Презентация на тему Фотоны

• 1 слайд

  Фотоны
  Лекция 6
  

• 2 слайд

  §§ Введение
  02
  1900, гипотеза Планка
  Излучение и поглощение света
  веществом происходит не непрерывно,
  а конечными порциями или квантами
  Для согласия с классической
  термодинамикой и электродинамикой:
  Проблему равновесного излучения с
  классических позиций решить не удается.
  

• 3 слайд

  03
  при распространении свет ведет
  себя подобно совокупности частиц
  (световых квантов – фотонов)
  1905, гипотеза Эйнштейна
  λ = 623 нм (He-Ne лазер)
  Пример.
  = 3,19·10–19 Дж ≈ 2 эВ
  Масса фотона в движении:
  Энергия фотона:
  = 3,55·10–36 кг
  

• 4 слайд

  04
  Импульс фотона
  = 1,06·10–27 кг·м/с
  При взаимодействии с веществом
  фотоны могут рассеиваться,
  испускаться и поглощаться.
  Число фотонов не сохраняется, зато
  должны выполняться законы сохранения импульса и энергии.
  

• 5 слайд

  §§ Внешний фотоэффект
  05
  Фотоэффект – испускание электронов
  веществом под действием света.
  1905, А.Эйнштейн
  Пусть поверхность металла освещается
  монохроматическим светом с частотой ν
  Один фотон несет энергию
  и полностью передает ее электрону.
  Электрон не может «поглотить» фотон
  из-за закона сохранения МИ (спина).
  

• 6 слайд

  06
  A1 – потеря энергии
  в объеме
  Aвых – работа выхода
  электрона
  (1,4–5 эВ)
  Закон сохранения энергии
  – электрон вблизи поверхности
  уравнение
  Эйнштейна
  для фотоэффекта
  

• 7 слайд

  07
  Существование красной границы:
  Металл λmax, нм
  Cs686
  K560
  Na540
  Li521
  Hg273,5
  Fe262
  Ag261
  Au265
  п/п λmax, нм
  Ge260
  Si258
  УФ
  Работа выхода, эВ
  Cs1,81
  K,Na,Li2,22–2,38
  Hg…Au4,55–4,75
  

• 8 слайд

  08
  Для прекращения эмиссии электронов
  необходимо приложить задерживающую
  разность потенциалов
  Приложение ускоряющей разности
  потенциалов используется в
  фотоэлектронном умножителе
  Ускоренные электроны могут вызвать
  и свечение люминофора (приборы
  ночного видения, тепловизоры)
  KУ~106–108
  

• 9 слайд

  Применение
  09
  1) Приёмники и усилители сигналов ЭМВ
  в электрические сигналы (R, U, I)
  2) Преобразователи ЭМВ ИК и УФ
  в излучение видимого диапазона
  

• 10 слайд

  10
  Наблюдение объекта
  через тепловизор
  позволяет выявить
  утечки, слабые места,
  избежать аварии.
  

• 11 слайд

  §§ Внутренний фотоэффект
  11
  В диэлектриках и полупроводниках электрон изменяет свою энергию не
  выходя на поверхность.
  У вещества изменяется проводимость (фоторезисторы).
  В неоднородных полупроводниках также
  наблюдается фотогальванический
  эффект
  – образование
  разности потенциалов
  под действием света.
  

• 12 слайд

  Фотоэлементы (солнечные батареи)
  в настоящее время используют как
  источники электроэнергии
  1) основа – кремний (Si)
  2) КПД от 10 до 20%
  3) Фото-ЭДС: 1–2 В
  4) Фототок: ~0,01 А
  с площади в 1 см2
  (сотни ватт с 1 м2)
  12
  

• 13 слайд

  13
  Фотоэффект применяют
  в науке (измерения)
  в технике:
  усилители и преобразователи
  организация электропитания
  связь
  контроль и управление
  

• 14 слайд

  Пусть электрон ускоряется разностью
  потенциалов U
  §§ Рентгеновская трубка
  14
  , тогда его энергия
  при попадании в металл
  его энергия уменьшается
  до нуля
  , при этом
  возникает излучение
  с макс. частотой
  граница
  спектра
  

• 15 слайд

  §§ Эффект Комптона
  15
  1922–23 г., Артур Комптон
  исследовал рассеяние рентгеновского
  излучения на телах, состоящих из
  легких атомов (графит, парафин).
  Оказалось, что в рассеянном излучении
  содержится две линии: λ и λ+Δλ
  и не зависит от состава
  тела и длины волны λ
  Смещение
  

• 16 слайд

  16
  Рассмотрим эффект с квантовых позиций,
  как процесс упругого рассеяния фотона
  частицей (например, электроном)
  Пусть – масса покоя частицы
  – масса движения
  

• 17 слайд

  17
  λ – длина волны до рассеяния
  λ1 – длина волны после рассеяния
  Закон сохр. импульса (т.косинусов)
  (1)
  

• 18 слайд

  18
  Закон сохранения энергии
  или
  (2)
  Возведем в квадрат:
  

• 19 слайд

  19
  Вычтем: (1)–(2)
  

• 20 слайд

  20
  Если рассеяние происходит на электроне
  – комптоновская длина волны электрона
  Рассеяние происходит на случайный угол.
  Если электрон не оторвется от атома,
  то смещения по длине волны не будет.
  Иногда наблюдается и обратный эффект
  Комптона – уменьшение длины волны
  у рассеянного излучения.
  

