квантовой механики, атомной и ядерной физики
9 лекций
(18 аудиторных часов)
- Главная
- Разное
- Дизайн
- Бизнес и предпринимательство
- Аналитика
- Образование
- Развлечения
- Красота и здоровье
- Финансы
- Государство
- Путешествия
- Спорт
- Недвижимость
- Армия
- Графика
- Культурология
- Еда и кулинария
- Лингвистика
- Английский язык
- Астрономия
- Алгебра
- Биология
- География
- Детские презентации
- Информатика
- История
- Литература
- Маркетинг
- Математика
- Медицина
- Менеджмент
- Музыка
- МХК
- Немецкий язык
- ОБЖ
- Обществознание
- Окружающий мир
- Педагогика
- Русский язык
- Технология
- Физика
- Философия
- Химия
- Шаблоны, картинки для презентаций
- Экология
- Экономика
- Юриспруденция
Квантовые свойства излучений (Лекция 4) презентация
Содержание
- 1. Квантовые свойства излучений (Лекция 4)
- 2. Лекция 4. Квантовые свойства излучений План лекции
- 3. 4.1. Виды фотоэффекта Фотоэффект: - открыт
- 4. Внешний фотоэффект - явление вырывания электронов из
- 5. Внутренний фотоэффект - явление перераспределения электронов внутри
- 6. Вентильный фотоэффект - явление пропускания тока через
- 7. 4.2. Внешний фотоэффект. Уравнение Эйнштейна Внешний
- 8. Установка, позволяющая изменять напряжение между анодом и катодом фотоэлемента и измерять анодный ток
- 9. Вольтамперная характеристика внешнего фотоэффекта
- 10. Наличие тока насыщения объясняется тем, что металл
- 11. Первый закон фотоэффекта: сила фототока насыщения
- 12. Вольтамперные характеристики внешнего фотоэффекта при разной
- 13. Вольтамперные характеристики внешнего фотоэффекта при разной
- 14. Второй закон фотоэффекта: задерживающее напряжение прямо пропорционально
- 15. Линейные зависимости
- 16. Третий закон фотоэффекта: для каждого металла существует
- 17. Красной границей фотоэффекта называется минимальная частота света
- 18. А.Эйнштейн в 1905 году объяснил ход экспериментальной
- 19. При фотоэффекте фотон взаимодействует со свободным электроном
- 20. Работа выхода – минимальная энергия, необходимая электрону
- 21. Уравнение Эйнштейна хорошо описывает экспериментальную линейную зависимость
- 22. Коэффициенты линейной зависимости оказались равными:
- 23. Uз ν
- 24. 4.3. Фотоны Фотоны: - частицы света;
- 25. Фотон имеет релятивистскую массу:
- 26. Импульс фотона: Свой импульс
- 27. 2.4. Давление света Свет, падая на поверхность,
- 28. Давление света равно силе, действующей на единицу
- 29. При отражении одного фотона от поверхности (как
- 30. Полное изменение импульса, полученного поверхностью:
- 31. Тогда для давления света получим промежуточную формулу
- 32. Через интенсивность света I давление света запишется:
- 33. 4.5. Эффект Комптона Комптон изучал взаимодействие рентгеновского
- 34. Однако, в рассеянном излучении Комптон обнаружил присутствие
- 35. Схема опыта Комптона
- 36. Упрощённая схема опыта Комптона парафин
- 37. Дифракционные картины, полученные для разных углов
- 38. Эффект Комптона - явление упругого
- 39. Особенности эффекта Комптона 1. Для угла
- 40. 4. С увеличением угла рассеяния угловое расстояние
- 41. 7. Величина смещения Δλ = λ' -
- 42. 9. Постоянная величина λк не
- 43. Теорию обнаруженного эффекта разработали А. Комптон и
- 44. Уменьшение энергии первоначального кванта (фотона) означает увеличение
- 45. «Игра в бильярд»
- 46. Эффектом Комптона называют явление упругого рассеяния электромагнитного
- 47. до после mv P
- 48. Закон сохранения импульса: Закон сохранения энергии:
- 49. Совместное решение уравнений при подстановке данных таблицы
- 50. Величина, выраженная формулой получила
- 51. Присутствие в рассеянном излучении также и длины
- 52. Для видимого света этот сдвиг представляет собой
- 53. Если рассеяние происходит на электроне, сильно связанным
- 54. 4.6. Корпускулярно-волновой дуализм света Рассмотренные выше явления:
- 55. В явлениях: - теплового излучения; фотоэффекта,
- 56. Cвету присущ корпускулярно- волновой дуализм. Свет
Лекция 4. Квантовые свойства излучений План лекции 4.1. Виды фотоэффекта. 4.2. Внешний фотоэффект. Уравнение Эйнштейна. 4.3. Фотоны. 4.4. Давление света. 4.5. Эффект Комптона. 4.6. Корпускулярно-волновой дуализм света.
