|
|
Шпаргалки Квантовая физика. Испускание электронов веществом под действием света называется
1.Фотоэффект
Испускание электронов веществом под действием света называется фотоэффектом.
Явление ф.э. демонстрирует простой опыт. Если отриц. заряженную цинковую пластинку, соединённую с электроскопом (прибором, показывающим наличие электрического заряда), осветить светом уф- лампы, то очень быстро стрелка электроскопа перейдёт в нулевое состояние. Это говорит о том, что заряд исчез с поверхности пластины. Если такой же опыт проделать с положительно заряженной пластиной, стрелка электроскопа не отклонится вовсе. Этот опыт был впервые проведен Столетовым.
Явление фотоэффекта было открыто в начале XIX.Беккерель наблюдал фотогальванический эффект на границе металлического электрода и жидкости (электролите). Смит Уиллоуби обнаружил, что если воздействовать на селен электромагнитным излучением, то его электропроводность меняется.
Герц заметил, что заряженный конденсатор разряжается гораздо быстрее, если осветить его пластины уф-излучением.Вклад в изучение ф.э. внёс Столетов, проводивший детальные опыты по изучению ф.э. Для этого он сконструировал специальный прибор, состоявший из двух параллельных дисков. Один из этих дисков, катод, сделанный из металла, находился внутри стеклянного корпуса. Другой диск, анод, представлял собой металлическую сетку, нанесённую на изготовленный из кварцевого стекла торец корпуса. Кварцевое стекло было выбрано учёным не случайно. Дело в том, что оно пропускает все виды световых волн, включая уф-излучение. Обычное стекло уф- излучение задерживает. Из корпуса откачивался воздух. К каждому из дисков подводилось напряжение: к катоду отрицательное, к аноду положительное.Во время опытов учёный освещал катод через стекло красным, зелёным, синим и уф-светом. Величина тока регистрировалась гальванометром, в котором основным элементом было зеркало. В зависимости от величины фототока, зеркало отклонялось на разный угол. Наибольший эффект оказывали уф- лучи. И чем больше их было в спектре, тем сильнее оказывалось воздействие света.Столетов обнаружил, что под действием света освобождаются только отрицательные заряды.Катод изготавливали из различных металлов. Наиболее чувствительными к свету оказались такие металлы, как алюминий, медь, цинк, серебро, никель., было установлено, что освобождаемые при ф.э. отрицательные заряды являются электронами. Альберт Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, как частный случай закона сохранения и превращения энергии.
 где Aвых - работа выхода ē из материала катода,а  - мах кинетич-кая Е фото-ē.
Отсюда следует, что красная граница фотоэффекта опр-сяформулой: 
|
2.Рентгеновское излучение.
РИ– э.м волны, Е фотонов кот. лежит на шкале э-магнитных волн между уф изл-ем и γ-изл-ем, что соотв-ет длинам волн от 10−2 до 102 Å (от 10−12 до 10−8 м).
Фотоны РИ имеют Е от 100 эВ до 250 кэВ, что соотв-ет изл-ю с частотой от 3·1016 до 6·1019 Гц и длиной волны 0,005-10 нм.
Рентген-кие лучи (РЛ) могут проникать сквозь в-во, причём разл-ныев-ва по-разному их погл-ют. Погл-е РЛ явл-ся важнейшим их св-вом в рентген-кой съёмке. Интенс-ть РЛ экспоненциально убывает в завис-ти от пройденного пути в погл-ющем слое (I = I0e-kd, где d - толщина слоя, коэф-т k пропорционален Z³λ³, Z - атомный номер элемента, λ - длина волны).Погл-е происходит в рез-те фотопогл-я и комптоновского рассеяния.
При помощи РЛ можно «просветить» человеч-кое тело, в рез-те чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов. В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии РЛ исп-ся для выяснения структуры в-в на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния РИ на кристаллах. При помощи РИ может быть определён хим. состав в-ва. В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионныеинтроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.
|
3, Эффект Комптона.
ЭК – рассеяние э.м. изл-я на свободном ē, сопровождающееся уменьшением частоты изл-я (открыт в 1923 г.). В этом процессе э.м изл-е ведёт себя как поток отдельных частиц- корпускул (кванты э.м. поля - фотоны), что доказывает двойственную корпускулярно-волновую природу э.м. изл-я. С точки зрения классич-кой э-динамики рассеяние изл-я с изм-ем частоты невозможно.
Комптоновское рассеяние - это рассеяние на свободном ē отдельного фотона с Е = hν = hc/λ (h –пост-ная Планка, ν - частота э-магнитной волны, λ - её длина, с - скорость света) и имп-сом р = Е/с. Рассеиваясь на покоящемся ē, фотон передаёт ему часть своей Е и имп. и меняет направл-е своего движ-я. ē в рез-те рассеяния начинает двигаться. Фотон после рассеяния будет иметь Е' = hν' меньшую, чем его Е до рассеяния. Соотв-но после рассеяния длина волны фотона λ' увел-ся.
