С другой стороны, опыт показал, что, в отличие от формулы Рэлея-Джинса, излучение высоких частот также маловероятно.

Планк предположил, что энергия излучения и его частота связаны друг с другом.

При этом излучение электромагнитных волн атомами и молекулами вещества происходит не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами (лат.quantum – количество)

Энергия излучения прямо пропорциональна его частоте:

 E = hυ .

где h = 6.62*10-34 Дж*с – постоянная Планка

Теория теплового излучения абсолютно черного тела Планка, разработанная с учетом квантовой гипотезы, прекрасно согласовывалась с экспериментом.

При малых частотах энергия излучения кванта невелика и классическая теория удовлетворительно описывает эксперимент.

При больших частотах энергия кванта излучения высока, поэтому классическое предположение о непрерывности излучения неприменимо.

Законы теплового излучения

Чем больше температура нагретого абсолютно черного тела, тем большее число его частиц обладает высокой энергией. При увеличении температуры возрастает энергия теплового излучения на всех частотах, а максимум излучающей способности (на частоте υm) смещается в область больших частот.

Закон смещения Вина:

 υm = b1T .

где b1 – коэффициент пропорциональности

Частота, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, прямо пропорциональна его абсолютной температуре.

Учитывая связь частоты с длиной волны излучения, закон смещения Вина можно представить в виде:

λmT = b

b ≈ 3000 мкм*К – постоянная Вина

Произведение длины волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости черного тела, и его температуры есть величина постоянная.

Для получения полной (интегральной) светимости Rr абсолютно черного тела при температуре Т необходимо просуммировать спектральные плотности r по всем частотам

Интегральная светимость – мощность излучения с единицы поверхности тела:

Rr = rυdυ

Закон Стефана-Больцмана:

Интегральная светимость абсолютно черного тела зависит только от его температуры

 RT = σT4  .

где σ = 5.67*10-8 Вт/(м2*K4) – постоянная Стефана-Больцмана

 Интегральная светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры.

Фотон

Световые кванты можно рассматривать как реальные микрочастицы – фотоны, из которых состоит электромагнитное излучение.

Фотон обладает следующими свойствами:

- энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения E = hυ

- фотон – электрически нейтральная частица q = 0

- скорость фотона во всех системах отсчета равна скорости света в вакууме v = c = const

- масса покоя фотона равна нулю m0 = 0, фотон не существует в состоянии покоя

Согласно теории относительности энергия связана с массой E = mc2, поэтому масса движения фотона: m = hυ/c2

- фотон обладает импульсом:

 p = mc = hυ/c = h/λ

Давление электромагнитного излучения, или фотонного газа, можно рассчитать подобно давлению идеального газа (p = 2/3w, где w – объемная плотность энергии газа) Множитель 1/3 в выражении появился, так как частицы идеального газа могут с равной вероятностью двигаться по трем координатным осям. Фотоны, распространяясь лишь в одном направлении, подобно частицам идеального газа упруго отражаются от стенок, оказывая ни них давление:

pэм = 2эм= 2

где I – интенсивность электромагнитного излучения

ПОСТОЯННАЯ ПЛАНКА( уч.11кл.стр.310)

См.выше «Тепловое излучение. Квантовая гипотеза Планка» (уч.11кл.стр.310)

Планк высказал гипотезу о том , что абсолютно черное тело испускает и поглощает свет определенными порциями – квантами(quantum – количество).

Планк предположил, что энергия излучения и его частота связаны друг с другом.

При этом излучение электромагнитных волн атомами и молекулами вещества происходит не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами (лат.quantum – количество)

Энергия излучения прямо пропорциональна его частоте:

 E = hυ .

где h = 6.62*10-34 Дж*с – постоянная Планка

Значение минимальной порции энергии – кванта – по теории Планка прямо пропорционально частоте света.

Энергия кванта: ε γ = hυ.

Планк получил формулу спектральной светимости:

rυ = (2πυ2/c2)*(hυ/ehυ/(kT) – 1) УТОЧНИТЬ

ФОТОЭФФЕКТ (уч.11кл.стр.314-317)

Фотоэлектрический эффект. Определение. Физика. Виды

Законы фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Кванты света (фотоны).

Применение фотоэффекта в технике.

Фоторезистор (пример)

Фотоэлектрический эффект - явление вырывания электронов из вещества под действием электро­магнитных излучений (в том числе и света)

Фотоэффект открыт в 1887 г. Генрихом Герцем, а затем исследовался экспериментально русским ученым А.Г.Столетовым, немецкими физиками В.Гальваксом, Ф.Ленардом и итальянским ученым А.Риви.

Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний.

При внешнем фотоэффекте вырванные электроны покидают тело, а при внутреннем -остаются внутри него.

Необходимо отметить, что внутренний фотоэффект наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках.

Остановимся только на внешнем фотоэффекте.

Анод А и катод К помеща­ются в баллон, в котором создаётся высокий ва­куум. Катод наносится на подложку или на поверхность баллона. Анод в виде кольца или диска из никеля располагается в центре. Такой прибор называется фотоэлементом.

Если баллон наполнен инертным газом, то прибор называется газонаполненным, если в нем глубокий вакуум, то вакуумным.

Если на фотоэлемент свет не падает, то ток в цепи отсутствует, и амперметр показывает ноль. При освещении его светом достаточно высокой часто­ты амперметр показывает, что в цепи течёт ток.

При включении прибора в цепь внешнего источника в ней протекает фототок Iф, зависящий от падающего на катод светового потока Ф и приложенного напряжения.

Вольт-амперная характеристика вакуумного фотоприбора с внешним фотоэффектом имеет зону насыщения, в которой изменение напряжения в широких пределах практически не влияет на фототек.

Световая характеристика Iф = (Ф) отражает зависимость фототока от светового потока, падающего на фотокатод.

Для вакуумных приборов, работающих при напряжении насыщения, световая характеристика практически линейна.

В газонаполненных приборах фототок с ростом светового потока увеличивается более интенсивно.

Таким образом, чувствительность газонаполненных приборов является переменной величиной и при достаточно большом диодном напряжении в 5-10 раз выше чувствительности вакуумных приборов.

Чувствительность фотоэлектронных приборов – мА/Лм

Законы внешнего фотоэффекта (первоначально установлены опытным путём):

1. Число электронов, вырываемых из вещества, пропорционально интенсивности света.
(Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод)

2. Наибольшая кинетическая энергия вылетающих электронов пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности.
(Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности)

З. Для каждого вещества существует минимальная частота света υ0, называемая красной границей фотоэф­фекта - ниже которой фотоэффект невозможен.

При частотах светового излучения ниже красной границы фотоэффекта фотоэлектронная эмиссия прекращается.

Фотокатод обладает различной чувствительностью к излучениям различной длины волны, что отражается его спектральной характеристикой.

Также установлена безиннерционность фотоэффекта – он возникает мгновенно после начала освещения при условии превышения красной границы.

Волновая теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта.

Трудности в объяснении этих законов привели Эйнштейна к созданию квантовой теории света. Он пришёл к выводу, что свет представляет собой поток особых частиц, называемых фотонами (обозначается γ) или квантами.

Электромагнитная волна, по этой теории, состоит из отдельных порций – квантов(фотонов) с энергией hυ

Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов Nф и энергии каждого из них hυ. Каждый фотон поглощается целиком только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов, а значит и фототок насыщения Iн, пропорциональны Nф, т.е. интенсивности света (первый закон фотоэффекта)

Энергия фотонов равна:

e = hn

n - частота cвeтa

h - постоянная Планка.

Известно, что для вырывания электрона ему надо сообщить минималь­ную энергию, называемую работой выхода электрона Aвых, зависящую от вещества.

Если энергия фотона больше или равна работе выхода, то электрон вырывается из вещества, т.е. происходит фотоэффект.

Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла.

Вылетающие электроны имеют различ­ные кинетические энергии. Наибольшей энергией обладают электроны, вырываемые с поверхности вещества. Электроны же, вырванные из глуби­ны прежде, чем выйти на поверхность теряют часть своей энергии при соударениях с атомами вещества.

Найдем наибольшую кинетическую энергию Wkm, которую приобретает электрон, используя закон сохранения энер­гии:

Wkm = e - Aвых или  = e - Aвых

где m и vm – масса и наибольшая скорость электрона.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

энергия поглощённого фотона идет на совершение работы выхода электрона и сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.

 e = Aвых + Wkm или hυ = Aвых +    .

Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта.

