Законы Стефана-Больцмана и Вина. Энергия и импульс фотона. Опыт Боте. Корпускулярно-волновой дуализм излучения.
Распределение энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела определяется законом Стефана - Больцмана и закон смещения Вина.
1. Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени:
где сигма – постоянная Стефана-Больцмана.
2. Закон смещения Вина: длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре этого тела, т.е. с увеличением температуры максимальное выделение энергии смещается в коротковолновый диапазон.
Гипотеза Эйнштейна: свет не только испускается, но и распространяется в пространстве, и поглощается веществом в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения – фотонов.
Опыт Боте – экспериментальное подтверждение сществования фотонов.
В этом опыте тонкую металлическую фольгу F устанавливали между двумя быстро действующими счетчиками G1 и G2. Фольгу облучали слабым пучком рентгеновского излучения X, под действием которого она сама становилась источником рентгеновского излучения. Вследствие весьма слабой интенсивности первичного пучка количество квантов, испускаемых фольгой, было достаточно мало.
Если бы энергия этого излучения распространялась в виде сферических волн, то оба счетчика должны были бы срабатывать одновременно. Опыт, однако, показал, что счетчики реагировали совершенно независимо друг от друга, и число совпадений не превышало ожидаемого числа случайных совпадений.
Все происходило так, как если бы излучение фольги F распространялось в виде отдельных квантов, которые могли попадать либо в один, либо в другой счетчик.
Итак, экспериментально было доказано существование особых электромагнитных квантов, или фотонов, как их впоследствии назвали.
Корпускулярно - волновой дуализм — это когда микроскопические частицы (электроны, нейтроны, свет) ведут себя одновременно и как частица, и как волна. В одних условиях они ведут себя как хорошо локализованные в пространстве материальные объекты (частицы), двигающиеся с определёнными энергиями и импульсами по классическим траекториям, а в других – как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Представление о том, что электромагнитные волны состоят из элементарных частиц – фотонов, - является примером корпускулярно-волнового дуализма. Причём импульс фотона даётся формулой
р = h/λ, где λ – длина электромагнитной волны, а h – постоянная Планка.
Эта формула сама по себе – свидетельство дуализма. В ней слева – импульс отдельной частицы (фотона), а справа – длина волны фотона.
Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна. Виды фотоэффекта.
Внутренний фотоэффект – явление перераспределения электронов без нарушения электронейтральности.
Электроны, находящиеся в составе атома, образуют валентную зону, свободные электроны – зону проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости существует запрещённая зона, нахождение электронов в которой запрещено.
Изучение фотоэффекта
Запирающее напряжение – напряжение, при котором все выбитые из катоды электроны тормозятся у анода, после чего возвращаются назад.
Гипотеза Эйнштейна: свет не только испускается, но и распространяется в пространстве, и поглощается веществом в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения – фотонов.
Механизм фотоэффекта – поглощение фотонов электронами.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (закон сохранения энергии):
Работа выхода – работа, которую нужно совершить для вырывания электрона с поверхности тела.
1 эВ – энергия, которую приобретает электрон, при прохождении разности потенциалов в 1 В.
Фотоэффект. Виды фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Фотоны. Опыт Боте.
Про фотоэффект, его виды и уравнение Эйнштейна написано в предыдущем вопросе.
Про фотоны и опыт Боте написано в вопросе:
Законы Стефана-Больцмана и Вина. Энергия и импульс фотона. Опыт Боте. Корпускулярно-волновой дуализм излучения.
Эффект Комптона и его теория.
Эффект Комптона – изменение длины волны падающего на вещество излучения при рассеянии его веществом. Исследуется рассеяние рентгеновского излучения на парафине. Комптон обнаружил в спектре рассеянного излучения наряду с длиной волны падающего излучения λ присутствие новых, больших по величине, длин волн λ’.
Электромагнитная волна при рассеянии приводит электроны в колебательное движение. Характерной особенностью вынужденных колебаний является то, что частота вынужденных колебаний непременно совпадает с частотой вынуждающей силы. В данном случае это условие не соблюдается.
Дифракция рентгеновского излучения от кристаллической решётки. Постоянная решётки кристалла (d) 10-10 м. Длина волны рентгеновского излучения: 10-12-10-8 м.
Падающий пучок возбуждает атомы решётки, которые становятся источниками вторичных волн.
Дифрагированный рентгеновский пучок можно рассматривать как результат отражения падающего пучка от некоторой системы параллельных кристаллографических плоскостей. Отражённые по законам зеркального отражения лучи будут интерферировать между собой и в зависимости от разности хода гасить или усиливать друг друга.
Объяснение эффекта Комптона – идея о фотонах.
В данном случае электромагнитное излучение ведёт себя как поток отдельных частиц – корпускул (которыми в данном случае являются фотоны), что доказывает двойственную природу электромагнитного излучения. С точки зрения классической электродинамики рассеяние излучения с изменением длины волны невозможно.