Тема 2. Дуализм свойств электромагнитного излучения.

1. Двойственная природа электромагнитного излучения. Какие явления, связанные с поглощением и излучением электромагнитных волн невозможно объяснить на основе электромагнитной теории? Гипотезы о квантовой природе излучения и поглощения света. Фотоны. Энергия и импульс фотона; выразите эти величины через длину волны , частоту , циклическую частоту .

В одних явлениях (интерференция, дифракция, поляризация) свет проявляется себя как волны, в других (тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона) - как частицы (кванты, фотоны), поэтому говорят о двойственной, корпускулярно волновой природе света.

Если частота света и, следовательно, энергия фотона, велика, то свет проявляется себя как «частицы», при малых частотах - как волны.

Например, в области радиоволн квантовые свойства практически не проявляются, и волновая электромагнитная теория хорошо объясняет явления, связанные с радиоволнами.

В силу двойственности природы света, для его характеристики используются как квантовые, так и волновые величины.

- Свет как частицы (кванты, фотоны) характеризуется:

Энергия фотона:

Масса покоя фотона равна 0

Импульс фотона:

- Свет как электромагнитные волны характеризуются:

- длина волны (м),  - частота (Гц),  - циклическая частота (1/с), с - скорость света в вакууме.

k в скалярной форме называют волновым числом, в векторной форме называют волновым вектором, р - импульс фотона: , .

Тема 3. Фотоэффект.

1. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта.

Фотоэффектом называют электрические явления, происходящие под действием электромагнитного излучения (света). Различают следующие виды фотоэффекта:

1)Внешний фотоэффект. Он состоит в том, что под действием света происходит

испускание электронов из вещества. При этом на поверхности вещества появляется положительный заряд.

2)Внутренний фотоэффект. Выбитые светом электроны остаются в веществе.

Если к веществу приложена разность потенциалов, то при освещении светом

электропроводность вещества увеличивается.

3)Фотоэффект в запирающем слое (вентильный фотоэффект). Если привести в контакт два вещества с разным типом проводимости (электронной и дырочной), то на их границе возникает разность потенциалов. Если освещать границу контакта светом и цепь замкнуть, то в ней будет протекать ток. Таким образом, можно наблюдать непосредственное преобразование световой энергии в электрическую.

Эйнштейн показал, что закономерности внешнего фотоэффекта можно объяснить, если предположить, что свет поглощается порциями (квантами) такими же, как по предположению Планка свет излучается: - уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта - это частота или длина волны, при которых начинается (или прекращается) фотоэффект.

2. Вакуумный фотоэлемент, его вольтамперная и световая характеристики. Инерционный ток и ток насыщения. Запирающий потенциал . Нарисуйте график от частоты падающего света . Что можно найти по графику?

Внутри стеклянного баллона, из которого откачен воздух, имеются два электрода: катод (К) и анод (А).

При освещении катода светом, из него будут вылетать электроны, образуя электронное облако. Часть электронов по инерции достигает анода. Если катод и анод замкнуть вне баллона и присоединить микроамперметр, то прибор покажет ток - инерционный ток ( ).

З ависимость фототока от напряжения называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента. Начиная с некоторых напряжений, ток перестает увеличиваться, если при этом световой поток остается постоянным. Максимальный ток называется током насыщения ( ).

Световой характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока насыщения от падающего светового потока. Квантовый подход приводит к прямой пропорциональности тока насыщения световому потоку  .

Уравнение Эйнштейна можно записать в виде: и выразить задерживающий потенциал: .

По графику можно найти работу выхода А, красную границу , а по наклону прямой можно определить величину постоянной Планка h.

Задерживающее напряжение (потенциал) - это обратное напряжение, которое нужно приложить между катодом и анодом фотоэлемента, чтобы прекратился фототок

3. Фотоэффект как взаимодействие фотона со связанным электроном. Покажите, что фотоэффект не может иметь места, если электрон является свободным, не связанным с атомом. Используйте релятивистские соотношения.