1 Тема 2. Основи квантової оптики.
3 Основи квантової оптики Квантова гіпотеза Планка привела в подальшому до уявлення про те, що світло випускається і поглинається окремими порціями - квантами, і знайшла своє підтвердження і подальший розвиток в ряді явищ: Фотоелектричний ефект фотоефект) Хімічна дія світла Тиск світла Ефект Комптона
4 Зовнішній фотоефект Явище було відкрито Герцем в 1887 році: він зауважив, що проскакування іскри між кульками розрядника полегшується, якщо один з кульок висвітлити ультрафіолетовими променями. Генріх Рудольф Герц (), німецький фізик
5 Зовнішній фотоефект Фотоелектричним ефектом або фотоефектом називається явище виривання електронів з твердих і рідких речовин під дією світла. Звільнені світлом електрони називаються фотоелектронами
6 Зовнішній фотоефект Явище залежить не тільки від хімічного складу металу, але і від стану його поверхні, тому для вивчення фотоефекту використовують вакуумну трубку.
7 Вольтамперная характеристика фотоефекту Крива залежності фотоструму I від напруги U між електродами називається вольтамперной характеристикою фотоефекту. На малюнку: Ф - світловий потік - струм насичення - всі електрони, що вилітають з катода, потрапляють на анод - затримує напруга (затримує потенціал) - напруга, при якому сила струму дорівнює нулю, тобто жоден електрон не досягає анода
8 Зв'язок максимальної швидкості фотоелектронів з затримують потенціалом Запишемо теорему про кінетичну енергію, де - робота затримує поля, а - зміна кінетичної енергії фотоелектронів Тоді Звідси отримуємо
9 Закони фотоефекту 1.Закон Столєтова: Фотострум насичення прямо пропорційний падаючого світлового потоку Олександр Григорович Столєтов () російський фізик
10 Закони фотоефекту 2. Максимальна кінетична енергія (отже і максимальна початкова швидкість) фотоелектронів для даного матеріалу катода залежить від частоти світла і не залежить від його інтенсивності
11 Закони фотоефекту 3. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто така мінімальна частота світла ν кр, при якій ще можливий фотоефект. Для даного матеріалу катода фотоефект спостерігається лише при опроміненні його світлом з частотою ν> ν кр ν кр ">
12 Закони фотоефекту Довжина хвилі червоної межі фотоефекту Для даного матеріалу катода фотоефект спостерігається лише при опроміненні його світлом з довжиною хвилі λ
13 Червона межа фотоефекту метал λ, нм Цезій660 Натрій500 Цінк372 Серебро260 Цезій на вольфрамі 909
14 Квантова теорія зовнішнього фотоефекту З точки зору хвильової теорії фотоефект виявився нез'ясовний. Виниклі труднощі в тлумаченні законів фотоефекту викликали сумніви в універсальній застосовності хвильової теорії світла. Квантова гіпотеза Планка дозволила в 1905 р А. Ейнштейну побудувати квантову теорію фотоефекту, за що в 1921 році він отримав Нобелівську премію.
15 Гіпотеза Ейнштейна Гіпотеза Ейнштейна: Світло не тільки випускається, але і поширюється в просторі, і поглинається речовиною у вигляді окремих дискретних квантів електромагнітного випромінювання - фотонів. Електромагнітне випромінювання - потік фотонів, енергія яких. Швидкість поширення фотона дорівнює швидкості світла у вакуумі. Альберт Ейнштейн () - геніальний фізик, що поклав основу розвитку сучасної фізики.
16 Рівняння Ейнштейна для фотоефекту Енергія падаючого на катод фотона витрачається на роботу виходу електрона з металу і на повідомлення вилетів електрону кінетичної енергії. Згідно із законом збереження енергії одержуємо: або або Це рівняння називається рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.
17 Рівняння Ейнштейна і його квантова теорія дозволяють пояснити 1-ий закон фотоефекту: Кожен квант поглинається тільки одним електроном, тому число вирваних фотоелектронів пропорційно числу поглинених фотонів, тобто пропорційно інтенсивності падаючого світла.
