Квантовая теория света

Квантовая теория света

Квантовая теория света

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА

fСОДЕРЖАНИЕ

  • ВВЕДЕНИЕ
  • 1. Развитие представлений о свете
  • 2. Квантовые свойства света: фотоэффект. Эффект Комтона
  • 3. Квантовая теория Планка
  • ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  • СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

fВВЕДЕНИЕ

Рис. 5. Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты н падающего света.

fК удивлению ученых, величина Uз оказалась не зависящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты н света (рис. 5).

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

1) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света н и не зависит от его интенсивности.

2) Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота нmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

3) Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

4) Фотоэффект практически безинерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света н > нmin.

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом.

Согласно волновым представлениям электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода.

Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели невозможно было также понять существование красной границы фотоэффекта.

Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока, пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах: Учеб. пособие для вузов / Т.Я. Дубнищева. — Новосибирск : Сибирское унив. изд-во, 2003. — 407 с..

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М.

 Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hн, где h — постоянная Планка Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру.

Электромагнитная волна состоит из отдельных порций — квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hн одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества.

Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл-вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта.

Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты н (рис. 5), равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.) и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода A:

где c — скорость света, лкр — длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10-19 Дж). В квантовой физике часто используется электрон-вольт в качестве энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка, выраженное в электрон-вольтах в секунду, равно

h = 4,136·10-15 эВ·с

fСреди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта лкр ? 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. — М.: 2007.

Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов.

Энергия фотонов равна

E = hн.

Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы, m = 0. Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы,

E2 = m2c4 + p2c2,

следует, что фотон обладает импульсом

Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах — корпускулах.

Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой.

При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом — корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма.

Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов.

Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком, и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.

Эффект Комптона

Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона (1922 г.).

Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества.

Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения, названный впоследствии эффектом Комптона, не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изменяться при рассеянии.

Согласно волновой теории, электрон под действием периодического поля световой волны совершает вынужденные колебания на частоте волны и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты Гусейханов, М.К.  Концепции современного естествознания: — М. : Дашков и К, 2005. — 692 с..

Схема Комптона представлена на рис. 6. Монохроматическое рентгеновское излучение с длиной волны л0, исходящее из рентгеновской трубки R, проходит через свинцовые диафрагмы и в виде узкого пучка направляется на рассеивающее вещество-мишень P (графит, алюминий).

Излучение, рассеянное под некоторым углом и, анализируется с помощью спектрографа рентгеновских лучей S, в котором роль дифракционной решетки играет кристалл K, закрепленный на поворотном столике.

Опыт показал, что в рассеянном излучении наблюдается увеличение длины волны Дл, зависящее от угла рассеяния и:

Дл = л — л0 = 2Л sin2 и / 2,

где Л = 2,43·10-3 нм — так называемая комптоновская длина волны, не зависящая от свойств рассеивающего вещества. В рассеянном излучении наряду со спектральной линией с длиной волны л наблюдается несмещенная линия с длиной волны л0. Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода рассеивающего вещества.

Рис.6. Схема эксперимента Комптона

На рис.7 представлены кривые распределения интенсивности в спектре излучения, рассеянного под некоторыми углами.

Рис. 7. Спектры рассеянного излучения

fОбъяснение эффекта Комптона было дано в 1923 году А. Комптоном и П. Дебаем (независимо) на основе квантовых представлений о природе излучения.

Если принять, что излучение представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными.

В процессе столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствии с законами сохранения Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. М., 2004.

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц — налетающего фотона, обладающего энергией E0 = hн0 и импульсом p0 = hн0 / c, с покоящимся электроном, энергия покоя которого равна Фотон, столкнувшись с электроном, изменяет направление движения (рассеивается). Импульс фотона после рассеяния становится равным p = hн / c, а его энергия E = hн 

Источник: https://revolution.allbest.ru/physics/00817339_0.html

Зарождение квантовой теории света

Ньютон обнаружил так называемую интерференцию света. Эту теорию он обосновал в своих ранних работах, она стала классическим представлением на несколько столетий.

