Квантовые свойства света реферат
Обновлено: 02.07.2024
| Введение | 3 |
1 | Корпускулярные свойства света | 5 |
1.1 | Прямолинейность распространения | 5 |
1.2 | Законы отражения и преломления | 6 |
1.3 | Формула линзы | 7 |
1.4 | Полное внутреннее отражение | 7 |
2 | Волновые свойства света | 10 |
2.1 | Дисперсия | 10 |
2.2 | Интерференция | 13 |
2.3 | Дифракция | 15 |2.4 | Поляризация | 18 |
3 | Квантовые свойства света | 21 |
3.1 | Фотоэффект | 21 |
3.2 | Эффект Комптона | 22 |
| Заключение | 27 |
| Список использованной литературы. | 30 |
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
2
Р.450600.190300.65533.ПЗ
Разраб.
Пичугина Д.В
Провер.
Барышников
Реценз.
Введение
Первые представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид, Птолемей и многие другие ученые и философы.Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит. В это же время Эвклидом был сформулирован закон прямолинейного распространения света. Он писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”. Однако позже, уже в средние века, такое представление оприроде света утратило свое значение. И к началу XVII в. эти точки зрения можно считать уже забытыми. В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа. Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая – с именем Гюйгенса. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет –это поток частиц, идущих от источника во все стороны. Согласно же представлениям Гюйгенса, свет – это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел. Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдаватьпредпочтение корпускулярной теории.
Законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями. Но на основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
Р.450600.190300.65533.ПЗ
Волновая жетеория это легко объясняла.
Волны, например, на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции. Такое неопределенноеположение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибание светом препятствий) и интерференции света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления свойственны исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теорияодержала окончательную и полную победу. Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света. После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя.
Первые представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид, Птолемей и многие другие ученые и философы. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит.
В это же время Эвклидом был сформулирован закон прямолинейного распространения света. Он писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”.
Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эти точки зрения можно считать уже забытыми.
В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа.
Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая – с именем Гюйгенса.
Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).
Согласно же представлениям Гюйгенса, свет – это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.
Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.
На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.
Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.
Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.
Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.
Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.
После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось.
Однако в нале XIX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности.
При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.
Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения – считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х годах XX века удалось непротиворечивым образом объединить в новой выдающейся физической теории – квантовой электродинамике.
1. Волновые свойства света
Закрывая отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрывая синим-синее и т.д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет цвета, а лишь разлагает его на составные части. Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180 градусов относительно первой. Собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.
В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чистые цвета. Ведь круглые цветные пятна светового пучка, прошедшего через призму, частично перекрывали друг друга. Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель (А), освещенная ярким источником. За щелью располагалась линза (B), дающая на экране (D) изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (C), то изображение щели растянется в спектр, окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Опыт Ньютона изображен на рис.1
Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения . Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.
Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.
Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:
1.Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия).
2. Белый цвет есть совокупность простых цветов.
Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например, лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.
Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом: показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.
Интерференцию света наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчет. Многие видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина на поверхности воды. Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.
Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением двух волн, одна из которых (А) отражается от наружной поверхности пленки, а вторая (В)– от внутренней (рис.2)
При этом происходит интерференция световых волн – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции (усиления или ослабление результирующих колебаний) зависит от толщины пленки и длины волны. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 (отражающаяся от внутренней поверхности пленки) отстанет от волны 1 (отражающейся от наружной поверхности пленки) на цело число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.
Для того чтобы при сложении волн образовалась устойчивая интерференционная картина, волны должны быть когерентными, т.е. должны иметь одинаковую длины волны и постоянную разность фаз. Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки, обеспечивается тем, что обе они являются частями одного светового пучка. Волны же, испущенные двумя обычными независимыми источниками, не дают интерференционной картины из-за того, что разность фаз двух волн от таких источников не постоянна.
Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым потокам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, различающихся друг от друга длиной, требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.
Дифракция света в узком смысле - явление огибания светом препятствий и попадание света в область геометрической тени; в широком смысле - всякое отклонение при распространении света от законов геометрической оптики.
