Фотоефект Тиск світла Ефект Компотна.
План
1. Квантова природа світла.
2. Фотон. Маса, імпульс та енергія фотона.
3.Фотоелектричний ефект.
4. Рівняння Ейнштейна для фотоефекта. Червона межа фотоефекту.
5. Практичне застосування фотоефекту.
6. Тиск Світла. Досліди Лебедєва
7. Ефект Компотна.
8. Рентгенівське проміння.
Інтерференція, дифракція, поляризація, дисперсія – це прояв хвильової природи світла; явище фотоефекта, ефект Комптона, частково тиск світла на поверхню, виявлений
Світло розглядають як потік частинок – фотонів, маса спокою яких дорівнює нулю ( 
). Енергія одного фотона 
, де 
Дж. с – стала Планка ( за ім’ям німецького фізика М. К. Планка (1858 – 1947 ), який уперше висунув гіпотезу про дискретність процесу випромінювання і поглинання світла).
Швидкість руху фотона дорівнює швидкості світла. Імпульс фотона має напрям поширення світла і за модулем дорівнює:
, тому що 
, тоді імпульс фотона 
,
Де 
– довжина відповідної світлової хвилі.
Із формули теорії відносності 
, або 
маса фотона 
=
.
Корпускулярні властивості світла виявляються тим виразніше, чим більша частота світлових коливань. Енергія фотонів видимого світла дуже мала. Наприклад, фотон зеленого світла має енергію 
Дж.
3. Поняття фотоефекта.
Поряд з законами теплового випромінювання в кінці 19 ст. було відкрите та вивчене оптичне явище, не пояснювалося законами класичної фізики – фотоелектричний ефект.
Фотоефект – це фізичне явище звільнення (повного чи часткового) електронів від зв’язків з атомами та молекулами речовини під дією світла (інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового).
Зовнішній фотоефект – електрони повністю вилітають за межі речовини. Це явище було відкрите в 1887р. Г. Герцем та докладно вивчено в 1888р. А. Г.Столєтовим.
Внутрішній фотоефект – електрони втрачають зв’язок зі своїми атомами, але не виходять за межі речовини (відкрив в 1873р. У. Сміт).
Зовнішній фотоефект спостерігається у металів.
Закони фотоефекта.
Досліди Столєтова та інших вчених дозволили сформулювати такі закони фотоефекта:
1) під дією світла речовина випромінює від’ємно заряджені частинки. В 1898р. Дж. Томсон знайшов відношення q/m, яке було характерне для електрона;
2) кількість вибитих електронів та фотострум насичення Ін прямо пропорційний світловому потоку: І = k·Ф, де: k – фоточутливість поверхні (мкА/лм);
3) швидкість фотоелектронів збільшується із зростанням частоти світлового випромінювання та не залежить від від його інтенсивності;
4) фотоефект починається лише з жорстко зумовленої для кожного метала частоти світлового випромінювання незалежно від інтенсивності світлового потоку.
Червона межа фотоефекта – це мінімальна частота світла, при якій починається спостерігатися фотоефект (у випадку зниження частоти світла фотоефект зникає).
Третій та четвертий закони фотоефекта класична фізика пояснити не могла. Бо з позицій класичної хвильової теорії світла інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди хвилі, яка „розгойдує” електрони в металі. Тому світло довільної частоти при значній інтенсивності повинно викликати фотоефект, тобто не повинно існувати „червоної межі” фотоефекта. Далі, чим вища інтенсивність, тим більшу кінетичну енергію повинен мати електрон, тому швидкість електронів у фотострумі повинна зростати із збільшенням інтенсивності світла, проте цього явища не спостерігалося. Закони зовнішнього фотоефекта мають пояснення з позицій квантової теорії світла.
Рівняння Ейнштейна для фотоефекта.
Роз’яснення механізму фотоефекта було подане в 1905 р. А. Ейнштейном. Він запропонував розглядати випромінювання світла як потік матеріальних часток, „квантів випромінювання” або „фотонів”. Енергія кожного фотона випромінювання даної частоти ν дорівнює:
Ε = h · ν, де h – стала Планка (h = 6,625·10-34 Дж·с-1).
Якщо Планк вважав, що випромінювання віддається коливальними системами у вигляді порцій hν, але само може мати довільну енергію та поглинатися у довільній кількості, тобто безперервно; то Ейнштейн пішов далі: він надав корпускулярні властивості (дискретність) самому випромінюванню, тому віддача енергії порціями hν при випромінюванні пояснюється тим простим фактом, що ніяких інших порцій випромінювання (з частотою ν) існувати в природі не може.