В более поздних научных изысканиях ряд европейских ученых смогли обосновать первые эксперименты со светом, проведенные еще три столетия назад.

Мир увидел новую теорию волновой природы света, что противоречило более ранним представлениям.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Майкл Фарадей в середине 19 века продолжил труды своего коллеги и установил ощутимую связь между светом и магнетизмом, который он пристально изучал на протяжении нескольких лет.

Его опыты показали, что магнитные колебания и световые напрямую связаны между собой и являются по своей направленности поперечными. Он установил также скорость распространения таких волн. Они двигались с конечной скоростью.

Позже ее вычислили с большой долей достоверности. Сегодня мы знаем эту величину как скорость света. В эксперименты Фарадея легла его собственная теория, изучающая электромагнетизм.

Теперь было введено дополнительное понятие для магнитного поля, однако у автора работ до сих пор отсутствовало многие математические методы при описании подобных явлений, которые он фиксировал в своей лаборатории.

Позже подобная связь была вычислена математическими методами. В 1864 году была установлена практическая связь между оптикой и явлениям магнетизмом. Во многом это стало возможным при помощи интуитивных возможностей исследователей того времени, поскольку точных измерений и основополагающих исследований не проводилось или их было крайне недостаточно для формирования полноценной теории света.

Д.-К. Максвелл стал первым ученым, который опираясь на предыдущие опыты Фарадея смог сформулировать в математических формулах теорию электромагнитного поля.

При помощи нее были объяснены все основные понятия и явления электромагнетизма, которые до сих пор лежат в основе современных исследований. Максвелл ввел понятие электромагнитной картины мира и ее подхватили еще ряд ученых того времени.

Развитием идей теории света занялся российский физики Лебедев. Он внес решающую лепту в освоении этой дисциплины и провел ряд практических опытов, определяя зависимость и взаимодействие радиоволн в остальных физических явлениях.

Чуть позже ученые Герц смог сделать первые полезные открытия и создать аппаратуру, которая перевернула развитие человеческой цивилизации. В частности, были созданы устройства беспроводной связи от телеграфа до телевидения.

В начале 20 века на основе всех предыдущих открытий стало возможным сформулировать первые научные тезисы самой квантовой теории света. К тому времени были сделаны основополагающие открытия в области строения атома, поэтому задача ученых значительно упростилась.

Определение 1

М. Планк вывел математическую закономерность, связывающую интенсивность теплового излучения с длиной волны. Она изменялась под воздействием нагрева вещества. Подобная теория получила название квантовой и произвела революцию во всем течении развития физики.

Через некоторое время теория квантов была надежно прицеплена к новой теории атомов, которую развивал Нильс Бор. Она объяснила природу движения элементарных частиц в твердых телах. Это стало отправной точкой развития квантовой физики. Спустя некоторое время М. Планк получил Нобелевскую премию за свое открытие.

Квантовая теория: противоречия

В начале 20 века в научно среде вновь возникла вона противоречий между учеными разной направленности. Некоторые исследователи пытались увязать предыдущие знания с теориями, выдвинутыми Альбертом Эйнштейном. Он считал, что существует двойственность природы света и вещества.

Это легло в основу гипотетических предположений о дуализме микромира и разноплановости существования веществ в объективной реальности. Существовала версия, что каждому отдельному электрону должна была параллельно соответствовать световая волна.

После соотношения с высказанной теорией относительности Эйнштейна подобные тезисы были подтверждены математическими вычислениями, что привело к ряду новых интересных открытий.

После открытия двойственной волновой природы электронов были сформулированы:

  • основы волновой механики;
  • волновые свойства микрочастиц;
  • новые методы исследования структуры веществ.

Затем были разработаны общие теории относительности, в которых были установлены принципы существования времени, материи и пространства. Эти знания легли в основу квантовой теории света, которая постигает новые высоты на современном этапе развития науки и не является конечной.

Фотоэлектрический эффект

Определение 2

Испускание металлом электронов под воздействием на него света получило название фотоэлектрического эффекта.

Его на протяжении всей своей научной жизни пытался изучать российский исследователь А. Столетов. Физик изучал свойства железа и использовал материал в своих экспериментах со световыми волнами.

Через некоторое время он установил основные понятия нового явления и заявил, что есть законы фотоэлектрического эффекта, то есть превращения энергии света в электрическую энергию. В ходе проведения опытов удалось понять, что при изменении интенсивности освещения способны меняться только числа испускаемых электронов.

Максимальная кинетическая энергия, вылетающих из металла электронов, не зависела от интенсивности освещения. Она менялась только при изменении частоты падающего на металл света.

Эйнштейн смог доказать правильность исследований Столетова, а также:

  • закономерности химического действия света;
  • температурную зависимость теплоемкости твердых тел;
  • ряд других явлений.

Эта теория стала весьма полезной в формировании представлений о развитии в строении атомов и молекул на век вперед.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/kvantovaya_teoriya_sveta/

Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона

Квантовая теория света

      В современной трактовке гипотеза квантов утверждает, что энергия E колебаний атома или молекулы может быть равна hν, 2hν, 3hν и т.д., но не существует колебаний с энергией в промежутке между двумя последовательными целыми, кратными .

Это означает, что энергия не непрерывна, как полагали на протяжении столетий, а квантуется, т.е. существует лишь в строго определенных дискретных порциях. Наименьшая порция называется квантом энергии.

Гипотезу квантов можно сформулировать и как утверждение о том, что на атомно-молекулярном уровне колебания происходят не с любыми амплитудами. Допустимые значения амплитуды связаны с частотой колебания ν.

      В 1905 г. Эйнштейн выдвинул смелую идею, обобщавшую гипотезу квантов, и положил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта).

Согласно теории Эйнштейна, свет с частотой νне только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых .

Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме (с). Квант электромагнитного излучения получил название фотон.

      Как мы уже говорили, испускание электронов с поверхности металла под действием падающего на него излучения соответствует представлению о свете как об электромагнитной волне, т.к.

электрическое поле электромагнитной волны воздействует на электроны в металле и вырывает некоторые из них.

Но Эйнштейн обратил внимание на то, что предсказываемые волновой теорией и фотонной (квантовой корпускулярной) теорией света детали фотоэффекта существенно расходятся.

      Итак, мы можем измерить энергию вылетевшего электрона, исходя из волновой и фотонной теории. Чтобы ответить на вопрос, какая теория предпочтительней, рассмотрим некоторые детали фотоэффекта.

      Начнем с волновой теории, и предположим, что пластина освещается монохроматическим светом. Световая волна характеризуется параметрами: интенсивностью и частотой (или длиной волны). Волновая теория предсказывает, что при изменении этих характеристик происходят следующие явления:

       ·       при увеличении интенсивности света число выбитых электронов и их максимальная энергия должны возрастать, т.к. более высокая интенсивность света означает большую амплитуду электрического поля, а более сильное электрическое поле вырывает электроны с большей энергией;

      выбитых электронов; кинетическая энергия зависит только от интенсивности падающего света.

      Совершенно иное предсказывает фотонная (корпускулярная) теория. Прежде всего, заметим, что в монохроматическом пучке все фотоны имеют одинаковую энергию (равную hν). Увеличение интенсивности светового пучка означает увеличение числа фотонов в пучке, но не сказывается на их энергии, если частота остается неизменной.

Согласно теории Эйнштейна, электрон выбивается с поверхности металла при соударении с ним отдельного фотона. При этом вся энергия фотона передается электрону, а фотон перестает существовать. Т.к.

электроны удерживаются в металле силами притяжения, для выбивания электрона с поверхности металла требуется минимальная энергия A (которая называется работой выхода и составляет, для большинства металлов, величину порядка нескольких электронвольт).

Если частота ν падающего света мала, то энергии и энергии фотона недостаточно для того, чтобы выбить электрон с поверхности металла. Если же , то электроны вылетают с поверхности металла, причем энергия в таком процессе сохраняется, т.е. энергия фотона (hν) равна кинетической энергии вылетевшего электрона плюс работе по выбиванию электрона из металла:

(2.3.1)

      Уравнение (2.3.1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

      На основе этих соображений, фотонная (корпускулярная) теория света предсказывает следующее.

       1.     Увеличение интенсивности света означает увеличение числа налетающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов. Но так как энергия фотонов одна и та же, максимальная кинетическая энергия электрона не изменится (подтверждается I закон фотоэффекта).

       2.     При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия электронов линейно возрастает в соответствии с формулой Эйнштейна (2.3.1). (Подтверждение II закона фотоэффекта). График этой зависимости представлен на рис. 2.3.

,

Рис. 2.3

       3.     Если частота ν меньше критической частоты , то выбивание электронов с поверхности не происходит (III закон).

      Итак, мы видим, что предсказания корпускулярной (фотонной) теории сильно отличаются от предсказаний волновой теории, но очень хорошо совпадают с тремя экспериментально установленными законами фотоэффекта.

      Уравнение Эйнштейна было подтверждено опытами Милликена, выполненными в 1913–1914 гг. Основное отличие от опыта Столетова в том, что поверхность металла подвергалась очистке в вакууме. Исследовалась зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и определялась постоянная Планка h.

      В 1926 г. российские физики П.И. Лукирский и С.С. Прилежаев для исследования фотоэффекта применили метод вакуумного сферического конденсатора. Анодом служили посеребренные стенки стеклянного сферического баллона, а катодом – шарик (R ≈ 1,5 см) из исследуемого металла, помещенного в центр сферы.

Такая форма электродов позволяла увеличить наклон ВАХ и тем самым более точно определить задерживающее напряжение (а следовательно, и h). Значение постоянной Планка h, полученное из этих опытов, согласуется со значениями, найденными другими методами (по излучению черного тела и по коротковолновой границе сплошного рентгеновского спектра).

Все это является доказательством правильности уравнения Эйнштейна, а вместе с тем и его квантовой теории фотоэффекта.

      Для объяснения теплового излучения Планк предположил, что свет испускается квантами. Эйнштейн при объяснении фотоэффекта предположил, что свет поглощается квантами. Также Эйнштейн предположил, что свет и распространяется квантами, т.е. порциями. Квант световой энергии получил название фотон. Т.е. опять пришли к понятию корпускула (частица).

      Наиболее непосредственное подтверждение гипотезы Эйнштейна дал опыт Боте, в котором использовался метод совпадения (рис. 2.4).

Рис. 2.4

      Тонкая металлическая фольга Ф помещалась между двумя газоразрядными счетчиками Сч. Фольга освещалась слабым пучком рентгеновских лучей, под действием которых она сама становилась источником рентгеновских лучей (это явление называется рентгеновской флуоресценцией).

Вследствие малой интенсивности первичного пучка, количество квантов, испускаемых фольгой, было невелико. При попадании квантов на счетчик механизм срабатывал и на движущейся бумажной ленте делалась отметка.

Если бы излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, как это следует из волновых представлений, оба счетчика должны были срабатывать одновременно и отметки на ленте приходились бы одна против другой. В действительности же наблюдалось совершенно беспорядочное расположение отметок.

Это можно объяснить лишь тем, что в отдельных актах испускания возникают световые частицы, летящие то в одном, то в другом направлении. Так было экспериментально доказано существование особых световых частиц – фотонов.

Фотон обладает энергией . Для видимого света длина волны λ = 0,5 мкм и энергия Е = 2,2 эВ, для рентгеновских лучей λ = мкм и Е = 0,5 эВ.