18 Рівняння Ейнштейна і його квантова теорія дозволяють пояснити 2-ий закон фотоефекту: При деякій досить малій частоті кінетична енергія фотоелектронів стане рівною нулю і фотоефект припиниться, тобто Червона межа фотоефекту залежить тільки від роботи виходу електрона з металу, тобто від хімічної природи речовини і від стану його поверхні.
19 Робота виходу електронів з металу металу вих, Ева вих. Дж Калій2,23,5 Літій2,33,7 Натрій2,54,0 Платіна6,310,1 Серебро4,77,5 Цінк4,06,4
20 Рівняння Ейнштейна і його квантова теорія дозволяють пояснити 3-ий закон фотоефекту: Максимальна кінетична енергія фотоелектронів для даного матеріалу катода залежить від частоти світла і не залежить від його інтенсивності
21 Рівняння Ейнштейна і його квантова теорія дозволяють пояснити 4-ий закон фотоефекту: безінерційні фотоефекту пояснюється тим, що передача енергії при зіткненні фотона з електроном відбувається майже миттєво.
22 Багатофотонні фотоефект Коли електрон отримує енергію від одного лише фотона, то такі процеси називаються однофотонна. При дуже великої інтенсивності світла спостерігається Багатофотонні фотоефект, в ході якого електрон, що вилітає з металу, отримує енергію від N фотонів (N = 2, 3, 4, 5). Формула Ейнштейна для багатофотонного фотоефекту набирає вигляду:
23 Експериментальна перевірка квантової теорії Ейнштейна У 1916 році Міллікен створив прилад, за допомогою якого виміряв роботу виходу, досліджував залежність від частоти світла, з високою точністю виміряв заряд електрона, експериментально перевірив квантову теорію фотоефекту і визначив чисельне значення постійної Планка. Роберт Ендрюс Міллікен () американський фізик, лауреат Нобелівської премії.
24 Експериментальна перевірка квантової теорії Ейнштейна З формул випливає, що замикає напруга є лінійною функцією частоти падаючого світла. Точка перетину прямої з віссю абсцис дає значення граничної частоти. Звідси можна знайти роботу виходу Тангенс кута нахилу прямої дозволяє визначити постійну Планка
25 Експериментальна перевірка квантової теорії Ейнштейна Подальше вдосконалення методики дослідження фотоефекту було здійснено в 1928 році П.І. Лукирський і С.С. Прілежаєвой. Лукирський Петро Іванович (), радянський фізик. Докладати зусиль Сергій Сергійович (), радянський фізик.
26 Фотоелектричні явища і їх застосування Фотоелектричні явища знайшли широке застосування в техніці: Звуковий кіно Телебачення Бачення в темряві
27 Види фотоефекту Залежно від долі електронів, що поглинув фотон, розрізняють три основних види фотоефекту: В металах - зовнішній фотоефект В діелектриках і напівпровідниках - внутрішній фотоефект На кордоні метал - напівпровідник або в області p-n переходу вентильний фотоефект
28 Фотоелементи Прилади, в яких використовується фотоефект для перетворення енергії випромінювання в електричну, називаються фотоелементами. Фотоелементи бувають різних типів: Вакуумні фотоелементи Газонаповнені фотоелементи Фотоелектронні умножители Фотосопротивления (фоторезистори)
29 Маса фотона Енергія фотона З формули взаємозв'язку маси і енергії в СТО отримуємо Звідси маса фотона Фотон не володіє масою спокою, тобто покояться фотонів не існує
30 Імпульс фотона Імпульс фотона і його енергія пов'язані співвідношенням Оскільки то Т. к. то імпульс фотона дорівнює або Якщо ввести хвильове число, то Напрямок імпульсу збігається з напрямком поширення світла
32 У 1900 році Лебедєв відкрив і виміряв тиск світла на тверді тіла. Лебедєв Петро Миколайович (), російський фізик, творець першої російської наукової школи фізиків
33 Ефект Комптона і його теорія У 1923 році Комптон, досліджуючи розсіювання рентгенівських променів різними речовинами, виявив, що в розсіяних променях, поряд з випромінюванням початкової довжини хвилі λ містяться також промені більшої довжини хвилі λ '. Різниця виявилася залежить тільки від кута і не залежить від довжини хвилі λ і від природи розсіює речовини. Комптон Артур Холлі (), американський фізик
34 Ефект Комптона і його теорія Ефектом Комптона називається пружне розсіяння короткохвильового електромагнітного випромінювання (γ - випромінювання, рентгенівського випромінювання) на вільних (або слабо зв'язаних) електронах речовини, що супроводжується збільшенням довжини хвилі.