Из законов сохр-я Е и имп-са следует, что длина волны фотона после рассеяния увел-ся на величину: ,где θ - угол рассеяния фотона, а me - масса ē h/mec = 0.024 Å наз-ся комптоновской длиной волны ē.
Изм-е длины волны при комптоновском рассеянии не зависит от λ и опр-ся лишь углом θ рассеяния γ-кванта. Кинетич-кая Е ē опр-ся соотнош-ем:
Эффект-ное сечение рассеяния γ-кванта на ē не зависит от хар-к в-ва поглотителя. Эффект-ное сечение этого же процесса, рассчитанное на один атом, пропорц-но атомному номеру Z.Сечение комптоновского рассеяния убывает с ростом Е γ-кванта: σk 1/Eγ.
|
4.Фотон.Давление света.
Фотон - это элементарная частица, квант электромагнитного поля. Он не существует в состоянии покоя. Его жизнь коротка. Он рождается при излучении, двигается со световой скоростью и перестаёт существовать, когда его поглощают.
Планк выдвинул гипотезу, смысл которой заключался в том, что при электромагнитном излучении, возникающем за счёт внутренней энергии тела, энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными неделимыми порциями. Каждая такая порция называется квантом.
Планк исследовал излучения нагретого тела. Согласно теории Максвелла такое тело, непрерывно излучая электромагнитные волны, теряет свою энергию. В конце концов оно должно охладиться до температуры абсолютного нуля. Но в действительности не вся энергия тратится на излучение электромагнитных волн. Поэтому Планк и предположил, что атомы испускают энергию квантами.
Энергия кванта пропорциональна частоте электромагнитного излучения и вычисляется по формуле:
Е = h·ν,
где ν - частота излучения; h - постоянная Планка, называемая основной константой квантовой теории. Она связывает квантовую и традиционную системы единиц: величину энергии кванта электромагнитного излучения и его частоту.
h = 6,626 069 57(29) х 10-34Дж/с.
Иногда вместо h применяется величина ħ = h/2π. Её получают путём деления постоянной Планка на 2π и называют редуцированной (приведенной) постоянной Планка или постоянной Дирака.
ħ =1,054 571 726(47) х 10-34Дж/с.
Е = ħω, где ω = 2πν - угловая частота кванта.
Альберт Эйнштейн сделал предположение, что свет не только излучается, но и распространяется и поглощается также порциями - квантами. Позднее тезис Эйнштейна был подтверждён экспериментально.
учёный Гилберт Льюис предложил называть квант света фотоном.
Дж. Максвелл, исходя из представлений об э.м. природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давл-е на препятствие.
Квантовая теория света объясняет световое давл-е как рез-т передачи фотонами своего имп. атомам или молекулам в-ва. Пусть на поверх-ть абс-но черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов:  . Каждый фотон обладает импульсом  Полный имп., получаемый поверх-тью тела, равен  . Световое давление:  .
При падении света на зеркальную поверх-ть удар фотона считают абс-но упругим, поэтому изм-е имп-са и давл-е в 2 раза больше, чем при падении на черную поверх-ть.
Это давл-е оказалось 4.10-6 Па. П. Н. Лебедев измерил давл-е света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Опыты П. Н. Лебедева - экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают имп-сом.
|
Внешний фотоэффект.Процесс выхода электронов из вещества под действием э.м излучения называют внешним ф.э., или фотоэлектронной эмиссией. Электроны, вылетающие с поверхности, называются фотоэлектронами. Соответственно, эл. ток, который образуется при их упорядоченном движении, называют фототоком.Первый закон фотоэффекта.Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока. Чем выше интенсивность излучения, тем большее количество электронов будет выбито из катода за 1 с.Интенсивность светового потока пропорциональна числу фотонов. С увеличением числа фотонов увеличивается число электронов, покидающих поверхность металла и создающих фототок. Следовательно, увеличивается сила тока.Второй закон фотоэффекта Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.Энергия, которой обладает падающий на поверхность фотон, равна:Е = h·ν,где ν - частота падающего фотона; h - постоянная Планка.Получив энергию Е, электрон совершает работу выхода φ. Остальная часть энергии - это кинетическая энергия фотоэлектрона.Из закона сохранения энергии вытекает равенство:h·ν=φ + We, где We - максимальная кинетическая энергия электрона в момент вылета из металла.h·ν=φ + mv2/2
Третий закон фотоэффекта Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света νmin (или максимальная длина волны λmax), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν˂ νmin, то фотоэффект уже не происходит.Фотоэффект проявляется, начиная с определённой частоты света νmin. При этой частоте, называемой «красной» границей фотоэффекта, начинается испускание электронов. h· νmin = φ.Если частота фотона ниже νmin, его энергии будет недостаточно, чтобы «выбить» электрон из металла.