Слайд 1Омский государственный технический университет
Кафедра физики
Калистратова Л.Ф.
Электронные лекции по разделам оптики,
Слайд 2Лекция 4. Квантовые свойства излучений
План лекции
4.1. Виды фотоэффекта.
4.2. Внешний фотоэффект. Уравнение
Эйнштейна.
4.3. Фотоны.
4.4. Давление света.
4.5. Эффект Комптона.
4.6. Корпускулярно-волновой дуализм света.
4.3. Фотоны.
4.4. Давление света.
4.5. Эффект Комптона.
4.6. Корпускулярно-волновой дуализм света.
Слайд 34.1. Виды фотоэффекта
Фотоэффект:
- открыт в 1887 году немецким физиком Г.
Герцем;
исследован русским учёным А. Г. Столетовым;
подразделяется на 3 вида.
исследован русским учёным А. Г. Столетовым;
подразделяется на 3 вида.
Фотоэффект
Внешний
Внутренний
Вентильный
Слайд 4Внешний фотоэффект - явление вырывания электронов из металла под действием света.
На его основе работают фотоэлементы.
К
А
свет
Слайд 5Внутренний фотоэффект - явление перераспределения электронов внутри чистого полупроводника под действием
света.
На его основе работают фоторезисторы.
На его основе работают фоторезисторы.
Кремний
свет
Слайд 6Вентильный фотоэффект - явление пропускания тока через p - n переход
при его обратном включении под действием света.
На основе этого фотоэффекта работают фотодиоды.
На основе этого фотоэффекта работают фотодиоды.
р
n
свет
Слайд 74.2. Внешний фотоэффект.
Уравнение Эйнштейна
Внешний фотоэффект - явление вырывания электронов из
металла под действием света.
Основные закономерности внешнего фотоэффекта отражены зависимостью величины фототока от напряжения между анодом и катодом.
Такая зависимость называется вольтамперной характеристикой.
ВАХ: I = f(U).
Основные закономерности внешнего фотоэффекта отражены зависимостью величины фототока от напряжения между анодом и катодом.
Такая зависимость называется вольтамперной характеристикой.
ВАХ: I = f(U).
Слайд 8Установка,
позволяющая изменять напряжение между анодом и катодом фотоэлемента и измерять
анодный ток
Слайд 9Вольтамперная характеристика внешнего фотоэффекта
ВАХ имеет две характерные точки:
ток насыщения Iнас.
;
задерживающее (запирающее) напряжение UЗ .
задерживающее (запирающее) напряжение UЗ .
Слайд 10Наличие тока насыщения объясняется тем, что металл катода в единицу времени
с единицы поверхности может испустить определённое число электронов.
При некотором напряжении все вырванные электроны попадают на анод.
Дальнейшее увеличение напряжения не приведёт к увеличению силы фототока.
Для увеличения силы тока нужно увеличить интенсивность света.
При некотором напряжении все вырванные электроны попадают на анод.
Дальнейшее увеличение напряжения не приведёт к увеличению силы фототока.
Для увеличения силы тока нужно увеличить интенсивность света.
Слайд 11
Первый закон фотоэффекта:
сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку;
по-другому: количество испускаемых
катодом электронов пропорционально интенсивности света.
Задерживающим называется напряжение обратного знака, при котором сила фототока равна нулю.
Его величина позволяет определить
максимальную скорость электронов.
Задерживающим называется напряжение обратного знака, при котором сила фототока равна нулю.
Его величина позволяет определить
максимальную скорость электронов.
Слайд 12Вольтамперные характеристики
внешнего фотоэффекта при разной интенсивности света (частота – одинакова)
IФ
IНАС1
IНАС2
UЗ
U
Ф2
Ф1
Слайд 13Вольтамперные характеристики
внешнего фотоэффекта при разной частоте света (интенсивность света –
одинакова)
IФ
IНАС
U
Ф = const
1
2
Слайд 14Второй закон фотоэффекта:
задерживающее напряжение прямо пропорционально зависит от частоты света.
-
по-другому: скорость вырванных электронов пропорционально зависит от частоты света.
Cu
Cs
ν
Uз
Слайд 15
Линейные зависимости
, полученные для разных металлов, параллельны друг другу.
Величины а и b отражают ход этой зависимости.
Угол наклона прямых к оси частот:
не зависит от рода металла;
не зависит от характеристик света.
Величины а и b отражают ход этой зависимости.
Величины а и b отражают ход этой зависимости.
Угол наклона прямых к оси частот:
не зависит от рода металла;
не зависит от характеристик света.
Величины а и b отражают ход этой зависимости.
Слайд 16Третий закон фотоэффекта: для каждого металла существует минимальная частота ( νКР
) , при которой начинается фотоэффект.
Эти частоты относятся к излучению красного видимого диапазона.
Поэтому частоту назвали «красной границей» фотоэффекта.
При частотах, меньших , фотоэффект не возникает.
Эти частоты относятся к излучению красного видимого диапазона.
Поэтому частоту назвали «красной границей» фотоэффекта.
При частотах, меньших , фотоэффект не возникает.
Слайд 17Красной границей фотоэффекта называется минимальная частота света (максимальная длина волны света),
при которой начинается фотоэффект.
Разные металлы:
- имеют различную частоту красной границы;
одинаковую (линейную) зависимость задерживающего напряжения от частоты.
На основе электромагнитной природы света Столетов не смог объяснить линейную зависимость задерживающего напряжения от частоты света.
Разные металлы:
- имеют различную частоту красной границы;
одинаковую (линейную) зависимость задерживающего напряжения от частоты.
На основе электромагнитной природы света Столетов не смог объяснить линейную зависимость задерживающего напряжения от частоты света.
Слайд 18А.Эйнштейн в 1905 году объяснил ход экспериментальной зависимости
Он постулировал, что вещество поглощает энергию света порциями (квантами).
Частица света названа фотоном.
Минимальная энергия фотона определяется формулой Планка:
Слайд 19При фотоэффекте фотон взаимодействует со свободным электроном металла.
На основании закона сохранения
энергии: энергия фотона полностью передаётся свободному электрону металла, который её расходует на работу выхода из металла и кинетическую энергию:
Уравнение Эйнштейна:
Уравнение Эйнштейна:
Слайд 20Работа выхода – минимальная энергия, необходимая электрону для его выхода из
металла при температуре абсолютного нуля.
Работы выхода для многих металлов заключены в интервале от 1 до 10 эВ.
При условии, что кинетическая энергия вылетевшего электрона равна нулю, получим частоту красной границы:
Работы выхода для многих металлов заключены в интервале от 1 до 10 эВ.
При условии, что кинетическая энергия вылетевшего электрона равна нулю, получим частоту красной границы:
Слайд 21Уравнение Эйнштейна хорошо описывает экспериментальную линейную зависимость задерживающего напряжения от частоты
света:
Выразим из уравнения Эйнштейна величину задерживающего напряжения:
Выразим из уравнения Эйнштейна величину задерживающего напряжения:
Слайд 22Коэффициенты линейной зависимости
оказались равными:
Угловой коэффициент а определяется отношением двух постоянных
величин: постоянной Планка h и зарядом электрона e.
Внешний фотоэффект используется как один из методов определения как постоянной Планка, так и работы выхода электронов из металла.
Внешний фотоэффект используется как один из методов определения как постоянной Планка, так и работы выхода электронов из металла.
Слайд 23Uз
ν
Построив экспериментальную зависимость
, можно определить постоянную Планка h и работу выхода электронов из металла А.
Слайд 244.3. Фотоны
Фотоны:
- частицы света;
- их масса покоя равна нулю;
в
вакууме движутся со скоростью с = 3⋅108 м / с;
имеют энергию;
имеют массу;
имеют импульс.
Энергия фотона зависит от частоты света:
ε = hν
имеют энергию;
имеют массу;
имеют импульс.
Энергия фотона зависит от частоты света:
ε = hν
Слайд 25Фотон имеет релятивистскую массу:
Фотон нельзя представить покоящимся: масса покоя фотона равна
нулю.
Все фотоны движутся в вакууме со скоростью
Все фотоны движутся в вакууме со скоростью
Слайд 26Импульс фотона:
Свой импульс фотоны могут передавать веществу, с которым взаимодействуют.
При слиянии
электрона и позитрона их энергия переходит в энергию фотона (процесс «аннигиляции материи»: вещество переходит в поле).
-е
+е
Слайд 272.4. Давление света
Свет, падая на поверхность, создаёт давление.
Рассмотрим общий случай серой
поверхности.
Серая поверхность часть фотонов отражает, часть поглощает.
Давление света определяется импульсом, который передаётся поверхности фотонами, падающими на поверхность за время наблюдения.
Серая поверхность часть фотонов отражает, часть поглощает.
Давление света определяется импульсом, который передаётся поверхности фотонами, падающими на поверхность за время наблюдения.
Слайд 28Давление света равно силе, действующей на единицу площади поверхности.
За время наблюдения
количество падающих фотонов определяется произведением концентрации фотонов n на объём пространства, в котором находятся фотоны.
S
Слайд 29При отражении одного фотона от поверхности (как от зеркальной поверхности) ей
передаётся удвоенный импульс фотона:
При поглощении фотона поверхности (как от чёрной поверхности) передаётся импульс фотона:
Введём коэффициент отражения .
Тогда фотонов от поверхности отразится и
фотонов поглотится поверхностью.
При поглощении фотона поверхности (как от чёрной поверхности) передаётся импульс фотона:
Введём коэффициент отражения .
Тогда фотонов от поверхности отразится и
фотонов поглотится поверхностью.
Слайд 30Полное изменение импульса, полученного поверхностью:
Учтём число фотонов, взаимодействующих с поверхностью за
время наблюдения:
Слайд 31Тогда для давления света получим промежуточную формулу
В этом выражении произведение концентрации
фотонов n на энергию одного фотона mc2 даёт энергию света единицы объёма (объёмную плотность световой энергии).
Окончательно
Окончательно
Слайд 32Через интенсивность света I давление света запишется:
Таким образом, световое давление определяется
энергией (интенсивностью света).
Измерить величину светового давления в земных условиях было чрезвычайно трудно. Впервые давление света измерил русский учёный Лебедев в 1899 году.
Его опыт до сих пор считается уникальным.
Общее давление солнечных лучей на Землю равно
4,3 мкПа.
Измерить величину светового давления в земных условиях было чрезвычайно трудно. Впервые давление света измерил русский учёный Лебедев в 1899 году.
Его опыт до сих пор считается уникальным.
Общее давление солнечных лучей на Землю равно
4,3 мкПа.
Слайд 334.5. Эффект Комптона
Комптон изучал взаимодействие рентгеновского излучения с парафином и наблюдал
дифракционные картины рассеянного излучения (1922 год).
Предполагалось, согласно классической волновой теории рассеяния электромагнитного излучения, что длина волны не должна изменяться.
Под действием периодического электрического поля электромагнитной волны электрон вещества должен колебаться с частотой поля.
Поэтому рассеянные веществом вторичные волны должны иметь ту же частоту, что и первичное излучение.
Предполагалось, согласно классической волновой теории рассеяния электромагнитного излучения, что длина волны не должна изменяться.
Под действием периодического электрического поля электромагнитной волны электрон вещества должен колебаться с частотой поля.
Поэтому рассеянные веществом вторичные волны должны иметь ту же частоту, что и первичное излучение.
Слайд 34Однако, в рассеянном излучении Комптон обнаружил присутствие компоненты с длиной волны
λ’, большей исходной длины волны λ: λ’ > λ.
В учёных кругах этот факт вызвал немалое удивление.
Опыт Комптона был поставлен на установке, позволяющей получать и регистрировать рассеянное веществом излучение, идущее от рентгеновской трубки.
Рассеяние любого излучения происходит под разными углами.
В учёных кругах этот факт вызвал немалое удивление.
Опыт Комптона был поставлен на установке, позволяющей получать и регистрировать рассеянное веществом излучение, идущее от рентгеновской трубки.
Рассеяние любого излучения происходит под разными углами.
Слайд 38Эффект Комптона
- явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных электронах
вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.
Эффект Комптона:
- рассеяние веществом электромагнитных волн со сдвигом длины волны;
заметно проявляется только для рентгеновского и γ- излучения.
Эффект Комптона:
- рассеяние веществом электромагнитных волн со сдвигом длины волны;
заметно проявляется только для рентгеновского и γ- излучения.
Слайд 39Особенности эффекта Комптона
1. Для угла рассеяния ϕ = 0 дифракционный максимум
был одиночным.
2. Длина волны, рассчитанная для угла ϕ = 0 из закона Вульфа-Брэггов (2dsinθ = kλ), оказалась равной λ.
3. Дифракционные максимумы, соответствующие другим углам рассеяния, оказались дублетными (двойными) с длиной волны λ и новой λ', смещённой в сторону более длинных волн.
2. Длина волны, рассчитанная для угла ϕ = 0 из закона Вульфа-Брэггов (2dsinθ = kλ), оказалась равной λ.
3. Дифракционные максимумы, соответствующие другим углам рассеяния, оказались дублетными (двойными) с длиной волны λ и новой λ', смещённой в сторону более длинных волн.
Слайд 404. С увеличением угла рассеяния угловое расстояние между двойными линиями возрастало.
5.
С увеличением угла рассеяния интенсивность несмещённой линии уменьшается, а смещённой возрастала.
6. С ростом атомного номера рассеивающего вещества всё большая часть излучения рассеивается без изменения длины волны.
6. С ростом атомного номера рассеивающего вещества всё большая часть излучения рассеивается без изменения длины волны.
Слайд 417. Величина смещения Δλ = λ' - λ
не зависит:
от
природы рассеивающего вещества;
от длины волны падающего излучения.
зависит:
от угла рассеивания ϕ;
с увеличением этого угла возрастает согласно формуле:
от длины волны падающего излучения.
зависит:
от угла рассеивания ϕ;
с увеличением этого угла возрастает согласно формуле:
Слайд 429. Постоянная величина λк
не зависит:
от характеристик излучения;
от свойств вещества;
равна
(1 пм = 10 – 12 м).
Слайд 43Теорию обнаруженного эффекта разработали А. Комптон и независимо от него П.
Дебай.
Их теория основывалась на том, что рентгеновское излучение можно представить как совокупность частиц – квантов рентгеновского излучения (фотонов).
Попадая в вещество кванты излучения взаимодействуют со свободными электронами вещества по закону абсолютно упругого удара, передавая им часть своей энергии и импульса.
Их теория основывалась на том, что рентгеновское излучение можно представить как совокупность частиц – квантов рентгеновского излучения (фотонов).
Попадая в вещество кванты излучения взаимодействуют со свободными электронами вещества по закону абсолютно упругого удара, передавая им часть своей энергии и импульса.
Слайд 44Уменьшение энергии первоначального кванта (фотона) означает увеличение длины волны рассеянного кванта
излучения.
Электрон, получивший от первоначального кванта энергию и импульс, приходит в движение – испытывает отдачу.
Как выразился М. Борн «эффект Комптона – это игра в бильярд фотонами и электронами».
Электрон, получивший от первоначального кванта энергию и импульс, приходит в движение – испытывает отдачу.
Как выразился М. Борн «эффект Комптона – это игра в бильярд фотонами и электронами».
Слайд 46Эффектом Комптона называют явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных (слабосвязанных
с ядром) электронах, сопровождающееся увеличением длины волны.
Запишем законы сохранения импульса и энергии для системы фотон – электрон.
Запишем законы сохранения импульса и энергии для системы фотон – электрон.
Слайд 49Совместное решение уравнений при подстановке данных таблицы даёт следующее выражение для
величины сдвига длины волны:
Величина получила название комптоновской длины волны электрона.
Величина получила название комптоновской длины волны электрона.
Слайд 50Величина, выраженная формулой
получила название комптоновской длины волны электрона.
В дальнейшем в теорию
вводится понятие комптоновской длины волны любой частицы, скорость движения которой равна скорости света в вакууме.
mO – масса покоя частицы.
mO – масса покоя частицы.
Слайд 51Присутствие в рассеянном излучении также и длины волны означает,
что некоторые из рентгеновских фотонов рассеиваются без потери энергии и импульса.
Это означает, что существуют и неупругие столкновения рентгеновских фотонов с электронами атомов вещества.
При эффекте Комптона происходит заметный сдвиг длины только для рентгеновских и - лучей.
Это означает, что существуют и неупругие столкновения рентгеновских фотонов с электронами атомов вещества.
При эффекте Комптона происходит заметный сдвиг длины только для рентгеновских и - лучей.
Слайд 52Для видимого света этот сдвиг представляет собой очень малую величину.
В области
видимого света импульс фотона значительно меньше импульса электрона в атоме, который может быть направлен произвольно, в результате чего возникает большой разброс по длинам волн .
Слайд 53Если рассеяние происходит на электроне, сильно связанным с ядром, то рассеивающей
системой будет являться атом со всеми электронами, масса которого много больше массы покоя свободного электрона.
Получающееся в результате этого рассеяния изменение длины волны будет ничтожно мало.
Атомы с большим порядковым номером обладают более сильно связанными электронами и поэтому эффект Комптона легче наблюдается у атомов с малыми порядковыми номерами( углерод, парафин).
Получающееся в результате этого рассеяния изменение длины волны будет ничтожно мало.
Атомы с большим порядковым номером обладают более сильно связанными электронами и поэтому эффект Комптона легче наблюдается у атомов с малыми порядковыми номерами( углерод, парафин).
Слайд 544.6. Корпускулярно-волновой дуализм света
Рассмотренные выше явления:
интерференции,
дифракции,
поляризации,
дисперсии
объясняются электромагнитной природой света.
Свет, как волна, имеет частоту ω, длину волны λ, энергию.
Волну можно делить на части, и она локализована во всем объеме.
Слайд 55В явлениях:
- теплового излучения;
фотоэффекта,
эффекта Комптона,
давления света
свет представляется как поток
частиц - фотонов.
Частицы имеют массу, импульс, энергию.
Они не делимы и занимают в пространстве определенный объем.
Частицы имеют массу, импульс, энергию.
Они не делимы и занимают в пространстве определенный объем.
Слайд 56Cвету присущ корпускулярно- волновой дуализм.
Свет обладает двойственностью: он является и частицей
и волной.
Основные уравнения электромагнитного излучения
связывают между собой корпускулярные (энергия и импульс) и волновые (частота или длина волны) свойства.
Основные уравнения электромагнитного излучения
связывают между собой корпускулярные (энергия и импульс) и волновые (частота или длина волны) свойства.