35 Ефект Комптона і його теорія Ефект Комптона пояснюється на основі квантових уявлень: це процес пружного зіткнення фотона, що володіє імпульсом і енергією, з спочиваючим вільним електроном (енергія спокою), при якому фотон передає йому частину своєї енергії і імпульсу і змінює напрямок руху (розсіюється ). Зменшення енергії фотона і означає збільшення довжини хвилі розсіяного випромінювання.
36 Ефект Комптона і його теорія Нехай імпульс і енергія розсіяного фотона рівні і Електрон, раніше покоївся, набуває імпульс і енергію При цьому виконуються закони збереження енергії і імпульсу в системі речовина випромінювання, яку можна вважати ізольованою. Закон збереження енергії Закон збереження імпульсу
37 Ефект Комптона і його теорія Згідно малюнку або ((1) Запишемо закон збереження енергії у вигляді Розділимо ліву і праву частину на с, отримаємо або Зведено ліву і праву частини в квадрат Зробимо заміну з отримаємо (2)
38 Ефект Комптона і його теорія Вираз (2) віднімаємо з виразу (1) (2) (1) Отримуємо або Замість підставляємо В результаті огляду, що і отримуємо або
39 Ефект Комптона і його теорія Зміна довжини хвилі фотона (формула Комптона), де - довжина хвилі первинного монохроматичноговипромінювання, - довжина хвилі розсіяного під кутом θ до початкового напрямку випромінювання.
40 Ефект Комптона і його теорія З формули слід в згоді з досвідом, що збільшення довжини хвилі при ефекті Комптона залежить тільки від кута розсіювання θ. Величину називають комптонівської довжиною хвилі, комптонівська довжина хвилі для електрона дорівнює
41 Ефект Комптона і його теорія Електрон, який в ефекті Комптона набуває імпульс і енергію Е називається електроном віддачі. Кінетична енергія електрона віддачі, як це випливає з закону збереження енергії, дорівнює різниці між енергією падаючого фотона і енергією розсіяного фотона Найбільшу кінетичну енергію електрон віддачі набуває при
42 Ефект Комптона і його теорія Якщо електрон сильно пов'язаний з атомом, то фотон обмінюється енергією і імпульсом з атомом в цілому, а тому маса атома значно більша за масу електрона, то атому передається незначна частина енергії фотона, тобто в цьому випадку і практично не відрізняються.
43 Ефект Комптона і його теорія Ефект Комптона спостерігається не тільки на електронах, але і на інших частинках, наприклад, протонах, однак, тому що маса протона велика, то ефект проглядається тільки при розсіянні фотонів дуже високих енергій.
44 Корпускулярно-хвильова подвійність світла При вивченні оптичних явищ фізики прийшли до висновку, що світло являє собою процес поширення електромагнітних хвиль. Оскільки саме хвильовими властивостями пояснюються такі явища як Інтерференція світла Дифракція світла Дисперсія світла
45 Корпускулярно-хвильова подвійність світла З іншого боку були виявлені явища, які можна пояснити, лише виходячи з уявлень про світло, як про потік частинок. Це такі явища як Теплове випромінювання Фотоефект Тиск світла Ефект Комптона
46 Корпускулярно-хвильова подвійність світла Розвиток теорії про світлові кванти призвело до того, що були встановлені поняття маси та імпульсу фотона. Для імпульсу фотона справедливі співвідношення які вказують на зв'язок хвильових характеристик світла (λ, ν) з величинами (m, p), які є характеристиками частинки. В цьому і полягає дуалізм, подвійність світла.