фізика / 2 семестр 2 атестація / тема 12 сто і квантова фізика / Заняття 53

Заняття 53

Тема 13. Елементи квантової фізики

Мета: розширити уявлення учнів про світло, освітлення та випромінювання, розглянути подвійні властивості світла, його тиск, явище фотоефекту і властивості фотону

1. Кванти світла.

2. Фотоефект і його вживання

3. Корпускулярно-хвильовий дуалізм. Фотон.

4. Тиск світла.

Самостійно. Хімічна дія світла. Фотографії. Прояв тиску світла в природі.

Ключові слова: квант, фотон, фотоефект, червона межа, тиск світла, корпускулярно-хвильовий дуалізм, дія світла

Фотоефектом називається явище емісії електронів з металів під дією електромагнітного випромінювання.

Для вивчення фотоефекту були проведені такі експерименти. Закріплену на стержні електрометрії добре обчищену цинкову пластину заряджають негативно і освітлюють потоком ультрафіолетового проміння.

1. Спостерігають розряд електрометрії майже миттєво, час затримки складає < 10^-9 с, що указує на безінерційність фотоефекту.

2. Розряд припиняється, якщо ми перекриваємо потік ультрафіолетового проміння склом.

3. Розряд відбувається тим швидше, чим більше інтенсивність світла.

4. Якщо ж повідомити пластині позитивний заряд, то при освітленні ультрафіолетовим промінням розряд електрометрії не спостерігається.

Якщо замінити цинкову пластину мідної або свинцевої явище фотоефекту виявляється при інших параметрах освітленості і початкового заряду.

На підставі результатів експериментів можна одержати наступні закони фотоефекту:

1. Число фотоелектронів n, вирваних з катода за одиницю часу пропорційно інтенсивності світла I.

2. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається частотою світла і не залежить від його інтенсивності.

3. Червона межа _о залежить від хімічної природи речовини і полягання поверхні.

4. Фотоефект практично безінерційний: час між початком опромінювання і початком фотоефекту < 10^-9 с.

Чим більше енергія світлового пучка, тим більше фотострум в ланцюзі. Сила фотоструму відмінна від нуля і при U = 0 В. Це означає, що частина вирваних світлом електронів досягає електроду за відсутності напруги. Якщо замінити полярність батареї, то сила струму зменшиться і при деякій замикаючій (затримуючому) напрузі U₃ зворотної полярності стане рівною нулю. Це значить, що електричне поле гальмує вирвані електрони до повної зупинки, а потім повертає їх на електрод.

Вимірюючи U₃, можна знайти максимальне значення кінетичної енергії електрона.

При зменшенні інтенсивності світла U₃ не змінюється. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.

Пояснення того, чому існує поріг фотоефекту (червона межа), чому максимальна початкова швидкість (і максимальна кінетична енергія електронів) не залежать від інтенсивності світла, а визначаються його частотою (лінійно зростають з частотою), а також пояснення безінерційності фотоефекту не було дано на основі хвильової електромагнітної теорії світла. Адже по цій теорії, виривання електронів з металу є результатом їх "розгойдування" в змінному електромагнітному полі світлової хвилі. Але тоді і швидкість, і кінетична енергія фотоелектронів повинні залежати від амплітуди вектора напруженості Е електричного поля хвилі і, отже, від її інтенсивності, на "розгойдування" електронів потрібен час, тобто ефект не може бути безінерційним.

А. Эйнштейн після М. Планка зробив припущення: світло не тільки випромінюється, але і розповсюджується і поглинається квантами.

Енергія кванта Е = hv, де h - стала Планка, h = 6,6310^-34 Джс.

Кожний квант взаємодіє не зі всією речовиною, на яку падає світло, і навіть не з атомом в цілому, а з окремим електроном атома. Квант віддає свою енергію електрону, а електрон, одержавши енергію, виривається з металу з певною кінетичною енергією. Кванти електромагнітного випромінювання, рухомі з швидкістю с розповсюдження світла у вакуумі, називаються фотонами.

Вирази для енергії, маси і імпульсу фотона

Ці співвідношення зв'язують квантові (корпускулярні) характеристики фотона - масу, імпульс і енергію - з хвильовою характеристикою світла - його частотою.

Світло володіє одночасно хвильовими властивостями, які виявляються в закономірностях його розповсюдження, інтерференції, дифракція, поляризації, і корпускулярними, які виявляються в процесах взаємодії світла з речовиною (випромінювання, поглинання, розсіяння).

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту: .

Одержана електроном енергія кванта (h) витрачається на роботу виходу (А) і придбання кінетичної енергій, тобто початкової швидкості. При дуже великих інтенсивностях (наприклад, при лазерному опромінюванні) один електрон може поглинути два фотони (кванта) і закони фотоефекту порушуються.

Оскільки робота виходу А для даної речовини постійна, то швидкість пропорційна частоті = h - A.

