисциплины «антикризисное управление» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...
	Учебно-методический комплекс дисциплины «Деловой иностранный язык» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...		Учебно-методический комплекс дисциплины «хозяйственное право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...

Похожие: