Обновлено: 07.07.2024

Из закона Кирхгофа (см. (198.1)) следует, что спектральная плотность энергетической светимости черного тела является универсальной функцией, поэтому нахождение ее явной зависимости от частоты и температуры является важной задачей теории теплового излучения.

Австрийский физик Й. Стефан (1835— 1893), анализируя экспериментальные данные (1879), и Л. Больцман, применяя термодинамический метод (1884), решили эту задачу лишь частично, установив зависимость энергетической светимости R_e от температуры. Согласно закону Стефана — Больцмана,

т. е. энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры; — постоянная Стефана — Больцмана: ее экспериментальное значение равно 5,67×10 -8 Вт/(м 2 ×К 4 ).

Закон Стефана — Больцмана, определяя зависимость R_eот температуры, не дает ответа относительно спектрального состава излучения черного тела. Из экспериментальных кривых зависимости функции от длины волны при различных температурах (рис. 287) следует, что распределение энергии в спектре черного тела является неравномерным.

Все кривые имеют явно выраженный максимум, который по мере повышения температуры смещается в сторону более коротких волн. Площадь, ограниченная кривой зависимости от и осью абсцисс, пропорциональна энергетической светимости R_e черного тела и, следовательно, по закону Стефана — Больцмана, четвертой степени температуры.

Немецкий физик В. Вин (1864—1928), опираясь на законы термо- и электродинамики, установил зависимость длины волны , соответствующей максимуму функции , от температуры Т. Согласно закону смещения Вина,

т. е. длина волны , соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре, b — постоянная Вина: ее экспериментальное значение равно 2,9×10 -3 м×К. Выражение (199.2) потому называют законом смещения Вина, что оно показывает смещение положения максимума функции по мере возрастания температуры в область коротких длин волн. Закон Вина объясняет, почему при понижении температуры нагретых тел в их спектре все сильнее преобладает длинноволновое излучение (например, переход белого каления в красное при остывании металла).

Несмотря на то, что законы Стефана — Больцмана и Вина играют в теории теплового излучения важную роль, они являются частными законами, так как не дают общей картины распределения энергии по частотам при различных температурах.

Формулы Рэлея — Джинса и Планка

Из рассмотрения законов Стефана — Больцмана и Вина следует, что термодинамический подход к решению задачи о нахождении универсальной функции Кирхгофа r не дал желаемых результатов. Следующая строгая попытка теоретического вывода зависимости принадлежит английским ученым Д. Рэлею и Д. Джинсу (1877—1946), которые применили к тепловому излучению методы статистической физики, воспользовавшись классическим законом равномерного распределения энергии по степеням свободы.

Формула Рэлея — Джинса для спектральной плотности энергетической светимости черного тела имеет вид

где = kT — средняя энергия осциллятора с собственной частотой . Для осциллятора, совершающего колебания, средние значения кинетической и потенциальной энергий одинаковы (см. §50), поэтому средняя энергия каждой колебательной степени свободы = kT .

Как показал опыт, выражение (200.1) согласуется с экспериментальными данными только в области достаточно малых частот и больших температур. В области больших частот формула Рэлея — Джинса резко расходится с экспериментом, а также с законом Вина (рис. 288). Кроме того, оказалось, что попытка получить закон Стефана — Больцмана (см. (199.1)) из формулы Рэлея — Джинса приводит к абсурду. Действительно, вычисленная с использованием (200.1) энергетическая светимость черного тела (см. (198.3))

Правильное, согласующееся с опытными данными выражение для спектральной плотности энергетической светимости черного тела было найдено в 1900 г. немецким физиком М. Планком. Для этого ему пришлось отказаться от установившегося положения классической физики, согласно которому энергия любой системы может изменяться непрерывно, т. е. может принимать любые сколь угодно близкие значения. Согласно выдвинутой Планком квантовой гипотезе, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями — квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания (см. (170.3)):

где h = 6,625×10 -34 Дж×с— постоянная Планка. Так как излучение испускается порциями, то энергия осциллятора может принимать лишь определенные дискретные значения, кратные целому числу элементарных порций энергии :

В данном случае среднюю энергию осциллятора нельзя принимать равнойkT. Вероятность, что осциллятор находится в состоянии с энергией пропорциональна , но при вычислении средних значений (при дискретных значениях энергии) интегралы заменяются суммами. При данном условии средняя энергия осциллятора

а спектральная плотность энергетической светимости черного тела

Таким образом, Планк вывел для универсальной функции Кирхгофа формулу

которая блестяще согласуется с экспериментальными данными по распределению энергии в спектрах излучения черного тела во всем интервале частот и температур. Теоретический вывод этой формулы М. Планк изложил 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества. Этот день стал датой рождения квантовой физики.

В области малых частот, т.е. при -8 .

Для реальных тел закон Стефана-Больцмана выполняется лишь качественно, то есть с ростом температуры энергетические светимости всех тел увеличиваются. Однако, для реальных тел зависимость энергетической светимости от температуры уже не описывается простым соотношением (16.7), а имеет вид:

КоэффициентА(T) в (16.11), всегда меньший единицы, можно назвать интегральной поглощательной способностью тела. Значения коэффициентаА(T) известны для многих технически важных материалов. Так, в достаточно широком диапазоне температур для металловА(T) = 0,1 ÷ 0,4, а для угля и окислов металлов А(T) = 0,5 ÷ 0,9.

Энергетическая светимость АЧТ, численно равная площади под соответствующими кривыми, сильно зависит от температуры. Максимум излучательной способности с увеличением температуры смещается в сторону коротких длин волн.

Закон Стефана-Больцмана не дает информации о спектральном составе излучения абсолютно черного тела.

В 1893 г. немецкий физик В.Вин теоретически рассмотрел термодинамический процесс сжатия излучения, заключенного в полости с идеально зеркальными стенками, и пришел к выводу, что испускательная способность абсолютно черного тела прямо пропорциональна кубу частоты и является функцией отношения ν/T:

где α – постоянная величина, F - некоторая функция, конкретный вид которой термодинамическими методами установить невозможно.

Переходя в этой формуле Вина от частоты к длине волны, получим:

Как видно, в выражение для излучательной способности температура входит лишь в виде произведения λT. Уже это обстоятельство позволило предсказать некоторые особенности функции . В частности, эта функция достигает максимума при определенной длине волны λ_m, которая при изменении температуры тела изменяется так, чтобы выполнялось условие: λ_mT = const.

Таким образом, В. Вин сформулировал закон теплового излучения, согласно которому длина волны λ_m, на которую приходится максимум излучательной способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре. Этот закон можно записать в виде

где - постоянная Вина.

Закон Вина называют законом смещения, подчеркивая тем самым, что при повышении температуры абсолютно черного тела положение максимума его излучательной способности смещается в область коротких длин волн. Результаты экспериментов, приведенные на рис. 16.4, подтверждают этот вывод не только качественно, но и количественно, строго в соответствии с формулой (16.14).

С ростом температуры любого тела длина волны, вблизи которой тело излучает больше всего энергии, также смещается в сторону коротких длин волн. Это смещение, однако, уже не описывается простой формулой (16.14), которую для излучения реальных тел можно использовать только в качестве оценочной, т.е. формула (16.14) остается в силе только при больших частотах и низких температурах.

Кроме закона смещения (16.14) Вин получил выражение для максимального значения излучательной способности АЧТ. Эту зависимость называют вторым законом Вина, согласно которому максимальное значение испускательной способности АЧТпрямо пропорционально абсолютной температуре в пятой степени:

где . Однако, получить теоретическое выражение для универсальной функции Кирхгофа, хорошо описывающее экспериментальные результаты во всем диапазоне длин волн излучения тела, Вину не удалось.

Во всех разобранных выше случаях подход к изучению теплового излучения был термодинамическим. У.Рэлей и Д.Джинс впервые к этим явлениям применили методы классической статистической физики. Согласно закону о равномерном распределении энергии равновесной системы по степеням свободы на каждую колебательную степень свободы осциллятора с собственной частотой ν приходится энергия, равная = kT, где k −постоянная Больцмана. В соответствии с таким подходом У.Рэлей и Д.Джинс в 1905 г. получили выражение для универсальной функции Кирхгофа:

= kT. (16.16) Здесь − общее число степеней свободы системы, приходящихся на единицу объема полости.

Однако, как показал опыт, формула Рэлея – Джинса хорошо согласуясь с опытными данными только для малых частот (рис.16.5) и больших температур, не удовлетворяет закону смещения Вина, а также закону Стефана-Больцмана. Действительно, для абсолютно черного тела энергетическая светимость R(T), определяемая по формуле Рэлея−Джинса (16.16), оказывается равной бесконечности:

Вопрос 5. Формула Планка.

Выход из создавшейся ситуации нашел немецкий физик М. Планк.

В 1900 г. он впервые выдвинул гипотезу о дискретных значениях энергии осциллятора.

Согласно этой гипотезе энергия осциллятора с собственной частотой ν может принимать лишь определенные дискретные (квантованные) значения, отличающиеся на целое число элементарных порций − квантов энергии: ε_ν = hν, где h= 6,625·10 -34 Дж·с − постоянная Планка (квант действия). Тогда полная энергия осциллятора будет равна целому числу квантов

Согласно этой гипотезе Планк моделировал реальное твердое тело с помощью системы квантовых осцилляторов. Выполнив усреднение энергии осциллятора с помощью распределения Больцмана, Планк получил выражение для среднего значения энергии, приходящейся на одну колебательную степень свободы осциллятора:

Подставив соотношение (16.18) в формулу Рэлея – Джинса (16.14), Планк получил формулу для излучательной способности АЧТ как функцию от частоты излучения:

Эта формула как функция от длины волны излучения имеет вид:

именно ее чаще всего используют в экспериментальных работах.

Из формулы Планка вытекают все законы теплового излучения тел.

В области малых частот, т.е. при условии, что квант энергии во много раз меньше средней энергии осциллятора (h , формула Планка совпадает с формулой Релея—Джинса. Для доказательства этого разложим функцию e h в ряд:

e h =1+ ) + ( ) +… (16.21)

и, ограничившись первыми двумя членами разложения, из (16.19) получаем формулу Релея—Джинса (16.14):

В предельном случае больших частот ( >>1) единицей в знаменателе формулы (16.19) можно пренебречь, тогда получим формулу

которая совпадает с выражением (16.12), т.е. с формулой Вина, причем, функция F(ν/Т) представляет собой выражение

которое действительно зависит от отношения частоты к температуре. График функции Вина показан на рис. 16.5. Функции Вина совпадает с формулой Планка только в области больших частот.

Интегральную излучательную способность АЧТ (закон Стефана—Больцмана) можно получить, проинтегрировав выражение (16.20) по длинам волн в интервале от 0 до :

Произведем замену переменной. Обозначим , тогда подстановка и приводит выражение (16.21) к виду

где . Так как , то

Как видим, величина s (постоянная Стефана-Больцмана) выражается через постоянные величины c, h, k.

Анологично, исследуя функцию (16.22) по переменной ν на экстремум, можно получить значение постоянной Вина, которая выражается также через постоянные с, h и k, и выполнить проверку закона смещения Вина.

Таким образом, формула Планка не только хорошо согласуется с

экспериментальными данными, но и содержит в себе частные законы теплового излучения. Следовательно, формула Планка является полным решением основной задачи теплового излучения, поставленной Кирхгофом. Ее решение стало возможным лишь благодаря революционной квантовой гипотезе Планка.

История открытия законов излучения. Закон излучения Кирхгофа. Законы Стефана-Больцмана, Релея-Джинса. Первый и второй законы Вина. Эксперимент в области малых частот и ультрафиолетовая катастрофа. Р. Фейнман и создание квантовой электродинамики.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	14.10.2016
Размер файла	760,2 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. Ульянова-Ленина

ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ НАУКИ

Реферат на тему:

"Излучение абсолютно черного тела"

Выполнил: Тишков П.В.

Преподаватель: Григорьев А.Д.

Санкт-Петербург, 2016 год

Содержание

1. Открытие законов излучения
• 1.1 Закон излучения Кирхгофа
• 1.2Закон Стефана-Больцмана
• 1.3Первый закон излучения Вина
• 1.4Второй закон излучения Вина
• 1.5Закон Релея-Джинса
• 2. Ультрафиолетовая катастрофа
• 3. Макс Планк и кванты
• 4. Законы излучения Эйнштейна
• 5. Р. Фейнман и создание квантовой электродинамики
• Список литературы

1. Открытие законов излучения

В 1859 году Густав Кирхгоф установил закон, что отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы, химического состава и прочего.

где е_{i (}х, T) - излучательная способность тела, б_{i (}х, T) - поглощательная способность тела.

Уже в 1862 году Кирхгоф ввёл термин "абсолютно чёрное тело". Абсолютно чёрное тело - физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. Таким образом, для абсолютно чёрного тела поглощательная способность (отношение поглощённой энергии к энергии падающего излучения) равна 1 при излучениях всех частот, направлений распространения и поляризаций.

Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Важность абсолютно чёрного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного тела (и исторически это было уже сделано к концу 19 века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план).

1.2 Закон Стефана-Больцмана

В 1879 году на основе экспериментальных данных Йозеф Стефан определил зависимость полной объемной плотности равновесного излучения с и полной испускательной способности u от температуры:

где a - некая универсальная постоянная, у - постоянная Стефана-Больцмана.

Этот закон, поначалу, был сформулирован для испускательной способности любого тела. Впоследствии было определена его справедливость только для абсолютно черного тела.

В 1884 году теоретически этот закон был получен Людвигом Больцманом из термодинамических соображений. Однако значения постоянных a и у в то время были неизвестны.

1.3 Первый закон излучения Вина

В 1893 году Вильгельм Вин, воспользовавшись, помимо классической термодинамики, электромагнитной теорией света, вывел следующую формулу:

где u_н - плотность энергии излучения, н - частота излучения, T - температура излучающего тела, f - функция, зависящая только от отношения частоты к температуре. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.

Из первой формулы Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) и закон Стефана - Больцмана, но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы.

1.4 Второй закон излучения Вина

где C₁, C₂ - константы. Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина. Но так же, как и его предшественники, Вильгельм Вин не смог определить константы C₁ и C₂.

1.5 Закон Релея-Джинса

В 1900 году Джон Рэлей подошёл к изучению спектральных возможностей излучения черного тела с позиции статистической физики, воспользовавшись классическим законом распределения по степеням свободы. А в 1905 году Джеймс Джинс вывел формулу плотности энергии, уточнив расчеты Рэлея, и получил известный закон Рэлея-Джинса:

закон излучение квантовая электродинамика

где u (щ, T) - равновесная плотность энергии теплового излучения, f (щ, T) - испускательная способность абсолютно чёрного тела.

2. Ультрафиолетовая катастрофа

Закон Рэлея-Джинса хорошо согласуется с экспериментом в области малых частот. Однако в области больших частот эта формула заведомо неверна. Из закона Вина и Рэлея - Джинса следовало, что чем короче длина волны, тем большей должна быть интенсивность теплового излучения. Более того, возникал парадокс, заключающийся в том, что интенсивность излучения при переходе к все более коротким волнам (ультрафиолетовая область) должна была расти совершенно неограниченно (что видно на графике). Но на опытах подобного не наблюдалось.

Сложившаяся ситуация в теории излучения называется "ультрафиолетовой катастрофой". Формула Рэлея-Джинса была верна для больших длин волн, формула Вина - для коротких длин волн. Проблема состояла том, чтобы получить изящное выражение, описывающее излучение во всём диапазоне частот.

Проблема была решена при помощи квантовой теории излучения Макса Планка в 1900 году.

3. Макс Планк и кванты

На заседании Немецкого физического общества Макс Планк зачитал свою историческую статью "К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре", в которой он ввёл универсальную постоянную h. Именно дату этого события, 14 декабря 1900 года, часто считают днем рождения квантовой теории.

Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц, любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). Эти порции состоят из целого числа квантов с такой энергией е, что эта энергия пропорциональна частоте н с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:

Где h - постоянная Планка, и ?=h/2р.

С помощью этого выражения можно Планк получил неизвестные коэффициенты С₁ и С₂ во втором законе Вина:

а также получил закон Релея-Джинса для больших длин волн (hщ/kT

В результате Вин сформулировал закон теплового излучения, в соответствии с которым длина волны, на которую приходится максимум лучеиспускательной способности черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре: Здесь постоянная Стефана — Больцмана, а = 5,67 • 10 8 Вт/(м2— К1). Для реальных тел закон Стефана — Больцмана выполняется приближенно: с ростом температуры энергетические… Читать ещё >

Закон Стефана — Больцмана ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Экспериментальные исследования Й. Стефана (1879 г.) и теоретические исследования Л. Больцмана (1884 г.) позволили доказать важный закон теплового излучения черного тела. Этот закон утверждает, что энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры, т. е.

Здесь постоянная Стефана — Больцмана а = 5,67 • 10 8 Вт/(м 2 — К 1 ). Для реальных тел закон Стефана — Больцмана выполняется приближенно: с ростом температуры энергетические светимости всех тел увеличиваются.

Для серых тел зависимость энергетической светимости от температуры имеет вид.

Из определения энергетической светимости следует формула для мощности, излучаемой с поверхности площадью S:

Для серых тел иногда удобно использовать понятие эффективной радиационной температуры Г_р, которая определяется как температура черного тела, имеющего ту же энергетическую светимость, что и реальное тело. Радиационная температура тела всегда меньше истинной температуры тела Т. Действительно, для реального тела вышеприведенная зависимость энергетической светимости от температуры дает.

откуда Г_р 3 м • К. Этот закон называют законом смещения Вина. Выполняется он и для серых тел. Благодаря этому закону при обычных температурах тела излучают в основном в инфракрасном диапазоне, и это излучение не видно глазом. Так, если считать кожу человека черным телом с температурой 309 К, то ее максимум лучеиспускательной способности приходится на длину волны 9,4 мкм. При сильном нагреве черного тела оно начинает светиться красным цветом, который после 1000 К переходит в оранжевый, а после 2000 К — в желтый. Белый цвет соответствует 6000 К — температуре поверхности Солнца. Л при температуре тела свыше 7000 К тело приобретает голубоватый оттенок.

Закон смещения Вина в совокупности с законом Стефана — Больцмана позволяет объяснить явление, широко используемое в специальной технике, — ночное видение. Ночью при отсутствии солнечного света человек в темноте перестает видеть окружающие предметы. Однако все они, имея ненулевую температуру, испускают электромагнитное тепловое излучение и ночыо. Можно считать, что тепловое свечение отчетливо видно для тел с температурой 900 К. Тогда в соответствии с законом Стефана — Больцмана тело обычной температуры (300 К) излучает в 100 (З 4 ) раз меньше энергии. Более того, из оценки с помощью закона Вина следует, что при средней температуре тел 300 К основная энергия их теплового излучения приходится на инфракрасное излучение с длиной волны порядка 10 мкм. Излучение в видимой области спектра (0,4 мкм Показать весь текст Стоимость уникальной работы

§ 4 Энергетическая светимость. Закон Стефана-Больцмана.

Закон смещения Вина

R _Э (интегральная энергетическая светимость) - энергетическая светимость определяет количество энергии, излучаемой с единичной поверхности за единицу времени во всем интервале частот от 0 до ∞ при данной температуре Т.

- связь энергетической светимости и лу­чеиспускательной способности

[ R _Э ] =Дж/(м 2 ·с) = Вт/м 2

Закон Й. Стефана (австрийский ученый) и Л. Больцмана (немецкий ученый)

σ = 5.67·10 -8 Вт/(м 2 · К 4 ) - постоянная Стефа­на-Больцмана.

Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры.

Закон Стефана-Больцмана, определяя зависимость R _Э от температуры, не даёт ответа относительно спектрального состава излучения абсолютно черного тела. Из экспериментальных кривых зависимости r _{λ ,Т} от λ при различных Т следует, что распределение энергии в спектре абсолютно черного тела являет­ся неравномерным. Все кривые имеют максимум, который с увеличением Т смещается в сторону коротких длин волн. Площадь, ограниченная кривой за­висимости r _{λ ,Т} от λ, равна R _Э (это следует из геометрического смысла интегра­ла) и пропорциональна Т 4 .

Закон смещения Вина (1864 - 1928): Длина, волны (λ_max), на которую приходится максимум лучеиспускательной способности а.ч.т. при данной тем­пературе, обратно пропорциональна температуре Т.

b = 2,9· 10 -3 м·К - постоянная Вина.

Смещение Вина происходит потому, что с ростом температуры максимум излучательной способности смещается в сторону коротких длин волн.

§ 5 Формула Рэлея-Джинса, формула Вина и ультрафиолетовая катастрофа

Закон Стефана-Больцмана позволяет определять энергетическую свети­мость R _Э а.ч.т. по его температуре. Закон смещения Вина связывает темпера­туру тела с длиной волны, на которую приходятся максимальная лучеиспуска­тельная способность. Но ни тот, ни другой закон не решают основной задачи о том, как велика лучеиспускательная, способность, приходящаяся на каждую λ в спектре а.ч.т. при температуре Т. Для этого надо установить функциональ­ную зависимость r _{λ ,Т} от λ и Т.

Основываясь на представлении о непрерывном характере испускания электромагнитных волн в законе равномерного распределения энергий по сте­пеням свободы, были получены две формулы для лучеиспускательной способ­ности а.ч.т.:

k = 1,38·10 -23 Дж/K - постоянная Больцмана.

Опытная проверка показала, что для данной температуры формула Вина верна для коротких волн и даёт резкие расхождения с опытом в области длин­ных волн. Формула Рэлея-Джинса оказалась верна для длинных волн и не применима для коротких.

Исследование теплового излучения с помощью формулы Рэлея-Джинса показало, что в рамках классической физики нельзя решить вопрос о функции, характеризующей излучательную способность а.ч.т. Эта неудачная попытка объяснения законов излучения а.ч.т. с помощью аппарата классической физи­ки получила название “ультрафиолетовой катастрофы”.

Если попытаться вычислить R _Э с помощью формулы Рэлея-Джинса, то

§6 Квантовая гипотеза и формула Планка.

В 1900 году М. Планк (немецкий ученый) выдвинул гипотезу, согласно которой испускание и поглощение энергии происходит не непрерывно, а оп­ределенными малыми порциями - квантами, причем энергия кванта пропор­циональна частоте колебаний (формула Планка):

h = 6,625·10 -34 Дж·с - постоянная Планка или

где

Так как излучение происходит порциями, то энергия осциллятора (колеб­лющегося атома, электрона) Е принимает лишь значения кратные целому чис­лу элементарных порций энергии, то есть только дискретные значения

Впервые влияние света на ход электрических процессов было изучено Герцем в 1887 году. Он проводил опыты с электрическим разрядником и об­наружил, что при облучении ультрафиолетовым излучением разряд происхо­дит при значительно меньшем напряжении.

В 1889-1895 гг. А.Г. Столетов изучал воздействие света на металлы, ис­пользуя следующую схему. Два электрода: катод К из исследуемого металла и анод А (в схеме Столетова – металлическая сетка, пропускающая свет) в ваку­умной трубке подключены к батарее так, что с помощью сопротивления R можно изменять значение и знак подаваемого на них напряжения. При облу­чении цинкового катода в цепи протекал ток, регистрируемый миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил сле­дующие основные закономерности:

• Наиболее сильное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;
• Под действием света из катода вырываются отрицательные заряды;
• Сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

Ленард и Томсон в 1898 году измерили удельный заряд (е/ m ), вырывае­мых частиц, и оказалось, что он равняется удельному заряду электрона, следо­вательно, из катода вырываются электроны.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фо­тоэффекте, называются фотоэлектронами, а образуемый ими ток называется фототоком.

С помощью схемы Столетова была получена следующая зависимость фото­тока от приложенного напряжения при неизменном световом потоке Ф (то есть была получена ВАХ – вольт- амперная характеристика):

При некотором напряжении U _Н фототок достигает насыщения I _н – все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, следовательно, сила тока насыщения I _н определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света. Число высвобождаемых фотоэлектро­нов пропорционально числу падающих на поверхность катода квантов света. А количество квантов света определяется световым потоком Ф, падающим на катод. Число фотонов N , падающих за время t на поверхность определяется по формуле:

где W – энергия излучения, получаемая поверхностью за время Δ t ,

- энергия фотона,

Ф_е – световой поток (мощность излучения).

1-й закон внешнего фотоэффекта (закон Столетова):

При фиксированной частоте падающего света фототок насыщения пропорционален падающему световому потоку:

I _нас ~ Ф, ν = const

U _з - задерживающее напряжение - напряжение, при котором ни одному электрону не удается долететь до анода. Следовательно, закон сохранения энергии в этом случае можно записать: энергия вылетающих электронов равна задерживающей энергии электрического поля

следовательно, можно найти максимальную скорость вылетающих фотоэлектронов V_max

2- й закон фотоэффекта : максимальная начальная скорость V_max фото­электронов не зависит от интенсивности падающего света (от Ф), а определя­ется только его частотой ν

3- й закон фотоэффекта : для каждого вещества существует "красная граница'' фотоэффекта, то есть минимальная частота ν_кp, зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, при которой ещё возможен внешний фотоэффект.

Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить с помощью вол­новой природы света (или классической электромагнитной теории света). Со­гласно этой теории вырывание электронов проводимости из металла является результатом их "раскачивания" электромагнитным полем световой волны. При увеличении интенсивности света (Ф) должна увеличиваться энергия, переда­ваемая электроном металла, следовательно, должна увеличиваться V_max , а это противоречат 2-му закону фотоэффекта.

Так как по волновой теории энергия, передаваемая электромагнитным полем пропорциональна интенсивности света (Ф), то свет любой; частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла, то есть красной границы фотоэффекта не существовало бы, что про­тиворечит 3-му закону фотоэффекта. Внешний фотоэффект является безынерционным. А волновая теория не может объяснить его безынерционность.

§ 3 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Работа выхода

В 1905 году А. Эйнштейн объяснил фотоэффект на основании квантовых представлений. Согласно Эйнштейну, свет не только испускается квантами в соответствии с гипотезой Планка, но распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями - квантами с энергией E₀ = hv. Кванты электромагнитного излучения называются фотонами.

Уравнение Эйнштейна (закон сохранения энергии для внешнего фото­эффекта):

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого тела в вакуум называется работой выхода.

Так как энергия Ферм к Е _F зависит от температуры и Е _F , также изменяется при изменении температуры, то, следовательно, А_вых зависит от температуры.

Кроме того, работа выхода очень чувствительна к чистоте поверхности. Нанеся на поверхность пленку (Са, S г , Ва) на W А_вых уменьшается с 4,5 эВ для чистого W до 1,5 ÷ 2 эВ для примесного W .

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить в c е три закона внешнего фо­тоэффекта,

1-й закон: каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интен­сивности (Ф) света

3-й закон: При уменьшении ν уменьшается V_max и при ν = ν₀ V_max = 0, следовательно, hν ₀ = А_вых, следовательно, т.е. существует минимальная частота, начиная с которой возможен внешний фотоэффект.

Читайте также:

  
• Психологический тип человека его психологическое состояние и безопасность реферат
  
• Медицинская и лекарственная помощь реферат
  
• Современное книгоиздание в саратовской области реферат
  
• Формы использования специальных знаний реферат
  
• Правоохранительные органы франции реферат