• 21 слайд

  §§ Гипотеза Де Бройля
  21
  В оптических явлениях наблюдается
  дуализм.
  1924, Луи Де Бройль (Louis De Broglie)
  гипотеза о всеобщем характере
  корпускулярно-волнового дуализма
  Это универсальное свойство природы
  – всем микрообъектам присущи
  одновременно и корпускулярные
  и волновые свойства
  

• 22 слайд

  Если двигается частица массой m со
  скоростью υ
  22
  Энергия фотона:
  Импульс фотона:
  , то с частицей можно
  ассоциировать волну с длиной
  – длина волны
  Де Бройля
  Пример:
  электрон, ускоренный разностью
  потенциалов в 12 кВ
  E = 12 кэВ = 1,92·10–15 Дж
  λ = 10–10 м
  

• 23 слайд

  23
  Дифракция микрочастиц (электронов,
  атомов и молекул)
  наблюдается
  аналогично дифракции рентгеновского
  излучения
  Для того, чтобы интерпретировать
  явления интерференции и дифракции
  микрочастиц
  принимают, что
  Интенсивность сопоставляемой волны
  пропорциональна вероятности
  обнаружения частицы в этой точке
  

• 24 слайд

  Соотношение неопределённостей
  24
  В классической механике у каждой
  частицы были свои координаты
  и импульс
  в каждый момент времени.
  следует принцип неопределенности
  Из формулы де Бройля
  

• 25 слайд

  25
  Пусть импульс частицы p нам известен
  точно (Δp = 0)
  , тогда волна,
  ассоциированная с частицей – строго
  монохроматическая
  Это бесконечная sin волна, занимающая
  все пространство (Δx = ∞)
  Пусть частица локализована в области
  пространства Δx = L.
  Тогда ей соответствует волновой пакет
  (набор волн, импульсов), т.е. Δp ≠ 0
  

• 26 слайд

  26
  Рассмотрим сумму двух волн
  Для многих гармоник
  

• 27 слайд

  27
  Пусть
  и
  тогда
  или
  – неопределенность
  координаты
  – неопределенность
  импульса
  

• 28 слайд

  28
  Более строгое выражение называется
  соотношением неопределенностей
  Гейзенберга
  Это означает, что в квантовой механике нет (не применимо) понятие траектории
  частицы
  Можно говорить лишь о вероятности
  нахождения частицы в данной области
  пространства.
  

• 29 слайд

  §§ Модель атома Резерфорда
  29
  1897, Томсон, открытие электрона
  Модель Томсона:
  атом – однородно
  заряженный шар,
  внутри которого
  двигается электрон
  Опыты Резерфорда
  

• 30 слайд

  30
  Ядерная модель атома
  1) Атом – система зарядов, в центре
  которой располагается тяжелое
  положительно заряженное ядро
  Q = Z|e|
  dя ~ 10–14 – 10–15 м
  2) вокруг ядра – Z электронов
  dA ~ 10–10 м (несколько Å)
  Трудности:
  1) Система зарядов либо непрерывно
  излучает энергию, либо неустойчива
  3) Тождественность атомов
  2) Линейчатый спектр
  

• 31 слайд

  §§ Теория Бора
  31
  Пусть электрон двигается
  по круговой орбите
  – радиус орбиты
  – скорость электрона
  С электроном свяжем
  волну Де Бройля:
  

• 32 слайд

  32
  Пусть на длине окружности укладывается целое число длин волн (условие max):
  т.е. момент импульса электрона на
  орбите принимает только дискретные
  значения (т.е. «квантуется»):
  n = 1,2,3...– главное квантовое число
  

• 33 слайд

  33
  Заряд ядра атома:
  Z – порядковый номер элемента
  e = –1,6·10–19 Кл – заряд электрона
  Сила, действующая на электрон
  , k = 9·10–9 Н·м/Кл2
  по II-му закону Ньютона
  

• 34 слайд

  34
  Получаем систему
  ее решение
  – скорость электрона
  – радиус орбиты
  

• 35 слайд

  35
  Каждому значению главного квантового
  числа n соответствует своя круговая
  орбита и скорость электрона υn на ней:
  0,53
  2,12
  4,77
  8,49
  2,2
  1,1
  0,73
  0,55
  Энергия электрона (дискретный спектр):
  

• 36 слайд

  36
  При переходе атома (Z = 1) из состояния
  с главным квантовым числом n
  в состояние с m испускается или
  поглощается квант с энергией:
  13,54 эВ = 2,2·10–18 Дж
  , R = 2,06·1016 рад/с
  

• 37 слайд

  37
  Уровни энергии в атоме водорода
  

• 38 слайд

  37
  Теория Бора для атома водорода
  (а также He+, Li++, Be+++, …) позволила
  объяснить сложное строение спектра
  излучения с высокой точностью.
  Уточнение теории – учет поправок,
  связанных с движением электрона и
  ядра относительно общего центра масс.
  Недостатки:
  1) она не квантовая и не классическая
  2) нельзя построить теорию атома гелия