Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram

Фотоелектричен ефект.




Квантовата хипотеза на Планк по-късно доведе до идеята, че светлината не само се излъчва, но и се абсорбира от отделните части - кванти. Тя е потвърдена и доразвита в редица явления като фотоелектричния ефект, комптоновия ефект и други.

Външният фотоелектричен ефект е излъчването на електрони от материята под действието на светлината . За първи път Херц през 1887 г. открива, че подхлъзването на искра между топките на разтоварващия е много по-лесно, ако една от топките е осветена с ултравиолетова светлина. Това явление, както е показано от експериментите на А. Г. Столетов (1888-1890), е причинено от изхвърлянето на отрицателни изхвърляния от металния катод под действието на светлината. Въз основа на неговите експерименти Столетов стига до следните заключения: 1) ултравиолетовите лъчи имат най-голям ефект; 2) токът се увеличава с увеличаване на осветлението на плочата; 3) зарядът, излъчван от действието на светлината, има отрицателен знак.

За изучаване на фотоелектричния ефект, използвайте вакуумна тръба. Катодът в фотоволтаичната клетка F, покрит с изучавания метал, се осветява с монохроматична светлина. Вътре в тръбата се поддържа висок вакуум, тъй като наличието на газове усложнява условията за освобождаване и пренос на заряди. Разликата в потенциала се създава между анода и катода, като се използва батерия. Електроните, освободени от светлината, под действието на напрежението между анода и катода, се придвижват към анода и след това следват проводниците през галванометъра D, затваряйки тока във веригата (виж фиг. 1).


Фиг.1

При неосветения катоден ток във веригата на фотоклетката липсва.

Зависимостта на фототока от напрежението може да бъде представена като графика (фиг. 2).


Фиг.2

Наличието на фототок в областта на отрицателните напрежения се обяснява с факта, че фотоелектроните притежават ненулева кинетична енергия. Чрез намаляване на тази енергия, те могат да работят срещу силите на инхибиращото електрическо поле в тръбата и да достигнат анода. Максималната начална скорост на фотоелектроните υmax е свързана с величината на напрежението на закъснение U назад със съотношението

(2.1)

където e и m са електронен заряд и маса.

при Фототока е нула. С увеличаването на напрежението токът постепенно се увеличава, тъй като все повече фотоелектрони достигат до анода. Максималната стойност на тока In се нарича фототок на насищане и съответства на такива стойности на напрежение, при които всички електрони, изместени от катода, достигат анода.

Емпирично установени следните основни закони на фотоелектричния ефект:

1. Максималната начална скорост на фотоелектроните се определя от честотата на светлината и не зависи от нейната интензивност.


border=0


2. За всяко вещество има червена рамка на фотоелектричния ефект, т.е. Характерната минимална честота на светлината е ω 0 (или максималната дължина на вълната е λ 0 ), при която все още е възможен фотоефект. Червената граница зависи от химическата природа на веществото и състоянието на повърхността му.

3. Количеството на електроните, излъчвани от катода, е пропорционално на интензивността на светлинното излъчване (фототокът на насищане е пропорционален на енергийната интензивност на катода).

Имаше сериозни трудности при обяснението на първия и втория закон. Според електромагнитната теория издърпването на свободни електрони от метал трябва да е резултат от тяхното „разклащане” в електрическото поле на светлинната вълна. В този случай обаче не е ясно защо максималната начална скорост и кинетичната енергия на излъчените фотоелектрони зависят от честотата на светлината, а не от амплитудата на осцилациите на вектора на интензитета на електрическото поле и интензивността на вълната, свързана с нея. Тези факти поставят под съмнение универсалната приложимост на вълновата теория на светлината.

Законите на фотоелектричния ефект са обяснени в рамките на квантовата теория. През 1905 г. Айнщайн, изучавайки проблема за появата и трансформацията на светлината, използвал феномена на фотоелектричния ефект като потвърждение на идеите си. Енергийният баланс в фотоелектричния ефект се изразява чрез уравнението на Айнщайн

, (2.2)

където - енергията на квантовете на светлината, предавани на електрона. Ако тази енергия надвишава енергията, необходима за разрушаване на връзка на електрон с дадено вещество (работна функция А ), тогава електронът напуска повърхността на веществото, притежаваща кинетична енергия, максималната възможна стойност на която се определя от уравнението на Айнщайн.