Червоною межею називається мінімальна частота _о, при якій фотоефект починається: V = 0, => А = h_о, тобто вся енергія фотона йде на здійснення роботи виходу.

Змірявши U₃ для певної речовини, можна знайти значення h. Оскільки , А = h_о, h=+h_о, 

Якщо побудувати графік залежності енергії фотонів Е від частоти , то tg = h, для всіх металів однаковий.

На малюнку зображена залежність максимальної кінетичної енергії фотоелектронів від частоти опромінюючого світла для алюмінію, цинку і нікелю. Всі прямі паралелі один одному, причому похил прямої не залежить від матеріалу катода і чисельно рівна постійною Планка h. Відрізки, що відсікаються на осі ординат, чисельно рівні роботі А виходу електронів з відповідних металів.

Світловий тиск - це тиск, який призводить електромагнітна хвиля, падаюча на поверхню тіла (теоретично обґрунтував Максвел, вперше встановив на досліді А.Г. Столєтов):

Р_свет =(1+ r), де r - коефіцієнт віддзеркалення;  - густина енергії електромагнітної хвилі.

Тиск світла на дзеркальну поверхню в два рази більше, ніж на чорну (поглинаючу) поверхню. Імпульс фотона

передається атомам або молекулам тіла з чорною поверхнею. При віддзеркаленні від дзеркальної поверхні імпульс фотона h/c змінюється на протилежний, а частинкам речовини передається імпульс 2h/c.

І

снування світлового тиску передбачено електромагнітною теорією світла Максвела. При падінні електромагнітної хвилі на метал, під дією електричної складової () електрони металу рухатимуться в напрямі, протилежному вектору . Магнітна складова електромагнітного поля () діє на рухомі електрони з силою Лоренца в напрямі, перпендикулярному до поверхні металу - чинить тиск на поверхню металу.

На явищі фотоефекту заснована дія фотоелементів і фотоопорів (фоторезисторів) у фотоекспонометрах, люксметрах і пристроях управління і автоматизації різних процесів, пультах дистанційного керування, а також напівпровідникових фотоелектронних помножувачів і сонячних батарей.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм

У явищі світлового тиску наочно виявляється корпускулярно-хвильовий дуалізм (подвійність світла). Світло володіє хвильовими властивостями (інтерференція, дифракція, поляризація світла), а з другого боку - є потоком фотонів.

Світловий тиск якісний і кількісно пояснюється як квантовими, так і хвильовими властивостями світла.

Енергія фотона прямо пропорційна частоті світла. При малих частотах переважають хвильові властивості, при великих частотах - квантові властивості світла. Квантові і хвильові властивості світла взаємно доповнюють одна однієї і відображають взаємозв'язані закономірності розповсюдження світла і його взаємодії з речовиною.

Хімічна дія світла

Хімічна дія світла - розщеплювання і активізація молекул і атомів при поглинанні ними квантів світла.

Фотографія: AgBr + h  Ag⁺ + Вг + е^-.

Фотосинтез: CO₂ + hv  CО₂* (* - знак активізованої молекули);

n(CO₂*) + n(H₂O)  n(CH₂O) + nO₃.

(орган.соед.)

Молекули Н₂ і Сl₂ в темноті не з'єднуються. Під впливом світла утворення НСl йде за ланцюговою реакцією:

Cl₂ +hv  Cl* + *Cl

С1* + Н₂  НСl + *Н

H* + C1₂  HCl + *Cl.

Питання для самоконтролю

1. Що таке фотоефект?

2. Які досліди підтверджують явище фотоефекту?

3. Які закони фотоефекту?

4. Що таке замикаюче напругу?

5. Що таке квант світла?

6. У чому фізичне значення рівняння Ейнштейна?

7. Що таке «червона межа»?

8. Як пояснюється тиск світла?

9. У чому виявляється корпускулярно-хвильовий дуалізм?

10. Яка хімічна дія світла?

Вправа 53

1. Визначити енергію фотонів, які відповідають найдовшим ( = 0,75 мкм) і найкоротшим (= 0,4 мкм) хвилям видимої частини спектра.

2. Знайти масу та імпульс фотонів для інфрачервоних ( =10¹² Гц) і рентгенівських ( = 10¹⁸ Гц) променів.

3. Довгохвильова (червона) межа фотоефекту для срібла дорівнює 0,26 мкм. Визначити роботу виходу в джоулях.

4. Знайти червону межу фотоефекту для калію.

5. Чи виникає фотоефект у цинку під дією випромінювання, що має довжину хвилі 0,45 мкм?

6. Яку максимальну кінетичну енергію мають вирвані з літію електрони під час опромінювання її світлом з частотою 10¹⁶ Гц?

7. Яка максимальна швидкість електронів, вирваних з поверхні платини під чає опромінювання світлом, довжина хвилі якого 100 нм?

8. Якої довжини промені світла треба спрямувати на поверхню цезію, щоб максимальна швидкість фотоелектронів становила 2000 км/с? Червона межа фотоефекту для цезію дорівнює 690 нм.