Квантовые св-ва света. Фотоны и их свойства.
Волновая природа света следует из ур-ний Максвелла. Свет - это волны диапазона (3,87,8)·10-7м. Волновые предст. о свете связаны с непрерывностью волн в пр-ве. В 1887 г. было обнаружено явление фотоэффекта. В 1900 г. Планк предложил идею, что свет распростр. не непрер. в виде волны, а в виде квантов. Эта идея носит название Квантовой гипотезы Планка. В 1905 г. Эйнштейн предложил, что свет не только испускается и распростр., но и поглощается квантами и доказал это, закончив до конца гипотезу Планка. Квантовые св-ва света проявляются в явлениях фотоэффекта, комптон-эффекта и теплового излучения. Соврем. представления о природе света следующие: свет - это сложное явление, для которого в одних условиях характерны волновые св-ва, а в других условиях - квантовые св-ва. Фотон - это одна из элементарных частиц, но принципиально отличная от других элем. частиц. Принято считать, что фотон - это минимальная порция (или квант) э/м излучения.
Свойства фотонов:
1) В любом веществе фотоны всегда распространяются со скор. света: V=с.
2) Фотон никогда не может находится в покое: m=0.
3) По квантовой гипотезе Планка энергия фотона зависит от частоты э/м излучения: =h; h=6,62·10-34Дж·с.
4) Масса фотонов
может быть найдена на основании ур-ния
Эйнштейна из ТО:
5)
Давление света.
Любое э/м излучение, падая на вещ-во любой природы (тв. тела, жидк., газы), оказывает на него давление: P=F/S. Величина давления на любую пов-ть незначительна (например на тв. тела P=5 мкПа). Ф-ла для давления света строго выводится из ур-ния Максвелла: P=w(1+), где w - объёмн. плотн. энергии, - коэф. отражения (=Wотр/Wпад). 10; для =1 - идеальное отражение, =0 - полное поглощение.
29 Причины давления.
Пусть свет падает на тв. тело 0. Используем волновой подход.
При падении э/м волны на свободные заряды действ. сила Лоренца. Э/м волна, падая на пов-ть твёрдого тела, вызывает движение эл. зарядов параллельно пов-ти (на движ. заряды действ. сила Лоренца, т.е. сила Лоренца давит на поверхность).
Давл. Света согл. Квантовым предст.
Рассмотрим давление света на твёрдое тело. Согл. квантовым представлениям свет подобен квантам, несущим с собой импульс. Давление представляет собой импульс, получаемый стенкой. Рассм. 2 случая: Случай 1.
Фотон, попадая на
пов-ть, отражается обратно.
Случай 2. Фотон попадает на зачерненную стенку (). P= P=h/c. Стенка при этом получит импульс поглощённого фотона.
Рассм. более сложный
случай: пусть на 1 м2
за 1 сек попадает N фотонов. 01.
Найдём импульс передаваемый всеми N
фотонами:
;
;
Nh=E (здесь E - облучённость)
27 Фотоэлектрический эффект
Фотоэл. эффект заключается в действии э/м излучения на эл-ны, находящиеся в вещ-ве. Встречается 3 вида фотоэффекта:
1) Внешний ф-э заключается в испускании эл-нов в окруж. пр-во под действием э/м излучения. Внешн. ф/э может проявляться на всех вещ-вах, но наиболее сильно на металлах, имеющих в своём сост. своб. эл-ны.
2) Внутренний ф-э связан с переходом эл-нов вакуумов, полупроводников и диэл-ков под действием э/м излучения из связ. состояния в свободное (выхода наружу нет, эл-ны остаются внутри образца), при этом кол-во носителей тока увелич. Проводимость образца резко возр. и носит назв. фото-проводимости.
3) Вентильный ф-э или ф/э с запирающим слоем заключается в появлении фотоЭДС (ФЭДС) на границах контакта двух полупр. или полупр. и металла, приводящей к возникновению эл. тока без внешн. напряжения. Вентильный ф-э позволяет создавать солнечные батареи.
Ур-ние Эйнштейна: “Энергия фотона падающего э/м излучения на вещ-во расходуется на совершение работы выхода эл-ном и на сообщение вырванному эл-ну (фотоэл-ну) макс. кинетич. энергии” : hA+Tmax (1)
Вырываемые из
пов-ти эл-ны будут иметь разл. скорости.
Эйнштейн изучал случаи когда V<<C -
классическая теория. Согласно ей
.
(2) В дальнейшем обнаружили, что для ряда
веществ при V~C электрон становится
релятивистским. В этом случае ф-ла (2)
неверна. Следует применять:
Обнаружили, что 1 эл-н может взаимодейств. с неск. фотонами. Это наз. нелинейный или многофотонный ф-э. Справедливо ур-е: NhA+Tmax