7. Квантовая физика

7.1. Квантовая природа света. Формула Планка для кванта электромагнитной энергии. Фотоэффект, его закономерности и теория. Применение фотоэффекта.

Квантовая оптика – раздел учения о свете, в котором изучается дискретный характер излучения, распространения и взаимодействия с веществом.

В квантовой оптике свет рассматривается как поток особых частиц – фотонов (квантов электромагнитного излучения), имеющих нулевую массу покоя (m_о = 0) и движущихся со скоростью с, равной скорости света в вакууме, в любой инерциальной системе отсчета.

Формула для расчета энергии Е кванта электромагнитной энергии (формула Планка): .

Формула для расчета импульса p фотона: .

Формула для расчета релятивистской массы фотона: .

h = 6,63·10^-34 Дж∙с – постоянная Планка, – частота световой электромагнитной волны, λ₀ – длина волны в вакууме, с = 3·10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) – явление взаимодействия света с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. Фотоэффект был открыт в 1888 году немецким физиком Г. Герцем.

Внешний фотоэффект – вылет электронов из освещенных твердых и жидких тел.

Внутренний фотоэффект – вырывание электронов из атомов, молекул или ионов вещества, но при этом вырванные электроны остаются внутри вещества.

Законы внешнего фотоэффекта: 1) максимальная начальная скорость _max фотоэлектронов определяется только частотой падающего на металл света и свойствами поверхности металла; от освещенности катода _max не зависит; 2) количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны (освещенности катода); 3) для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта – наименьшая частота ν_min (наибольшая длина волны λ_max ) падающего на металл света, при которой еще возможен фотоэффект.

Теория фотоэффекта: энергия E = hν фотона, поглощенного электроном, расходуется на 1) совершение работы выхода А электрона из металла и 2) создание электрону запаса кинетической энергии (m – масса электрона, – максимальная скорость фотоэлектрона, с которой он покидает металл).

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: .

Формула для определения максимальной скорости фотоэлектронов (через задерживающую разность потенциалов U₃): .

Формула для определения красной границы фотоэффекта (через значение работы выхода электрона из металла): ; .

Применение фотоэффекта: 1) вакуумный фотоэлемент (позволяющий включать то или иное реле (комбинация фотоэлемента с реле позволяет сконструировать множество различных видящих автоматов)); 2) фотосопротивления и фотоэлементы (полупроводниковые приборы, работа которых основана на явлении внутреннего фотоэффекта (звуковое кино, сигнализация, телевидение, автоматика и телемеханика; преобразование световой энергии в энергию электрического тока)).

7.2. Корпускулярно-волновой дуализм. Давление света, опыты п.Н. Лебедева. Химическое действие света, фотография

Дуализм – двойственность свойств какого-либо объекта.

Корпускулярно-волновой дуализм света состоит в том, что свет обладает волновыми (при распространении) и корпускулярными (при взаимодействии с веществом (излучение и поглощение)) свойствами.

Объяснение давления света на тело с позиций классической электродинамики: действие на электрон вещества силы Лоренца, направленной внутрь вещества (электроны вещества колеблются под действием электрического поля падающей электромагнитной волны и создают электрический ток, на который действует сила Лоренца со стороны магнитной составляющей волны).

Объяснение давления света на тело с позиций квантовой оптики: поглощенные и отраженные телом фотоны передают ему свой импульс; секундное изменение импульса тела равно действующей на него силе.

Формула для расчета давления света: , где I – интенсивность света (энергия, приходящаяся на единицу поверхности тела в единицу времени), c – скорость света в вакууме, R – коэффициент отражения света от поверхности тела (для идеального поглощения R = 0, для идеального отражения R = 1).

Давление света впервые измерил русский физик П. Н. Лебедев в 1900 году. Прибор Лебедева представлял собой легкий стерженек, подвешенный на тонкой стеклянной нити. По краям стерженька были приклеены легкие крылышки. Вся установка размещалась в вакуумированном сосуде. При падении света на крылышки, расположенные по одну сторону стерженька, стеклянная нить закручивалась. О значении давления света можно было судить по углу закручивания нити. Трудности точного измерения давления: 1) невозможность создания в сосуде высокого вакуума; 2) неодинаковый нагрев сторон крылышек (молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку бóльший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны).

Опыты П.Н. Лебедева являются экспериментальным доказательством справедливости теории Максвелла.

Химическое действие света проявляется в расщеплении многих молекул при поглощении ими квантов световой энергии. Примерами химического действия света являются следующие явления: 1) выцветание красок и тканей на солнце; 2) образование загара; 3) фотосинтез; 4) фотография.

Фотография – получение изображения на фотопленке или фотопластинке при падении на них света.

Фотопластинка или фотопленка покрыта слоем желатина, в который вкраплены кристаллики бромида серебра AgBr. При попадании световых квантов в кристаллик происходит отрыв электронов от отдельных ионов брома и захват этих электронов ионами серебра. В результате этих процессов появляется небольшое число нейтральных атомов серебра. Операция проявления заключается в выделении металлического серебра во всем кристаллике бромида серебра, подвергшегося действию света. На фотопластинке или фотобумаге получается изображение, которое называется негативным, так как те места, в которые попал свет, выглядят темными (в этих местах выделилось темное металлическое серебро). Операция закрепления заключается в удалении (растворении и вымывании) оставшихся кристалликов бромида серебра. Позитивное изображение получают путем 1) наложения негативного изображения на фотобумагу или фотопленку; 2) пропускания света через негатив; 3) аналогичной химической обработки фотопленки или фотобумаги.

Фотография используется при: 1) фиксировании быстропеременных процессов; 2) фиксировании очень слабого света при длительной выдержке; 3) записи звука в кино.