Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Фотоны, энергия, масса и импульс фотона





Чтобы объяснить распределение энергии в спектре теплового излучения Планк допустил, что электромагнитные волны испускаются порциями (квантами). Эйнштейн в 1905 г. пришел к выводу, что излучение не только испускается, но и распространяется и поглощается в виде квантов. Этот вывод позволил объяснить все экспериментальные факты (фотоэффект, эффект Комптона, и др.), которые не могла объяснить классическая электродинамика, исходившая из волновых представлений о свойствах излучения.

Таким образом, распространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных частиц, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Впоследствии (в 1926г.) эти частицы получили название фотонов. Фотоны обладают всеми свойствами частицы (корпускулы).

1. Энергия фотона

e=hv= , (1)

где h=6.6×10-34 Дж×с – постоянная Планка, =h/2p=1.055×10-34 Дж×с также постоянная Планка, w=2pv - круговая частота.

В механике есть имеющая размерность "энергия´время" величина, которая называется действием. Потому постоянную Планка иногда называют квантом действия. Размерность , совпадает, например, с размерностью момента импульса (L=r mv).

Как следует из (1) энергия фотона увеличивается с ростом частоты (или с уменьшением длины волны), и, например, фотон фиолетового света (l=0.38мкм) имеет большую энергию, чем фотон красного света (l=0.77 мкм).

2. Масса фотона.

Фотон – безмассовая частица, т.е. для него

. (2)

3.Импульс фотона.

Для любой релятивиской частицы энергия ее Поскольку у фотона m=0, то импульс фотона

, (3)

т.е. длина волны обратно пропорциональна импульсу.

Давление света

Пусть на прощадку dS падает и поглощается свет. За время dt на площадку dS попадут все фотоны находящиеся в объеме dV=cdtdS. Их число N=ndV =n cdtdS, где n – oбъемная плотность фотонов(число фотонов в единице объема). Эти фотоны передадут площадке импульс dР=pN=(hv/c) n cdtdS и создадут давление

Па, (5)

где w – объемная плотность падающей электромагнитной энергии, измеряется в Дж/м3 (Дж/м3=Н×м/м3=Н/м2=Па).

При полном отражении света давление удваивается Р=2w, при отражении с коэффициентом ρ P =(1+ r)w. (6)

8.3.Внешний фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

Испускание электронов веществом под действием света называется внешним фотоэффектом. А.Г. Столетов (1988 г.) экспериментально исследовал фотоэффект. Схема опыта представлена на рис. 1. Плоский конденсатор, одной из пластин которого служила медная сетка С, а в качестве второй цинковая пластина К, был включен через гальванометр G в цепь аккумуляторной батареи. Напряжение между пластинами измерялось вольтметром. При освещении отрицательно заряженной пластины К светом, в цепи возникал электрический ток, называемый фототоком.

 
 



 


На рис. 2. приведены зависимости фототока I от напряжения U между электродами при различных интенсивностях света (энергетической освещенности E).

Столетов установил следующие закономерности внешнего фотоэффекта:

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектроновопределяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

2. Для каждого вещества (катода) существует краснаяграница фотоэффекта, т.е. минимальная частота v0,при которой еще возможен фотоэффект.

3. Фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности Е катода.

Первые два закона не удается объяснить на основе классической теории, согласно которой вырывание электронов из катода является результатом их «раскачивания» электромагнитной волной, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света.

Внешний фотоэффект хорошо объясняется квантовой теорией. Согласно этой теории, электрон получает сразу целиком всю энергию фотона e=hv, которая расходуется на совершение работы выхода электрона из вещества (катода) и на сообщение электрону кинетической энергии:

. (7)

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Из (7) следуют все законы Столетова. В частности, максимальная начальная скорость электронов определяется из соотношения , т.е зависит только от частоты v и материала катода (АВЫХ).

Красная граница v0 соответствует vmax=0

hv0=AВЫХ, v0=AВЫХ/h. (8)

При v>v0 (или при l<l0) фотоэффект наблюдается, при v<v0 (или при l>l0) – фотоэффект не наблюдается.

Эффект Комптона

Заключается в увеличении длины волны рентгеновского излучения при его рассеянии веществом. Изменение длины волны

Dl=lк(1-cosq)=2lкsin2(q/2),(9)

где lк=h/(mc) – комптоновская длина волны, m – масса покоя электрона. lк=2.43×10-12 м=0.0243 (1 A=10-10 м).

Все особенности эффекта Комптона удалось объяснить, рассматривая рассеяние как процесс упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами, при котором соблюдается закон сохранения энергии и закон сохранения импульса.

Согласно (9) изменение длины волны Dl зависит только от угла рассеяния q и не зависит ни от длины волны l рентгеновского излучения, ни от вида вещества.









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.