Така външният фотоефект е възможен само в случая, когато енергията на фотона е по-голяма или, в краен случай, равна на работната функция А. Следователно, честотата, съответстваща на червената граница на фотоелектричния ефект, е , Тя зависи само от работната функция на електрона, т.е. от химическата природа на метала и състоянието на неговата повърхност.

Фотони.

За да се обясни разпределението на енергията в спектъра на равновесното топлинно излъчване, достатъчно е, както показа Планк, да се приеме, че светлината се излъчва на части. , За да се обясни фотоелектричният ефект, достатъчно е да се предположи, че светлината се абсорбира от същите части. Освен това, Айнщайн предположил, че светлината се разпространява в пространството и под формата на дискретни частици - фотони.

Фотонът като частица има специални свойства, макар и само защото се движи със скоростта на светлината. Следователно, формулите на класическата механика не са приложими за движението на фотон и е необходимо да се използват релативистични отношения. В допълнение към енергията ε = ћ ω, фотонът трябва да има маса и инерция. Формулата за масата на фотона може да бъде получена от формула, изразяваща връзката на масата и енергията в теорията на относителността и формулата на фотонната енергия.

(2.3)

Според теорията на относителността инерцията и енергията на частица, движеща се със скорост v, са равни

, (2.4)

Но тъй като фотонът се движи със скоростта на светлината, знаменателят изчезва и получаваме, че p = ∞ и E = ∞. Това означава, че нито едно тяло не може да се ускори до скоростта на светлината. В случая на фотон, трябва да се приеме, че неговата маса на покой е 0 = 0 , т.е. в природата няма покойни фотони. Ясно е, че горните формули (2.4) се оказват неподходящи, тъй като имаме несигурност от типа 0/0. Премахвайки от (2.4) скоростта v , получаваме връзката между инерцията и енергията

За фотон, m 0 = 0 и E = ε = ћ ω, следователно

, (2.5)

Тъй като фотонът има импулс, тогава, срещайки препятствие по пътя си, фотонният поток трябва да упражнява натиск върху това препятствие, точно както газовите молекули упражняват натиск върху стените на съда. За първи път руският физик Лебедев експериментално измерва налягането на светлината и потвърждава съществуването на пулс в фотоните. Трябва да се отбележи обаче, че в изследванията си Лебедев не се ръководи от корпускулярната теория на светлината, а от електромагнитната теория на Максуел, което също води до заключението, че съществува леко налягане. И двете теории дават една и съща формула за изчисляване на лекото налягане. - интензитет на светлината (n е броят на фотоните, инцидентни на единица повърхност за единица време), ρ е коефициентът на отражение на светлината от повърхността на тялото. Това се обяснява с факта, че връзката между импулса и фотонната енергия е идентична с връзката между енергията и импулса на електромагнитното поле p = E / c.

Ако въведете вълновото число , изразът (2.4) може да бъде пренаписан във формата

(2.6)

Посоката на импулса съвпада с посоката на разпространение на светлината, характеризираща се с вълновия вектор k , чийто брой е равен на вълновото число.

Така фотонът, като всяка движеща се частица или тяло, има енергия, маса и инерция. Всички тези три корпускуларни характеристики на фотона са свързани с нейните вълнови характеристики - дължина на вълната или честота. Корпускуларните свойства на фотона не трябва да ни карат да забравяме, че такива явления като дифракция и интерференция могат да бъдат обяснени само на базата на вълновите представяния.

Следователно светлината разкрива вълновата вълна на дуалността (дуалността): при някои явления нейната вълнова природа се проявява и се държи като електромагнитна вълна; в други се проявява корпускулярната природа на светлината и се държи като поток от фотони.

Комптонов ефект.

Квантовите свойства на светлината се проявяват в ефекта, който Комптън открива през 1923 г. , наблюдавайки разсейването на монохроматичните рентгенови лъчи. Схематично опитът на Комптън може да бъде представен по следния начин (фиг. 1)

Иран - рентгенов източник

D - фокусираща диафрагма

РВ - разсейващо вещество Фиг.1

Θ - ъгъл на разсейване

В експеримента е установено, че в разпръснатите лъчи, заедно с излъчването на началната дължина на вълната λ, има и лъчи с по-голяма дължина на вълната λ´. разлика Оказа се, че зависи само от ъгъла θ, формиран от посоката на разпръснатата радиация с посоката на първичния лъч . От гледна точка на класическата вълнова теория не бе възможно да се обясни ефекта на Комптън. Според тази теория разсейването на светлината е процес на преиздаване на електромагнитни вълни от електрони. Електроните правят принудителни колебания под действието на електромагнитно поле. Принудителните вибрации възникват при честотата на форсиращата сила. В резултат на това в веществото трябва да се появят електромагнитни вълни със същата честота (или дължина на вълната).

От квантова гледна точка разсейването може да се разглежда като процес на еластичен сблъсък на рентгенови фотони с практически свободни електрони . Външните електрони могат да се считат за свободни, енергията на свързване на които в един атом е много по-малка от енергията, която фотонът може да прехвърли на електрона по време на сблъсък.

Нека фотон с енергия andω и импулс fallk падне върху електрона в покой (Фиг.2)

Електронна енергия преди сблъскване

Електронна енергия след сблъсък

Електронният импулс преди сблъсък p = 0.

Електронен импулс след сблъсък

Фотонна енергия преди сблъскване

Фотонна енергия след сблъсък

Фотонен импулс преди сблъсък Фиг.2

Фотонен импулс след сблъсък

Законът за запазване на енергията и инерцията

(*)

Препишете първото уравнение като

,

или (**)

Решавайки системата от уравнения (*), вземайки предвид трансформациите (**), получаваме

или

,

където - Комптонова дължина на вълната (в този случай електрон), а при ефекта на Комптън рентгенов фотон проявява корпускуларни свойства.

Въпроси за самоконтрол:

1. Как ще се промени наситеността на фототока с намаляване на осветеността при дадена честота?

2. Как ще се намали максималната кинетична енергия на фотоелектрона с увеличаване на честотата на падащото излъчване? От неговата интензивност?

3. Начертайте характеристиките на токовото напрежение на съответните две различни честоти (за дадено осветление).

4. Начертайте характеристиките на токовото напрежение на съответните две различни осветления (на дадена честота).

5. Намерете съотношението на натиска на светлината върху огледалото и черните повърхности.

6. Каква е разликата между естеството на взаимодействието с ефекта на Комптън и фотоефекта?

7. В какви случаи светлината показва корпускуларна и в каква вълнова природа?

Лекция № 3.

СТРУКТУРА НА АТОМ.

план

1. Феномени, потвърждаващи сложната структура на атома.

2. Спектрални модели.

3. Моделът на атома на Ръдърфорд.

4. Постулатите на Бор.

5. Водородният атом.

1. Феномени, потвърждаващи сложната структура на атома.

Първоначално идеята за атомната структура на материята, изразена под формата на предположение, както се развива науката, се потвърждава от все по-голям брой експерименти и през 19-ти век се превръща в общоприета теория. До края на XIX век атомите се считат за вечни неизменни и неделими частици на материята, които нямат вътрешна структура. През втората половина на 19-ти век обаче са открити много такива явления, които поставят под въпрос предположението, че няма вътрешна структура на атомите. Изброяваме основните:

1. Електрификация - електрическите заряди, както положителни, така и отрицателни, трябва да бъдат част от атомите.

2. Изследването на оптичните спектри на химичните елементи - атомите на всеки химичен елемент дават собствена радиация. От електромагнитната теория на светлината следва, че излъчването на атоми има електромагнитна природа, т.е. трябва да бъдат създадени от едно или друго движение на таксите, които съставляват атома.

3. Периодичността на свойствата на химичните елементи, открити от Менделеев през 1869 г., свидетелства за многократни комбинации на електрически заряди вътре в атомите.

4. Законите на електролизата, установени от Фарадей.

5. В експерименти с рентгенови лъчи и чрез фотоелектричен ефект са открити отрицателни и абсолютно идентични частици, наречени електрони през 1891 година.

6. Откриване на радиация от Бекерел през 1896 г., източникът на която са урановите руди, чиято природа не е ясна. Последващите изследвания на П. и М. Кюри показват, че това излъчване е сложно и може да се раздели на три типа лъчи - α, β, γ. Оказва се, че α - лъчите са съставени от двойно йонизирани атоми на хелий, наречени α частици, β лъчи - поток от бързи електрони (β частици), а γ лъчи - много къси електромагнитни вълни.





; Дата на добавяне: 2017-11-30 ; ; Видян: 424 ; Публикуваните материали нарушават ли авторските права? | | Защита на личните данни | РАБОТА НА ПОРЪЧКА


Не намерихте това, което търсите? Използвайте търсенето:

Най-добрите думи: Предаване на сесията и защитата на дипломата - ужасна безсъние, която след това изглежда като ужасна мечта. 7766 - | 6438 - или прочетете всички ...

2019 @ ailback.ru

Генериране на страницата над: 0.009 сек.