Определение Зоммерфельда: под дифракцией света понимают всякое отклонение от прямолинейного распространения, если оно не может быть объяснено как результат отражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с непрерывно меняющимся показателем преломления.
В 1802г. Юнг, открывший интерференцию света, поставил классический опыт по дифракции (рис.3).
В непрозрачной ширме, он проколол булавкой два маленьких отверстия B и C, на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим в свою очередь через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. В следствии дифракции из отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий, Юнг обнаруживал, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем весьма точно.
Исследование дифракции получило свое завершение в работах Френеля. Он детально исследовал различные функции дифракции на опытах и построил количественную теорию дифракции, позволяющую рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий.
С помощью теории дифракции решают такие проблемы, как защита от шумов с помощью акустических экранов, распространение радиоволн над поверхностью Земли, работа оптических приборов (так как изображение, даваемое объективом, - всегда дифракционная картина), измерения качества поверхности, изучение строения вещества и многие другие.
Новые свойства о характере световых волн показывает опыт над прохождением света через кристаллы, в частности через турмалин.
Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Наложим одну пластинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направлению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Турмалин представляет собой кристалл буро – зеленого цвета, след прошедшего пучка на экране представится в виде тёмно – зеленого пятнышка. Начнем поворачивать одну из пластинок вокруг пучка, оставляя вторую неподвижной. Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда пластинка повернётся на 90 0 , он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда пластинка повернется на 180 0 , т.е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальнейшем вращении турмалина пучок вновь слабеет.
Из данных явлений можно сделать следующие выводы:
1. Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).
2. Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси.
3. В свете фонаря (солнца) представлены поперечные колебания любого направления и притом в одинаковой доле, так что ни одно направление не является преимущественным.
Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, - плоскостью поляризации.
Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т.е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично.
2. Квантовые свойства света
В 1887г. немецкий физик Герц объяснил явление фотоэффекта. Основой этому послужила Гипотеза Планка о квантах.
Были сделаны попытки объяснить закономерности внешнего фотоэффекта на основе волновых представлений о свете. Согласно этим представлениям, механизм фотоэффекта выглядит так. На металл падает световая волна. Электроны, находящиеся в его поверхностном слое, поглощают энергию этой волны, и их энергия постепенно увеличивается. Когда она становится больше работы выхода, электроны начинают вылетать из металла. Таким образом, волновая теория света будто бы способна качественно объяснить явление фотоэффекта.
Теория фотоэффекта Эйнштейна. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. Эффект Комптона как рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне при уменьшении частоты излучения. Сочетаемость непрерывности волн и дискретности частиц.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.06.2017 |
| Размер файла | 208,0 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Квантовые свойства света
1. Квантовые свойства света
2. Фотоэффект и его законы
3. Применение фотоэффекта в технике
4. Рентгеновское излучение
5. Рентгеновские трубки
6. Ускорители частиц
7. Эффект Комптона
Список использованной литературы
Уже в древности наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории - корпускулярную и волновую теории света.
Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Эвклид писал: "Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути". Такого же взгляда придерживался Птолемей и многие другие ученые и философы
Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций.
Последняя точка зрения на природу света уже позже, в XVII в., оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.
Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение. Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.
К середине XVII века накопились факты, которые толкали научную мысль за пределы геометрической оптики. Одним из первых ученых, подтолкнувшим научную мысль к теории волновой природы света, был чешский ученый Марци . Его работы известны не только в области оптики, но также и в области механики и даже медицины. В 1648 им открыто явление дисперсии света.
В XVII в. в связи с развитием оптики вопрос о природе света стал вызывать все больший и больший интерес. При этом постепенно происходит образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой. Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва. Действительно, для геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света, а также законы отражения и преломления хорошо объяснялись с точки зрения этой теории
Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В то время в основе взглядов на строение вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В частности, тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в XVII в. было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света. В это же время начинает развиваться и представление о волновой природе света. Родоначальником волновой теории света можно считать Декарта
1. Квантовые свойства света
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями --квантами (или фотонами). Энергия Е каждого фотона определяется формулой
Е = hv,
где h -- коэффициент пропорциональности -- постоянная Планка, v-- частота света. Опытным путем вычислили h = 6,63·10-34 Дж·с. Гипотеза M.Планка объяснила многие явления, а именно, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Г. Герцем. Далее фотоэффект изучил экспериментально русский ученый Столетов.
2. Фотоэффект и его законы
Рис. схема опыта Столетова
Фотоэффект -- это вырывание электронов из вещества под действием света.
В результате исследований было установлено 3 закона фотоэффекта:
1. Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах фотоэффекта нет.
Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода -- это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Она зависит от типа металла и состояния его поверхности. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:
это уравнение Эйнштейна.
Если hv > Eг, то при таком столкновении электрон теряет энергию, а фотон приобретает энергию. Такой процесс рассеяния используется для получения моноэнергетических пучков г-квантов высокой энергии. С этой целью поток фотонов от лазера рассеивают на большие углы на пучке ускоренных электронов высокой энергии, выведенных из ускорителя. Такой источник г-квантов высокой энергии и плотности называется Laser-Electron-Gamma-Source (LEGS). В работающем в настоящее время источнике LEGS лазерное излучение с длиной волны 351.1 мкм (~0.6 эВ) в результате рассеяния на электронах, ускоренных до энергий 3 ГэВ, превращается в поток г-квантов с энергиями 400 МэВ).
Энергия рассеянного фотона Eг зависит от скорости v ускоренного пучка электронов, энергии Eг0 и угла столкновения и фотонов лазерного излучения с пучком электронов, угла между ц направлениями движения первичного и рассеянного фотона
При "лобовом" столкновении
E0 ? полная энергия электрона до взаимодействия, mc2 ? энергия покоя электрона.
Если направление скоростей начальных фотонов изотропно, то средняя энергия рассеянных фотонов г определяется соотношением
При рассеянии релятивистских электронов на микроволновом реликтовом излучении образуется изотропное рентгеновское космическое излучение с энергией
Эксперимент подтвердил предсказанное изменение длины волны фотона, что свидетельствовало в пользу корпускулярного представления о механизме эффекта Комптона. Эффект Комптона наряду с фотоэффектом явился убедительным доказательством правильности исходных положений квантовой теории о корпускулярно-волновой природе частиц микромира.
Итак, свет корпускулярен в том смысле, что его энергия, импульс, масса и спин локализованы в фотонах, а не размыты в пространстве, но не в том, что фотон может находиться в данном точно определенном месте пространства. электромагнитный фотоэффект комптон дискретность
Свет ведет себя как волна в том смысле, что распространение и распределение фотонов в пространстве носят вероятный характер: вероятность того, что фотон находится в данной точке определяется квадратом амплитуды в этой точке. Но вероятностный (волновой) характер распределения фотонов в пространстве не означает, что фотон в каждый момент времени находится в какой-то одной точке.
Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).
Список использованной литературы
1. А.А. Детлаф Б.М. Яворский "Курс физики" изд. "Высшая школа" 2000 г
2. Т.И. Трофимова "Курс физики" изд. "Высшая школа" 2001 г
3. Х. Кухлинг "Справочник по физике" изд. "Мир" 1982 г
4. Гурский И.П. "Элементарная физика" под ред. И.В. Савельева 1984 г
5. Тарасов Л.В., Тарасова А.Н. "Беседы о преломлении света" /под ред. В.А Фабриканта, изд. "Наука", 1982
Подобные документы
Законы внешнего фотоэффекта. Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона. Эффект Комптона. Тормозное рентгеновское излучение. Двойственная природа и давление света. Изучение основного постулата корпускулярной теории электромагнитного излучения.
презентация [2,3 M], добавлен 07.03.2016
Взаимодействие света с веществом. Основные различия в дифракционном и призматическом спектрах. Квантовые свойства излучения. Поглощение и рассеяние света. Законы внешнего фотоэффекта и особенности его применения. Электронная теория дисперсии света.
курсовая работа [537,4 K], добавлен 25.01.2012
Волновые свойства света: дисперсия, интерференция, дифракция, поляризация. Опыт Юнга. Квантовые свойства света: фотоэффект, эффект Комптона. Закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта.
реферат [132,9 K], добавлен 30.10.2006
Макс Планк как основоположник квантовой физики. Исследование фотоэффекта Столетовым. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. Определение массы фотона. Применение явления фотоэффекта в автоматизации станков на заводах, солнечных батареях.
презентация [159,8 K], добавлен 02.04.2012
Виды фотоэффектов: внешний, внутренний, фотогальванический и в газообразной среде. Зависимость вольт-амперных характеристик внешнего фотоэффекта от интенсивности и частоты света. Гипотеза М. Планка о квантах и кватновая теория фотоэффекта Эйнштейна.
Цель работы – проанализировать квантовую теорию света.
В соответствии с поставленными целью решались следующие основные задачи:
- рассмотреть развитие представление о природе света;
- изучить квантовые свойства света: фотоэффект и эффект Комтона;
- проанализировать квантовую теорию Планка.
Вложенные файлы: 1 файл
Kvantovaja_teorija_sveta.doc
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА
ВВЕДЕНИЕ
Не так давно, в декабре 2000 года мировая научная общественность отмечала столетний юбилей возникновения новой науки – квантовой физики и открытие новой фундаментальной физической константы – постоянной Планка.
Планку удалось решить проблему спектрального распределения света, излучаемого нагретыми телами, проблему, перед которой классическая физика оказалась бессильной. Планк первым высказал гипотезу о квантовании энергии осциллятора, несовместимую с принципами классической физики. Именно эта гипотеза, развитая впоследствии трудами многих выдающихся физиков, дала толчок процессу пересмотра и ломки старых понятий, который завершился созданием квантовой физики, что и обусловило актуальность нашего исследования.
Цель работы – проанализировать квантовую теорию света.
В соответствии с поставленными целью решались следующие основные задачи:
- рассмотреть развитие представление о природе света;
- изучить квантовые свойства света: фотоэффект и эффект Комтона;
- проанализировать квантовую теорию Планка.
-обработка, анализ научных источников;
-анализ научной литературы, учебников и пособий по исследуемой проблеме.
Объект исследования – квантовая теория света
1. Развитие представлений о свете
Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).
Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум–среда корпускулярная теория приводила к следующему виду закона преломления:
где c – скорость света в вакууме, υ – скорость распространения света в среде. Так как n > 1, из корпускулярной теории следовало, что скорость света в средах должна быть больше скорости света в вакууме. Ньютон пытался также объяснить появление интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов. Таким образом, корпускулярная теория Ньютона содержала в себе элементы волновых представлений1.
Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. Рис. 1 дает представление о построениях Гюйгенса для определения направления распространения волны, преломленной на границе двух прозрачных сред.
Рис. 1. Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны.
Для случая преломления света на границе вакуум–среда волновая теория приводит к следующему выводу:
Закон преломления, полученный из волновой теории, оказался в противоречии с формулой Ньютона. Волновая теория приводит к выводу: υ c.
Таким образом, к началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация коренным образом изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение υ
Рис. 2. Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны
Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):
1 нм = 10–9 м = 10–7 см = 10– 3 мкм.
Видимый свет занимает диапазон приблизительно от 400 нм до 780 нм или от 0,40 мкм до 0,78 мкм3.
Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация и т. д. Однако, эта теория не завершила понимание природы света. Уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования явлений атомного масштаба, возникающих при взаимодействии света с веществом. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона и др. потребовалось введение квантовых представлений
2. Квантовые свойства света: фотоэффект. Эффект Комтона
Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (Д. Томсон, 1897 г.), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.
Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 3.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта
В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ, и при неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения4. На рис. 4 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.
Рис. 4.Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал.
Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Тщательные измерения показали, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:
К удивлению ученых, величина Uз оказалась не зависящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света.
Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:
1) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.
2) Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота νmin, 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 ν > νmin.
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 света5.
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 = hν, 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 hν 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:
Задумывались ли вы о том, что собой представляют на самом деле многие световые явления? Для примера возьмем фотоэффект, тепловые волны, фотохимические процессы и тому подобное – все это квантовые свойства света. Если бы они не были открыты, труды ученых не двинулись бы с мертвой точки, собственно, как и научно-технический прогресс. Изучают их в разделе квантовой оптики, который неразрывно связан с одноименным разделом физики.
Квантовые свойства света: определение термина
До недавнего времени четкую и понятную трактовку данному оптическому явлению дать не могли. Им успешно пользовались в науке и повседневной жизни, на его основе строили не только формулы, но и целые задачи по физике. Сформулировать окончательное определение получилось лишь у современных ученых, которые подводили итоги деятельности своих предшественников. Итак, волновые и квантовые свойства света – это следствие особенностей его излучателей, которыми являются электроны атомов. Квант (или фотон) образуется за счет того, что электрон переходит на пониженный энергетический уровень, тем самым генерируя электро-магнитные импульсы.
Первые оптические наблюдения
Предположение о наличии у света квантовых свойств появилось в XIX столетии. Ученые открыли и усердно изучали такие явления, как дифракция, интерференция и поляризация. С их помощью была выведена электромагнитная волновая теория света. Она базировалась на ускорении движения электронов во время колебания тела. За счет этого происходило нагревание, а следом за ним появлялись световые волны. Первую авторскую гипотезу на сей счет сформировал англичанин Д. Рэлей. Он расценивал излучение как систему одинаковых и постоянных волн, причем в замкнутом пространстве. Согласно его выводам, при уменьшении длины волн мощность их должна была непрерывно возрастать, более того, требовалось наличие ультрафиолетовых и рентгеновских волн. На практике же все это не подтвердилось, и за дело взялся другой теоретик.
Формула Планка
В самом начале XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения – выдвинул интересную гипотезу. Согласно ей, излучение и поглощения света происходит не непрерывно, как думали ранее, а порционно – квантами, или, как их еще называют, фотонами. Была введена постоянная Планка – коэффициент пропорциональности, обозначаемый буквой h, и он был равен 6,63·10 -34 Дж·с. Дабы высчитать энергию каждого фотона, требовалась еще одна величина – v– частота света. Постоянная Планка умножалась на частоту, и в результате получали энергию отдельно взятого фотона. Так немецкий ученый точно и грамотно закрепил в одной простой формуле квантовые свойства света, которые ранее были обнаружены Г. Герцем и обозначены им как фотоэффект.
Открытие фотоэффекта
Как мы уже сказали, ученый Генрих Герц был первым, кто обратил внимание на незамечаемые ранее квантовые свойства света. Фотоэффект был открыт в 1887 году, когда ученый соединил освещенную цинковую пластину и стержень электрометра. В случае если до пластины доходит положительный заряд, электрометр не разряжается. Если излучается заряд отрицательный, то прибор начинает разряжаться, как только на пластину попадает луч ультрафиолета. В ходе данного практического опыта было доказано, что пластина под воздействием света может излучать отрицательные электрические заряды, которые впоследствии получили соответствующее название - электроны.
Практические опыты Столетова
Практические эксперименты с электронами проводил русский исследователь Александр Столетов. Для своих опытов он использовал вакуумный стеклянный баллон и два электрода. Один электрод использовался для передачи энергии, а второй был освещаемым, и к нему подводился отрицательный полюс батареи. В ходе данной операции начинала возрастать сила тока, но через некоторое время она становилась постоянной и прямо пропорциональной излучению светового потока. В результате было выявлено, что кинетическая энергия, а также задерживающие напряжения электронов не зависят от мощности светового излучения. Но увеличение частоты света заставляет расти данный показатель.
Новые квантовые свойства света: фотоэффект и его законы
В ходе развития теории Герца и практики Столетова были выведены три основные закономерности, по которым, как оказалась, функционируют фотоны:
1. Мощность светового излучения, которое падает на поверхность тела, прямо пропорциональна силе тока насыщения.
2. Мощность светового излучения никак не влияет кинетическую энергию фотоэлектронов, а вот частота света является причиной линейного роста последней.