Первый закон внешнего фотоэффекта

Пусть на вещество падает монохроматический свет. Согласно квантовой теории, интенсивность света пропорциональна энергии, которая перено­сится фотонами, т.е. пропорциональна числу фотонов. Поэтому с увеличе­нием интенсивности света увеличивается число фотонов, падающих на вещество, а следовательно, и число вырываемых электронов.

Второй закон внешнего фотоэффекта

Из формулы hυ = Aвых + следует, что наи­большая кинетическая энергия фотоэлектрона зависят от частоты v света и от работы выхода Aвых, но не зависит от интенсивности света.

Кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты света линейно:

Ek = = h (υ - )

Кинетическая энергия всегда положительна. Это значит, что фотоэффект будет наблюдаться для частот:

υ ≥

По углу наклона графика Ek(υ) можно экспериментально определить значение постоянной Планка h.

Совпадение значений постоянной Планка, выведенной в теориях теплового излучения и фотоэффекта, подтверждает правильность предположения о квантовом характере излучения и поглощения света веществом.

Третий закон внешнего фотоэффекта

Из уравнения фотоэффекты вытекает вывод, что внешний фотоэффект возможен, если hυ ³ Авых. Энергии фотона должно по крайней мере, хватить хотя бы на вырывание электрона без сообщения ему кинетической энергии.

Тогда красную границу υ0 фотоэффекта находим из условия:

hυ0 = Авых Þ υ0 =

Вакуумным фотоприборам с внешним фотоэффектом свойственна так называемая утомляемость - снижение чувствительности при длительном непрерывном освещении и нахождении под напряжением. Особенно сильно сказывается утомляемость в течение первых 100-150 ч работы.

Воздействие очень больших световых потоков на фотокатод, находящийся под напряжением, вызывает необратимое снижение его чувствительности и даже разрушение.

Фотоэффект используется в различных приборах для преобразования энергии света в энергию электрического тока или для управления электрическим током.

Простейшим прибором, работающим на основе фотоэффекта является вакуумный фотоэлемент. Фотоэлементы используются для воспроизведения звукового сопровождения, записанного на киноленту в виде звуковой дорожки.

ФОТОРЕЗИСТОР

ФОТОДИОД

ФОТОТРАНЗИСТОР

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

ОПЫТЫ СТОЛЕТОВА(уч.11кл.стр.314)

В вакуумной трубке помещены два электрода – катод из исследуемого материала и анод ( в схеме Столетова применялась металлическая сетка), подключенные к источнику напряжения.

Без освещения катода тока в цепи нет. При освещении электроны, вырываемые светом из катода, под действием электрического поля притягиваются к положительно заряженному аноду.

Возникающий в цепи ток называют фототоком, а вырванные из катода электроны – фотоэлектронами.

Небольшой фототок возникает даже при отсутствии разности потенциалов между анодом и катодом.

При малых напряжениях не все фотоэлектроны достигают анода.

С увеличением разности потенциалов между анодом и катодом все больше электронов достигают анода и сила фототока растет.

При некотором напряжении она достигает максимального значения, называемого фототоком насыщения Iн, и больше не увеличивается.

При этом все фотоэлектроны, покинувшие катод, достигают анода.

Если изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится и при некотором задерживающем напряжении –Uз станет равна нулю. В этом случае электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод.

УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ФОТОЭФФЕКТА

См.выше «Фотоэффект»

ГИПОТЕЗА ЛУИ ДЕ БРОЙЛЯ(уч.11кл.стр.322)

Гипотеза Луи де Бройля

Длина волны де Бройля

Опыт Джозефа Томпсона по дифракции электронов (см.ниже)

В 1923 г. французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу, что корпускулярно-волновой дуализм является универсальным свойством любых материальных объектов, а не только света.

Любая микрочастица обладает помимо корпускулярных и волновыми свойствами. Это значит, что частица массой m, движущаяся со скоростью v, характеризуется не только координатами, импульсом p и энергией E, но и подобно фотону частотой υ и длиной волны λБ.

E = h υ , p = h/ λБ

Любой частице, обладающей импульсом p, соответствует длина волны де Бройля:

 λБ =    .

Волновые свойства макроскопических тел не наблюдаются на опыте из-за необычайно малой величины длины волны де Бройля.

Однако для электрона, движущегося в атоме со скоростью 2*106 м/с, длина волны де Бройля оказывается соизмеримой с размером атома:

λБ = ≈ 3.6*10-10м

ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ(уч.11кл.стр.322-323)

Гипотеза Луи де Бройля (см.выше)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64