
- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 3
- •1.Волновая оптика
- •1.1.Световой вектор. Уравнение плоской световой волны
- •1.2. Интерференция световых волн. Условия, необходимые для осуществления интерференции
- •1.3.Условия максимумов и минимумов при интерференции световых волн
- •1.4.Интерференция в тонких пленках
- •1.5. Кольца Ньютона
- •Контрольные вопросы
- •Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция от одной щели.
- •Дифракция на одномерной дифракционной решётке
- •Угловая дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки
- •Угловая дисперсия равна:
- •Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке
- •Поглощение света
- •Поляризация света. Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация при отражении и преломлении
- •Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
- •Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
- •1.Явления квантовой оптики
- •1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина
- •1.3.Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка
- •1.4.Оптическая пирометрия
- •1.5.Квантовая природа света. Фотон и его характеристики.
- •1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
- •1.7. Эффект Комптона
- •1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
- •1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
- •2.Элементы квантовой механики
- •2.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •2.2. Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция
- •Уравнение Шредингера
- •2.5.Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •Понятие о туннельном эффекте
- •1. Автоэлектронная (холодная) эмиссия электронов
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Здесь и совпадает с формулой радиуса первой боровской орбиты; численное значение этого параметра равно;a – множитель, который можно определить из условия нормировки волновой функции:
- •2.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •2.11. Спектр атома водорода
- •2.12. Распpеделение электpонов в атоме по энеpгетическим состояниям. Пеpиодическая система элементов д.И.Менделеева
- •2.13. Рентгеновское излучение
- •2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •2.15. Лазеры
- •1. Инверсия населенностей
- •2. 16. Способы создания инверсии населенностей
- •2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
- •2.18. Принципиальная схема лазера
- •2.17. Линейный гаpмонический осциллятоp
- •3.6. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
- •Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
- •4.Зонная теория твёрдых тел
- •4.1. Энергетические зоны электронов в кристалле
- •4.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики в зонной теории твёрдых тел
- •4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
- •4.4. Примесная проводимость полупроводников
- •4.5. Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике
- •4.6. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Электронно-дырочный переход
- •Внутренний фотоэффект
- •Воздействие излучения на полупроводник. Фоторезистивный эффект
- •Устройство и характеристики фоторезисторов
- •Применение фоторезисторов
- •Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
- •Применение вентильного фотоэффекта
- •Биполярный транзистор
- •Состав и характеристики атомного ядра
- •Характеристики атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля
- •Радиоактивность
- •Ядерные реакции
- •Деление атомных ядер
- •Элементарные частицы
- •2 Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.
1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
Явления, при которых происходит освобождение электронов под действием света, называются фотоэффектом.
Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов и молекул газа под действием света и называется фотоионизацией.В твёрдых и жидких телах различаютвнешний ивнутреннийфотоэффект.
Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом (наружу) под действием света.
Внутренним
фотоэффектом называетсяперераспределение
электронов по энергетическим состояниямв полупроводниках и диэлектриках под
действием света. В результате внутреннего
фотоэффекта увеличивается концентрация
носителей тока в веществе. Возникает
фотопроводимость – увеличение
электропроводности полупроводника или
диэлектрика при его освещении.
Вентильным фотоэффектом называется возникновение ЭДС при освещении p-n-перехода.
Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем. Его фундаментальные исследования были проведены в 1888-1889 г. И.Столетовым.
Схема установки для наблюдения внешнего фотоэффекта имеет следующий вид, приведённый на рисунке 1.4 .
В вакуумной трубке помещены катод К(фотокатод) и анодА. Свет через кварцевое окно падает на поверхность катода. Между фотокатодом и анодом приложена разность потенциалов, измеряемая вольтметромV. Разность потенциалов можно изменять с помощью делителя напряженияR. Ток в цепи измеряется гальванометромG.
Зависимость фототока от разности потенциалов между катодом и анодом при освещении катода монохроматическим светом называется вольт-амперной характеристикой. Она имеет вид, приведенный на рисунке 1. Отметим основные особенности и проведем анализ этой зависимости.
1.При
разности потенциалов между катодом и
анодомU=0фототок
не равен нулю. Это означает, что
фотоэлектроны выходят из катода, имея
некоторую начальную скорость. Для того,
чтобы фототок стал равным нулю, необходимо
приложить задерживающее напряжениеU0.
Максимальная начальная скорость фотоэлектронов связана с задерживающим напряжением соотношением:
.
(1.34)
Здесь e и m– заряд и масса электрона.
2. При увеличении разности потенциалов Uфототок достигает значенияiн (фототок насыщения). Это значит, что все вылетающие из катода электроны попадают на анод. Пустьn- число электронов, вылетающих из катода в 1секунду. Тогда
Рассмотрим законы внешнего фотоэффекта:
Закон Столетова. При неизменном спектральном составе излучения, попадающего на катод, фототок насыщения пропорционален световому потоку:
.
(Это
означает, что число электронов
)
Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты падающего измерения и не зависит от его интенсивности.
Для каждого фотокатода существует «красная граница» внешнего фотоэффекта, т.е. минимальная частота
, (или максимальная длина волны излучения
) при которой ещё возможен фотоэффект. Частота
зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.
Явление внешнего фотоэффекта нельзя объяснить на основе классической волновой теорией света. Действительно, по волновой теории вырывание электронов из вещества происходит в результате их «раскачивания» в электромагнитном поле световой волны. Чем больше интенсивность волны (или больше амплитуда), тем больше должна быть скорость фотоэлектронов. Этот вывод противоречит 2 и 3 законам фотоэффекта.
Все закономерности фотоэффекта успешно объясняются квантовой теорией. При поглощении света веществом каждый поглощённый фотон передаёт свою энергию частице вещества. При внешнем фотоэффекте закон сохранения энергии имеет вид:
.
(1.35)
Здесь hv - энергия
фотона;- работа выхода электрона с поверхности
вещества;
- работа по преодолению сил сопротивления
при выходе электрона на поверхность;
- кинетическая энергия электрона.
Если
=0(электрон выходит с поверхности), то
.
(1.36)
Уравнение (1.36) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют второй и третий законы фотоэффекта:
.
(1.37)
Максимальная кинетическая энергия
фотоэлектрона зависит от частоты по
линейному закону. Она обращается в нуль
при частоте
,
соответствующей красной границе
фотоэффекта:
.
(1.38)
Следовательно, красная граница зависит только от работы выхода электрона из вещества.