Фотон обладает инертной массой, которую можно найти из соотношения :

;
(2.3.2)

Фотон движется со скоростью светаc = 3·108 м/с. Подставим это значение скорости в выражение для релятивистской массы:

.

      Фотон – частица, не обладающая массой покоя. Она может существовать, только двигаясь со скоростью света c.

      Найдем связь энергии с импульсом фотона.

      Мы знаем релятивистское выражение для импульса:

.(2.3.3)

      И для энергии:

.(2.3.4)

      Из (2.3.3) найдем :

; ;
;
.(2.3.5)

      Подставив выражение (2.3.5) в выражение для энергии (2.3.4), получим связь между энергией и импульсом:

;
;
.(2.3.6)

Или

.

      Но т. к. для покоящегося фотона , . Окончательно получим:

, или(2.3.7)

Т.к. , то можно записать:

(2.3.8)

      Обозначим где kволновое число. Теперь выразим импульс через волновой вектор :

(2.3.9)

       Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:
       Красная граница фотоэффекта.      Фотоэффект.      Распределение энергии в сплошном спектре.

Источник: http://ens.tpu.ru/posobie_fis_kusn/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F%20%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0.%20%D0%90%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%B8%20%D1%8F%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0.%20%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0%20%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%86/02-3.htm

Краткий конспект

Квантовая теория света

Ключевые слова конспекта «Световые кванты»: Квантовая гипотеза Планка. Фотон. Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Давление света. Корпускулярно-волновой дуализм.
Раздел ЕГЭ по физике: 5.1. Корпускулярно-волновой дуализм

Квантовая гипотеза Планка: излучение электромагнитных волн атомами и молекулами вещества происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. отдельными порциями – квантами. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте излучения:

Е = hv,

где h = 6,62 • 10–34 (Дж • с) – постоянная Планка.

Фотон – это квант света, представляющий из себя электрически нейтральную частицу, которая не имеет массы покоя, а существует только при движении ее со скоростью света в вакууме с = 3 • 108 м/с.

Энергия и импульс фотона выражаются через волновые физические характеристики – частоту и длину волны:

рФ = (h • v) / c = h / λ

Для фотона как для релятивистской частицы выполняется закон взаимосвязи массы и энергии:

Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта

Фотоэффект – это явление взаимодействия света с веществом в результате, которого происходит вырывание фотоэлектронов. При внешнем фотоэффекте фотоэлектроны покидают поверхность тела. При внутреннем фотоэффекте фотоэлектроны остаются внутри вещества.

Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из металла. Работа выхода зависит только от рода материала и определяется по таблице.

Законы внешнего фотоэффекта:

  • Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на вещество.
  • Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов увеличивается при увеличении частоты падающего на вещество излучения и не зависит от интенсивности света.
  • Для каждого вещества существует максимальная длина электромагнитной волны λmax (красная граница фотоэффекта), за которой начинается фотоэффект. Облучение вещества световыми волнами большей длины фотоэффект не вызывают.

Данные законы были установлены опытным путем, их невозможно объяснить с помощью волновой теории света. Явление фотоэффекта и его законы были объяснены А. Эйнштейном с помощью квантовой теории света.

Каждый фотон взаимодействует только с одним электроном.

Закон сохранения энергии называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

Энергия фотона идет на совершение работы выхода и на сообщение выбитому фотоэлектрону кинетической энергии.

Давление света

Давление света – это давление, которое создает электромагнитная волна, падая на поверхность тела.

Давление света на зеркальную поверхность в два раза больше, чем на черную (поглощающую) поверхность.

Изменение импульса фотона при отражении от зеркальной поверхности Δр = 2р0. Изменение импульса фотона при поглощении есть Δр = –р0.

Если коэффициент отражения энергии препятствием равен R, а число падающих фотонов на единицу поверхности препятствия, при интенсивности света I равно:

N = I / (h v)

то из них N • R фотонов отразится, a N •  (1 – R) – поглотится поверхностью препятствия.

Полное давление света на поверхность препятствия равно:

Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм – это проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

Свет обладает одновременно как волновыми свойствами (интерференция, дифракция, поляризация) так и корпускулярными свойствами (давление света, фотоэффект), т. е. ведет себя как корпускула (частица).

Сами по себе волновая и корпускулярная модели света являются односторонними, имеющими ограничения. В совокупности они позволяют подойти к более полному описанию реального мира.

Решение задач по Квантовой физике

Конспект урока по физике в 10-11 классах «Световые кванты». Выберите дальнейшее действие:

Источник: https://uchitel.pro/%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5-%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D1%8B/

Зарождение и содержание квантовой теории света

Квантовая теория света

Прародителем данной теории является Исаак Ньютон, который первый начал говорить о природе света. Для того времени характерно осмысление физических процессов через быт, поэтому появление теории света вполне закономерно. В 17 веке многие физические процессы осмыслялись и пересматривались, поэтому эта теория не стала чем-то сверхнеестественным и диким.

В чём заключалась идея Ньютона? Он заключил, что корпускулярный поток энергии порождает свет.

Многие коллеги не разделяли эту позицию и склонялись больше к тому, что порождают свет волны (то есть были приверженцами волновой теории).

Таким образом, образовалось два течения, представители которых пытались объяснить одно и то же явление (в данном случае – появление света) описать посредством разных теорий.

Как зародилась квантовая теория света

Более ранние представления исследователей не удовлетворяли пытливый ум Ньютона, так как к нему точно пришло осознание того, что свет появлялся посредством интерференции. Данная теория была признана не сразу, конечно ей пришлось немного отлежаться. Но зато теперь миру известна настоящая природа вещей.

Обосновав эту теорию ещё в начале своей деятельности, Ньютон создал теорию и теоретическую базу для исследований на несколько веков вперёд.

Эти представления никак не укладывались в представления научного сообщества того времени, скорее даже – она противоречила всему, что было доказано и принято за истину веками ранее.

Дело Ньютона в 19 веке продолжил М. Фарадей, который пошёл дальше и обосновал связь света с магнетизмом. Магнетизм он до этого изучал большое количество времени и опыты, которые проводились, дали основания полагать, что колебания магнитных волн и появление света связаны между собой.

При этом им была установлена даже скорость таких волн, она была конечной. Как её вычислили? Опытным путём, но надо сказать, что точные цифры пришли в науку намного позже. Теперь мы знаем скорость света и у нас не возникает даже мысли о том, что так было не всегда.

А тогда люди бились за свои идеи, даже если никто кроме них в эти идеи всерьёз не верил. Фарадеем было введено понятие магнитного поля, сделаны предварительные выводы и разработаны методы, но до квантовой теории света всё ещё не доходило.

Лабораторная работа велась очень кропотливо и тщательно, но результаты тогда не казались заявками на победу.

Уже в конце 19 века, а точнее – в 1864 году при помощи математических методов было доказано, что связь между магнетизмом и оптикой действительно есть. Но этих данных было всё ещё недостаточно чтобы сформировать полноценную теорию.

Первым учёным, который действительно смог сконцентрировать весь предыдущий опыт и сформулировать чёткие математические закономерности для обоснования теории электромагнитного поля, был Д.-К. Максвелл.

В своих исследованиях он сделал упор на опытах Фарадея, и при помощи имеющихся теорий и формул объяснил эти явления. При помои созданной им теории впоследствии были объяснены все явления, касающиеся магнетизма, которые в тот момент находились на пике популярности и были востребованы.

Максвеллом было введено определение понятия электромагнитной картины, а впоследствии этим понятием апеллировало буквально всё научное сообщество.

Среди отечественных учёных, хотелось бы упомянуть российского физика Лебедева. Он очень корректно и ёмко подхватил идеи своих предшественников и развил их. В своей теории он определил воздействие радиоволн на различные физические явления, опираясь на практические опыты.

В дальнейшем эту теорию стал дорабатывать Герц, который сделал свой вклад в науку благодаря появлению специализированной аппаратуры. Именно благодаря этим людям у нас сейчас есть все средства связи, а тогда это начало появляться и развиваться с телеграфа, радио и телевидения.

В начале прошлого века появились первые предпосылки для возможности формирования квантовой теории света. Имея такой багаж опыта и открытий, задача исследователей буквально лежала на поверхности.

Определение 1
Понятие квантовой теории ввёл М. Планк, который связал длину волны с интенсивностью теплового излучения, обосновав это математически. Когда волна нагревалась, то происходили различные волновые изменения. Это стало большим открытием для всего научного сообщества и повергло всех в шок

Так как в это время всё интенсивнее и чётче начинает прорисовываться контур изучения атомов (благодаря Н. Бору), то теория квантов не стала здесь каким-то культурным шоком.

Теория атомов фактически регламентировала правила движения в твёрдых телах, поэтому квантовая физика видела в этом своё начало и развитие. Труды М.

Планка в дальнейшем были по достоинству оценены, настолько, что за своё открытие он удостоился Нобелевской премии.

Спорные моменты квантовой теории

В начале прошлого века наука очень стремительно развивалась, появлялись всё новые и новые идеи, выдвигались всё новые и новые теории. Конечно, научное сообщество не могло оставить это без внимания и начали набирать обороты появления новых направлений.

Исследователи могли изучать одно и то же, но разными способами – и это вызывало противоречия, споры и конфликты. Ряд исследователей придерживались классического подхода и, вслед за А. Эйнштейном, пытались дать жизнь его теориям, опираясь на современные реалии.

Эйнштейном была выдвинута мысль, что природа вещества и света двойственны, а его последователи вложили эту гипотезу в рассуждения о дуализме мира.

Актуальной тогда была версия относительно того, что световая волна обязательно соответствует каждому отдельному электрону, а опыты Эйнштейна эти тезисы закрепили и связали с теорией относительности. Нельзя точно оценить последствия этих научных сдвигов, но очевидно, что это дало огромный толчок в этом направлении.

Когда дуализм волновой природы был закреплён в качестве теории, началось развитие волновой механики, были заложены волновые свойства микрочастиц и выявлены новые методы исследования структуры веществ. Далее следовали принципы времени, материи и пространства на основе общей теории относительности. И так постепенно всё вело к тому, что квантовой теории света просто не может не быть.

Определение фотоэлектрического эффекта

Определение 2
Это – процесс, когда нейтроны испускаются металлов под воздействием световых лучей.

Этот эффект изучал известный исследователь А. Столетов, а, в дальнейшем, А.Эйнштейн на практике доказал его тезисы и вывел химические свойства света, температурные аспекты и ряд иных явлений.

Источник: https://referatreview.ru/blog/zarozhdenie-i-soderzhanie-kvantovoj-teorii-sveta/

Квантовая теория Эйнштейна — Знаешь как

Квантовая теория света

Открытие радиоактивных превращений и возникновение представлений об огромных запасах внутриатомной энергии было одним из существенных моментов начавшейся революции в физике. Столь же существенным было возникновение теории относительности, новых представлений о пространстве, времени, массе, о связи массы и энергии.

Гораздо менее заметными и очень медленно сказывающимися были идеи Планка о квантах энергии.

Сам создатель этой идеи, хотя и использовал свою формулу для определения таких атомных констант, как число Авогадро и заряд электрона, не слишком верил в кванты и полагал, что их как-то удастся ввести в русло представлений электромагнитной теории света.

Впервые обратил внимание на идею квантов и развил ее Альберт Эйнштейн в опубликованной в 1905 г. статье «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света».

В самом начале статьи Эйнштейн подчеркивал противоположность представлений физики о структуре материи и структуре света.

«Согласно теории Максвелла,— писал Эйнштейн,— во всех электромагнитных, а значит, и световых явлениях энергию следует считать величиной, непрерывно распределенной в пространстве, тогда как энергия весомого тела, по современным физическим представлениям, складывается из энергий атомов и электронов.

Энергия весомого тела не может быть раздроблена на сколь угодно большое число произвольно малых частей, тогда как энергия пучка света, испущенного точечным источником, по максвелловской (и вообще по любой волновой) теории света, непрерывно распределяется по все возрастающему объему».

Однако Эйнштейн полагает, что «теория света, оперирующая непрерывными пространственными функциями, приведет к противоречию с опытами, когда ее будут применять к явлениям возникновения и превращения света».

По мнению Эйнштейна, явления «черного излучения», фотолюминесценции, фотоэффекта и другие, связанные с возникновением и превращением света, «лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно».

Согласно сделанному им в этой статье предположению «энергия пучка света, вышедшего из каждой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком».

Так Эйнштейн вернулся к ньютоновским представлениям о неделимых световых частицах, «поглощаемых или возникающих только целиком».

Но это возвращение произошло на новом, высшем уровне, когда оптика прочно усвоила волновые представления и не собиралась, да и не могла от них отказаться. В. И. Ленин сравнивал развитие науки с движением по спирали. Эйнштейн начал в теории света новый виток спирали.

Эйнштейн начинает с рассмотрения одной трудности в теории излучения черного тела. Если представить, что электромагнитные осцилляторы, которыми являются молекулы тела, подчиняются законам классической статистики Максвелла — Больцмана, то каждый такой осциллятор в среднем будет обладать энергией

Ē = (R/N)T

где — постоянная Клапейрона, — число Авогадро. Используя соотношение Планка между средней энергией осциллятора и объемной плотностью энергии, находящейся с ним в равновесном излучении

где Ēv—средняя энергия осциллятора частоты vL—скорость света, ρv — объемная плотность энергии излучения, Эйнштейн пишет равенство:

Из него он находит объемную плотность энергии:

«Это соотношение,— пишет Эйнштейн,— найденное при условии динамического равновесия, не только противоречит опыту, но и утверждает, что в нашей картине не может быть и речи о каком-либо однозначном распределении энергии между эфиром и веществом». В самом деле, суммарная энергия излучения оказывается бесконечной:

К аналогичному выводу в том же 1905 г. пришли независимо друг от друга Рэлей и Джине, Классическая статистика приводит к закону излучения, резко противоположному опыту. Эта трудность получила название «ультрафиолетовая катастрофа».

Эйнштейн указывает, что формула Планка

где α=6•10-56, β = 4,866•10-11, переходит для больших длин волн и больших плотностей излучения в найденную им формулу:

если положить

откуда

Эйнштейн подчеркивает, что значение числа Авогадро совпадает со значением, найденным другим способом. Обращаясь далее к закону Вина, хорошо оправдывающегося для больших значений, Эйнштейн получает выражение энтропии излучения:

«Это равенство показывает, что энтропия монохроматического излучения достаточно малой плотности зависит от объема так же, как энтропия идеального газа или разбавленного раствора».

Переписав это выражение в виде

и сравнивая его с законом Больцмана

Эйнштейн находит выражение вероятности того, что энергия излучения в объеме V0 сосредоточится в части объема V:

Эйнштейн интерпретирует эту формулу следующим образом: «Монохроматическое излучение малой плотности (в пределах применимости закона излучения Вина) в смысле теории теплоты ведет себя так, как будто оно состоит из независимых друг от друга квантов энергии».

Эйнштейн применяет свою теорию к явлению люминесценции и не только дает объяснение правила Стокса, согласно которому частота люминесценции V2 меньше или равна частоте возбуждающего излучения v1(v2

Источник: https://znaesh-kak.com/e/f/%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F-%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F-%D1%8D%D0%B9%D0%BD%D1%88%D1%82%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D0%B0

Booksm
Добавить комментарий