Трудности столкновения двух теорий
После формулы, выведенной Максом Планком, наука столкнулась с дилеммой. Ранее выведенные волновые и квантовые свойства света, которые были открыты чуть позже, не могли существовать в рамках общепринятых физических законов. В соответствии с электромагнитной, старой теорией, все электроны тела, на которое попадает свет, должны приходить в вынужденное колебание на равных частотах. Это порождало бы бесконечно большую кинетическую энергию, что никак невозможно. Более того, для накопления необходимого количества энергии электронам нужно было пребывать в состоянии покоя десятки минут, в то время как явление фотоэффекта на практике наблюдается без малейшей задержки. Дополнительная путаница возникала также из-за того, что энергия фотоэлектронов не зависела от мощности светового излучения. Кроме того, еще не была открыта красная граница фотоэффекта, а также не была высчитана пропорциональность частоты света кинетической энергии электронов. Старая теория не смогла четко объяснить видимые глазу физические явления, а новая была еще не до конца отработанной.
Рационализм Альберта Эйнштейна
Простейшие приборы, в основе которых лежит принцип фотоэффекта
После открытий, сделанных немецкими учеными на заре ХХ столетия, началось активное применение квантовых свойств света для изготовления различных приборов. Изобретения, принцип действия которых заключается в фотоэффекте, называют фотоэлементами, простейший представитель которых – вакуумный. В числе его недостатков можно назвать слабую проводимость тока, низкую чувствительность к излучению длинных волн, из-за чего он не может быть использован в цепях переменного тока. Вакуумный прибор широко используется в фотометрии, им измеряют силу яркости и качества света. Также он играет важную роль в фототелефонах и в процессе воспроизведения звука.
Фотоэлементы с проводниковыми функциями
Это уже совсем иной тип приборов, в основе которых лежат квантовые свойства света. Их назначение – изменение концентрации носителей тока. Данное явление иногда называют внутренним фотоэффектом, и он составляет основу работы фоторезисторов. Данные полупроводники играют очень важную роль в нашей повседневной жизни. Впервые их начали использовать в ретро-автомобилях. Тогда они обеспечивали работу электроники и аккумуляторов. В середине ХХ века подобные фотоэлементы стали применять для строительства космических кораблей. До сих пор за счет внутреннего фотоэффекта работают турникеты в метро, портативные калькуляторы и солнечные батареи.
Фотохимические реакции
Свет, природа которого стала лишь частично доступна науке в ХХ веке, на самом деле влияет на химические и биологические процессы. Под воздействием квантовых потоков начинается процесс диссоциации молекул и их слияние с атомами. В науке такое явление называется фотохимией, а в природе одним из его проявлений является фотосинтез. Именно за счет световых волн в клетках производятся процессы по выбросу определенных веществ в межклеточное пространство, за счет чего растение приобретает зеленый оттенок.
Влияют квантовые свойства света и на человеческое зрение. Попадая на сетчатку глаза, фотон провоцирует процесс разложение молекулы белка. Данная информация транспортируется по нейронам в мозг, и после ее обработки мы можем видеть все при свете. С наступлением темноты молекула белка восстанавливается, и зрение аккомодируется к новым условиям.
Итоги
В ходе данной статьи мы выяснили, что главным образом квантовые свойства света проявляются в явлении, называемом фотоэффектом. Каждый фотон имеет свой заряд и массу, и при столкновении с электроном попадает внутрь него. Квант и электрон становятся одним целым, и их совместная энергия превращается в кинетическую, что, собственного говоря, и требуется для осуществления фотоэффекта. Волновые колебания при этом могут увеличить производимую фотоном энергию, но лишь до определенного показателя.
Фотоэффект в наши дни является незаменимой составляющей большинства видов техники. На его основе строят космические лайнеры и спутники, разрабатывают солнечные батареи, используют как источник вспомогательной энергии. Кроме того, световые волны оказывают огромное влияние на химико-биологические процессы на Земле. За счет простых солнечных лучей растения становятся зелеными, земная атмосфера окрашивается во всю палитру синего цвета, и мы видим мир таким, каков он есть.
Читайте также: