Curs 2. Proprietățile cuantice ale luminii
Ipoteza lui Planck cuantice a dus mai departe la ideea că lumina este emisă numai, dar absorbit în porții individuale - Quanta. A fost confirmat și dezvoltat într-o serie de fenomene precum efectul fotoelectric, efectul Compton, și altele.
PhotoEffect externă numita substanță de emisie de electroni pe expunerea la lumină. Hertz, pentru prima dată în 1887 a constatat că descărcătorul Depășire scânteie între bile este mult ușurată dacă unul dintre bile pentru a ilumina lumina ultravioleta. Acest fenomen, experimentele au arătat Hallwachs (1888) și Stoletova (1888-1890), aceasta este cauzată de lumina bate sarcini negative ale descărcătorului catod metalic. Pe baza experimentelor sale Stoletov a ajuns la următoarele concluzii: 1) cel mai mare efect este razele ultra-violete; 2)
crește amperaj cu iluminare a plăcii; 3) emise de taxele de lumină sunt negative.
Pentru a studia utilizarea efectului fotoelectric al tubului de vid. metalice acoperite cu Catod investigate este iluminată cu lumină monocromatică. În interiorul tubului este menținut sub vid înalt, deoarece prezența condițiilor complicand de gaz și taxa de transfer de ieșire.
Dacă între anod și catod prin diferența de potențial a bateriei este generată, electronii eliberat de lumină sub acțiunea tensiunii dintre anod și mutarea catod la anod și urmat de sârmă, închizând curentul din circuit (vezi. Fig.1). Când neaprinsă curent catodic în circuitul fotoelemente offline.
Dependența fotocurentului de tensiunea poate fi reprezentat ca un grafic (figura 2). Existența fotocurentului în tensiunile negative, datorită faptului că fotoelectronii au energie cinetică nenul. Prin reducerea această energie pot face de lucru împotriva forțelor câmpului electric de retardare în tub și să ajungă la anod. Viteza inițială maximă a fotoelectronilor # 965; Max este legat de raportul de tensiune retardare Uzad
în cazul în care e și m - taxa de electroni si masa. Când fotocurentul este zero. Deoarece curent-tensiune crește treptat, deoarece creșterea numărului de fotoelectroni ajung la anod. Valoarea maximă a intensității curentului Ir numită saturație fotocurentul și corespunde astfel valori de tensiune, în care toți electronii ejectat de la catod ajunge la anod.
Empiric stabilit în urma legile de bază ale efectului fotoelectric:
1. Viteza inițială maximă a fotoelectron depinde de frecvența luminii și nu depinde de intensitatea acesteia.
2. Pentru fiecare substanță, există marginea roșie a efectului fotoelectric, adică, caracteristică frecvența minimă de lumină # 969; 0 (sau lungime de undă maximă # 955; 0), la care efectul fotoelectric este încă posibilă. Limita Roșu depinde de natura chimică a substanței și starea suprafeței sale.
3. Numărul de electroni emiși de catod proporțional cu intensitatea emisiei de lumină (saturație fotocurentul proporțională cu iradierii catod).
În explicarea prima și a doua legi cu dificultăți serioase. Conform teoriei electromagnetice, ejectarea electronii liberi de metal ar trebui să fie un rezultat al „balansoar“ în câmpul electric al undei de lumină. Cu toate acestea, în acest caz, nu este clar de ce viteza maximă inițială și energia cinetică a fotoelectronilor emise depind de frecvența luminii, mai degrabă decât amplitudinea oscilațiilor electrice vectorul câmp și intensitatea undei asociate. Aceste fapte au ridicat îndoieli cu privire la aplicabilitatea universală a teoriei val de lumină.
Legile efectului fotoelectric sunt explicate în termenii teoriei cuantice. Echilibrul energetic al efectului fotoelectric este exprimat prin ecuația lui Einstein
în cazul în care - energia cuantei de lumină, sunt transmise pe cale electronică. Dacă energia depășește energia necesară pentru a rupe electronul de substanta (funcția de lucru a) comunicațiile, electronul părăsește suprafața materialului, care posedă energie cinetică, a cărei valoare maximă posibilă este determinată din ecuația lui Einstein.
Astfel, efectul fotoelectric extern este posibilă doar în cazul în care energia fotonilor este mai mare sau cel mult egală cu funcția de lucru a A. Prin urmare, frecvența de prag fotoelectric corespunzător este. Depinde numai de funcția de lucru de electroni, de exemplu, cu privire la natura chimică a metalului și starea suprafeței sale.
Pentru a explica distribuția de energie în spectrul de emisie al echilibrului termic este suficient, după cum arată Plank, presupunem că lumina emisă porțiuni. Pentru o explicație a efectului fotoelectric este suficient să se presupună că lumina este absorbită de aceleași părți. Mai mult, Einstein a emis ipoteza că lumina se propagă în spațiul sub formă de particule discrete - fotoni. Câmpul electromagnetic este cuantificată, adică Acesta poate fi reprezentat ca o pluralitate de cuante de câmp electromagnetic - fotoni.
Photon ca o particulă are proprietăți speciale, nu în ultimul rând pentru că se deplasează cu viteza luminii. Prin urmare, mecanicii clasice formule aplicabile circulației fotonului, și trebuie să ne folosim relațiile relativiste. În plus față de energie # 949; Ž = # 969; foton trebuie să aibă masă și impuls. Formula pentru masa fotonului poate fi obținută din formula care exprimă relația dintre masă și energie în relativitate
Conform teoriei relativității a impulsului și energia particulelor care se deplasează cu viteza v. sunt
Dar, așa cum se deplasează fotonice la viteza luminii, numitorul dispare, și obținem că p = ∞, și E = ∞. Acest lucru înseamnă că nici un organism nu poate accelera la viteza luminii. In cazul fotonului trebuie presupus că m0 masa sa de repaus = 0; în natură, nu există nici o fotoni de repaus. Este clar că formula de mai sus (2.4) sunt nepotrivite, ca tip 0/0 au o incertitudine. Eliminarea (2.4) viteza v. Obținem o relație între energia impuls și
Deoarece foton impuls are, atunci, întâlnire pe drum orice obstacol, fluxul fotonic trebuie să exercite această barieră de presiune, la fel ca și moleculele de gaz exercită o presiune pe peretele vasului. Pentru prima dată, Lebedev măsurată experimental presiunea luminii și a confirmat existența pulsului foton. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că, în cercetările lor Lebedev ghidat teoria nu corpusculară a luminii și a teoriei electromagnetice a lui Maxwell, ceea ce duce de asemenea la concluzia cu privire la existența presiunii luminii. Ambele teorii dau aceeași formulă pentru a calcula presiunea luminii
# 961; - reflexia luminii de pe suprafața corpului. Acest lucru se datorează faptului că relația dintre impulsul și energia unui raport identic foton dintre energia și impulsul câmp electromagnetic p = E / c.
Dacă vom introduce numărul de undă. expresia (2.5) poate fi rescrisă sub forma
direcție puls aceeași ca și direcția de propagare a luminii, caracterizată printr-un vector de undă k. numeric egal cu numărul de undă.
Astfel, la fel ca orice foton sau o particulă a corpului în mișcare posedă energie, masă și impuls. Toate aceste trei caracteristici fotonica val corpusculare asociate cu caracteristicile sale - lungime de undă sau de frecvență. Proprietățile particulelor fotonului nu trebuie să ne facă să uităm că fenomene precum difracție și interferență, pot fi explicate numai pe baza unor reprezentări val.
În consecință, lumina detectează dualitatea unda-particula (dualitate): în unele fenomene manifestate natura sa val, și se comportă ca o undă electromagnetică; în altele - arată natura luminii corpusculare, și se comportă ca un flux de fotoni.
Proprietățile cuantice ale luminii sunt prezentate în efectul Compton descoperit în 1923 prin observarea imprastierea razelor X monocromatice. Schematic experienta Compton poate fi descrisă după cum urmează:
Iran - sursă de raze X
D - focalizare deschidere
PB - material de împrăștiere
# 920; - unghiul de împrăștiere
In experiment, sa constatat că, în plus față de lumina difuză a radiației lungimii de undă originală # 955; conține, de asemenea, o lungime de undă mai raze # 955;“. Diferența a fost constatat că depinde numai de unghiul # 952;, formată de direcția radiației împrăștiate din direcția fasciculului primar. În ceea ce privește teoria ondulatorie clasice, a fost imposibil de a explica efectul Compton. Conform acestei teorii, împrăștierea luminii este un proces de re-emisie a undelor electromagnetice de electroni. Electronii sunt supuse oscilații forțat sub influența câmpului undei electromagnetice. oscilații constrîngere se întîlnesc la o frecvență a forței motrice. Ca urmare, substanța trebuie să se producă undă electromagnetică de aceeași frecvență (sau lungimea de undă).
Deoarece punctul cuantic al împrăștierii poate fi privită ca un proces de fotoni coliziune raze elastice cu electroni aproape liberi. Acesta poate fi considerat electroni liberi exteriori, energia de legătură a atomului care este semnificativ mai mică decât energia pe care foton poate transfera un electron in ciocniri.