Монохроматичне випромінювання частоти ν завжди складається з цілої кількості фотонів, енергія кожного з них дорівнює ε= hν. Таке випромінювання випромінюється і поглинається тільки порціями енергії ε= hν. Під час поглинання енергії випромінювання з частотою ν кожний електрон речовини може поглинути один фотон, отримуючи при цьому енергію ε= hν (і ніяку іншу). Отже, кожний фотон може взаємодіяти лише з Одним електроном.
Взаємодія електрона з квантом-фотоном складається з трьох моментів:
а) поглинання кванта електроном повністю;
б) рух електрона до поверхні речовини;
в) подолання електроном поверхневого потенціального бар’єру – робота виходу А.
Залишок енергії перетворюється в кінетичну енергію руху від поверхні металу у простір зі швидкістю V.
Згідно цих положень можна записати:
, де: ΔW – енергія руху електрона всередині метала до поверхні; А – робота виходу, 
– кінетична енергія руху електрона у просторі.
Для поверхневих електронів ΔW = 0, отже, маємо рівняння Ейнштейна для фотоефекта:
, де: те – маса електрона, V – швидкість електрона у просторі, А – робота виходу, яка є сталою величиною для кожного метала.
Згідно рівняння Ейнштейна для деякої частоти νmin вся енергія hνmin буде витрачатися лише на здійснення роботи виходу А, а кінетична енергія буде відсутня, тобто зовнішній фотоефект зупиниться. Ця νmin і є червоною межею фотоефекта. Отже, червона межа фотоефекта дорівнює:
H νmin = А, звідси маємо: νmin = ν0 = 
.
Червона межа залежить від речовини, наприклад:
Ν0 цинку = 4,19 еВ (λ0 = 290 нм) – це ультрафіолетове світло;
Ν0 натрію = 2,25 еВ (λ0= 552 нм) – це видиме світло;
Ν0 цезію на вольфрамі = 1,36 еВ (λ0 = 913 нм) – це інфрачервоне світло.
Отже, якщо випромінювання буде мати частоту, яка менша за червону межу фотоефекта для даного метала, то ніякою інтенсифікацією потоку випромінювання досягти зовнішнього фотоефекта не вдасться.
4. Практичне застосування фотоефекта.
В залежності від долі електронів, які поглинули випромінювання, розрізняють такі види фотоефекта:
1) зовнішній фотоефект в металах. На явищі зовнішнього фотоефекта працюють фотоелементи з вакуумом у скляному балоні; вони дають змогу отримувати силу струму, яка буде пропорційна інтенсивності випромінювання (світлового потоку), що потрапляє на фотоелемент. Такі фотоелементи використовуються в кіноустановках та засобах телемеханіки і автоматики;
2) внутрішній фотоефект та властивості поверхонь „метал– напівпровідник” застосовуються у фотоелементах з запираючим шаром – це напівпровідникові фоторезистори та вентиль ні фотоелементи (сонячні батареї). Кремневі сонячні батареї мають к. к.д. від 10% до 20%, що зумовило їх широке використання у якості генераторів струму, які перетворюють сонячне світло у електричну енергію.
Сукупність зовнішнього та внутрішнього фотоефектів широко використовується в явищі другорядної електронної емісії, коли прискорені електричним полем електрони вибивають з металевої поверхні декілька другорядних електронів, що веде до підсилення первинного фотоструму. На цьому принципі працюють фотоелектронні множники у приладах нічного бачення.
Проте найголовніше застосування має фотоефект у всіх сучасних системах телебачення, де він працює у електронних передавачах-перетворювачах світлового сигналу – суперортиконах, які дозволяють перетворити світловий сигнал в електричний і далі будувати всю телевізійну систему.
5. Маса та імпульс фотона. Світловий тиск.
Зв’язок між масою та енергією для матеріального Всесвіту має такий вигляд: W = m c2 ,
де: W – енергія матерії, m – маса матерії, с – швидкість світла в вакуумі.
Для світлового кванта-фотона можна записати такі співвідношення:
Wфотона = hν та Wфотона = mфотона c2, отже, маса фотона : 
, імпульс фотона: 
.