Внутренний ф.э.Если под воздействием излучения электроны теряют связь со своми атомами, но не покидают твёрдые и жидкие полупроводники и диэлектрики, а остаются внутри них как свободные электроны, то такой фотоэффект называется внутренним. В результате происходит перераспределение электронов по энергетическим состояниям. Изменяется концентрация носителей зарядов и возникает фотопроводимость (увеличение проводимости под воздействием света).К внутреннему фотоэффекту относят и вентильный фотоэффект, или фотоэффект в запирающем слое. Этот фотоэффект возникает, когда под воздействием света электроны покидают поверхность тела и переходят в другое, контактирующее тело - полупроводник или электролит.
Применение ф.э.Все устройства, принцип действия которых основан на фотоэффекте, называются фотоэлементами. Первым в мире фотоэлементом стал прибор Столетова, созданный им для проведения опытов по изучению фотоэффекта.Фотоэлементы широко используются в самых различных устройствах в автоматике и телемеханике.. С помощью фотоэлементов уличное освещение включается с наступлением темноты и отключается на рассвете. Они помогают управлять турникетами в метро и маяками на суше, опускают шлагбаум при приближении поезда к переезду. Их используют в телескопах и солнечных батареях.
|
5,Корпускулярно-волновой дуализм света.Опыты Ботэ,Вавилова
э.м волны состоят из элементарных частиц- фотонов, -явл-ся примером КВД: в одних экспериментах (интерференция, дифракция) свет проявляет себя как волна, в других (фотоэффект, эффект Комптона) - как ч-ца.
Не только фотоны, но и др. ч-цы (ē) наряду с корп-ными обладают и волновыми св-вами. Т.о., с кажд. микрообъектом связаны корп-ные хар-ки- E и имп. p - и волновые хар-ки- частота ν и длина волны λ. Длина волны де Бройля микрообъекта равна: а соответствующая ей частота 
Опыты по дифракции ē и др.ч-ц на кристаллах явл-ся подтверждением гипотезы де Бройля. Мысленный эксперимент по дифракции ē-го пучка на щели позволяет объединить волновые икорп-ныесв-вач-ц.
Опыт Боте (1924 г.). В этом опыте тонкая металлич-кая фольга Ф освещалась рентген-кими лучами малой интенс-ти, вызывающими в фольге слабую рентген-кую флюоресценцию. Рентген-кое изл-е от фольги попадало на два счетчика ионизирующего изл-я (счетчики Гейгера). Чувствительность таких счетчиков настолько велика, что они могут регистрировать отдельные рентген-кие кванты. Срабатывая, счетчики приводили в действие механизмы самописцев, делающие отметки на движущейся ленте. В рез-те получено, что отметки на ленте от двух самописцев, связанные с моментами попадания в счетчики рентген-ких квантов, абсолютно случайны. Этот факт можно было объяснить лишь беспорядочным попаданием рентген-ких квантов, рассеиваемых фольгой то в одном, то в др.направл-и, тогда как согласно волновым представлениям изл-е от источника должно распространяться равномерно во все стороны.
|
6.Тепловое излучение
Тела, нагреты до достаточно высоких t, светятся. Свече ние тел, обусловленное нагреванием, наз-ся тепловым излучением.
Тепл. излуч – это испускание электромагнитных волн за счёт внутр. энергии тел. Тепл.излуч. хар-ся сплошным спектром. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и УФ) электромагнитные волны, при низких –длинные (ИК).
Характеристики теплового излучения
Поток излучения (Ф) - энергия, излучаемая за единицу времени со всей поверхности тела. [Дж/с = Вт]
Энергетическая светимость (Re) - энергия теплового излучения, испускаемого за единицу времени с единичной поверхности нагретого тела: Re=Ф/S
[Вт/м2]. Эти величины зависят от температуры и строения вещества: Ф = Ф(Т), Re = Re(T)
Спектральная плотность энергетической светимости (r) или испускательная способность - отношение энергетической светимости в узком участке спектра (dRe) к ширине этого участка (dλ): 
Чтобы рассчитать энергетическую светимость тела в любом диапазоне длин волн:
Тела не только испускают, но и поглощают тепловое излучение. Способность тела к поглощению энергии излучения зависит от его вещества, температуры и длины волны излучения. Поглощательную способность тела характеризует монохроматический коэффициент поглощения α.
Монохроматическим коэффициентом поглощения αλ называется отношение потока излучения, поглощенного данным телом, к величине падающего монохроматического потока:
 Монохроматический коэффициент поглощения - величина безразмерная. Его значения лежат между нулем и единицей: 0 ≤ α ≤ 1.
Функция α = α(λ,Τ) - поглощательной способностью тела
Абсолютно черное тело - такое тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн: α = 1. Оно поглощает все падающее на него излучение.
Абсолютно белое тело - такое тело, коэффициент поглощения которого равен нулю для всех длин волн: α = 0.
Серое тело - это тело, для которого коэффициент поглощения не зависит от длины волны: α = const < 1.
Некоторые реальные тела обладают этим свойством в определенном интервале длин волн и температур. Например, «серой» (α = 0,9) можно считать кожу человека в инфракрасной области.
Закон Кирхгофа - отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:
Закон Стефана-Больцмана - энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:
| | |
|
|
Скачать 0.49 Mb.