Для рентгенівського випромінювання маса фотона вже порівняна з масою електрона, а для жорсткого γ-випромінювання перевищує масу електрона. Оскільки фотони мають масу та імпульс, то світловий потік повинен створювати тиск на перешкоду на своєму шляху. Для перешкоди, що поглинає фотон, поглинутий імпульс дорівнює: 
; для перешкоди, що відбиває фотон, поглинутий імпульс вдвічі більший. Тиск потоку фотонів на перешкоду буде дорівнювати сумі імпульсів всіх фотонів, які досягли перешкоди, тобто для відбиваючої перешкоди він буде вдвічі більший. Дослідним шляхом виявити цю подвійну різницю в тисках на темну та блискучу (відбиваючу) перешкоди вперше вдалося в 1900 р. російському вченому П. М.Лєбєдєву.
Тиск світла на перешкоду легко пояснюється як з хвильової електро-магнітної теорії світла Максвела, так і з корпускулярної (квантової) теорії, що підтверджує глибокий квантово-хвильовий дуалізм природи світла.
5.Ефект Комптона.
Квантовий характер випромінювання досить виразно виявляється при опроміненні малих об’єктів слабким світловим потоком, який складається з невеликої кількості „масивних” фотонів, наприклад, при опроміненні вільних електронів жорстким рентгенівським випромінюванням. В цьому випадку електрони відчувають значні поштовхи від окремих фотонів. Взаємодію фотонів з електронами вперше спостерігав в досліді в 1923р. американський фізик А. Х.Комптон. Він виявив, що при рентгенівському опроміненні речовини, яка містить вільні чи слабо пов’язані електрони, відбувається розсіювання рентгенівських променів, що супроводжується збільшенням довжини хвилі (зменшенням частоти) розсіяного випромінювання.
Енергія падаючого фотона hν0 більша за енергію розсіяного фотона hν, напрям руху розсіяного фотона змінюється відносно початкового на кут Θ; частину енергії фотон віддав електрону.
Ν0>ν (λ0<λ).
Збільшення довжини хвилі розсіяного фотона Δλ=λ-λ0 залежить лише від кута розсіювання Θ: Δλ = 0,00242 (1 – cosΘ) нм, і не залежить від довжини хвилі (частоти) падаючого випромінення.
Це можна пояснити з точки зору теорії фотонів Ейнштейна тим, що при поглинанні жорстких рентгенівських променів електрон отримує величезну швидкість, близьку до швидкості світла і змінює свою масу. При елементарному акті розсіювання виконується як закон збереження енергії, так і закон збереження імпульсу; частину енергії (і імпульсу падаючого фотона отримує електрон віддачі, що і приводить до зменшення частоти розсіяного фотона. Збільшення довжини хвилі розсіяного фотона зумовлюється масою розсіюючих часток та кутом відхилення часток віддачі, при цьому відносна зміна довжини хвилі, навіть для видимого діапазону настільки мала, що класичний висновок відносно незмінності довжини хвилі (і частоти) під час розсіювання практично зберігає силу. Тільки в діапазоні рентген – та γ-випромінювання зміна довжини хвилі розсіяного випромінювання досить помітна.
Рентгенівське проміння. Електромагнітні хвилі, довжина яких від 
до 
м, що випромінюються внаслідок різкого гальмування електронів, називають рентгенівським промінням на честь німецького фізика В. К Рентгена (1845—1923), який відкрив ці хвилі у 1895 р. Рентгенівське проміння виникає під час газового високовольтного розряду при малому тиску (
Па), коли швидкі електрони, що при цьому утворюються, гальмуються будь-якою перешкодою, наприклад металевими електродами. Мала довжина хвилі рентгенівських променів, велика «жорсткість», зумовлює велику проникну здатність, а також дифракцію на кристалічній решітці твердого тіла. Дослідження дифракційної картини, що виникає в результаті взаємодії рентгенівського проміння з кристалічною решіткою, дає можливість вивчати структуру кристалів, а також найскладніших органічних сполук, зокрема білків (до складу яких входять десятки тисяч атомів). Рентгенівське проміння також широко застосовується в медицині, як у діагностиці, так і в лікуванні.
Рентгенівські промені широко застосовують для вивчення кристалічних структур різних матеріалів (металів), органічних сполук, полімерів, визначення типу дефектів у кристалах, у медицині для рентгенодіагностики, в техніці для контролю якості деталей (дефектоскопія) і т. д. Створено різні за призначенням типи рентгенівських трубок і рентгенівських апаратів.
Рентгенівська трубка має таку будову: у відкачаному до високого вакууму скляному балоні встановлено один напроти другого два електроди: підігрівний катод і анод (який називають також антикатодом). Електрони, що емітуються катодом, підігрітим до високої температури, прискорюються електричним полем і бомбардують антикатод, який при цьому випромінює рентгенівські промені.
Ви прочитали: "Фотоефект тиск світла ефект компотна. План…"Читати далі