Фотоефект і його закони

Вчення про кванти

• Максвел – світло електромагнітна хвиля певного діапазону.

• Лебєдєв – світло чинить тиск.• Дисперсія? Спектр випромінювання?

Квантова механіка — де розділ фізики, який вивчає закономірності явищ, що відбуваються в мікросвіті в межах відстаней 1015 – 1010м.Дата виникнення: 14 грудня 1900 року — виступ Макса Планка на засіданні Берлінського фізичного товариства

Фізичні основи квантової механіки:1.Уявлення Планка про кванти електромагнітної енергії.2.Уявлення Ейнштейна про фотони.3.Ідеї Луї де Бройля про хвильові властивості речовини: корпускулярно- хвильова подвійність властивостей, що характерна для електромагніт ного поля, має універсальний характер (електронам, протонам, нейтронам, фотонам теж властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм)

Об’єкти дослідження у квантовій механіці:атоми;молекули;кристали;атомні ядра;елементарні частинки

Фотон

• Квант світла Квант світла – порція світлового випромінювання.

• ФотонФотон – елементарна частинка, яка володіє корпускулярними властивостями

Енергія фотона

• Маса спокою фотона = 0

Імпульс фотона

• Як наслідок наявності імпульсу в фотонів – тиск світла

Фотон – це світлова частинка ( Ейнштейн )

Маса фотона дорівнює нулю: т = 0 Швидкість фотона становить с = 3 108м/с Заряд фотона: q = 0

Фотоефект

1886 – 1889 года, наблюдение фотоэффекта Немецкий физик Генрих Герц

Обнаружил фотоэффект

Столєтов

• При зміні полярності струм припинявся

Столєтов

І-й закон фотоефекту

• Кількість електронів, що вириваються з поверхні металу за одиницю часу, пропорційна інтенсивності світла

2

mvA

2

h

2-йзакон фотоефекту

• Кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світлового потоку а залежить від частоти випромінювання

3-й закон фотоефекту

• Червона межа фотоефекту – мінімальна частота (максимальна довжина хвилі) при якій ще можливий фотоефект

• Червона межа фотоефекту залежить лише від речовини металу

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту

• Фотон – елементарна частинка, яка володіє енергією

1. Почему выход фотоэлектронов при возникновении фотоэффекта не зависит от освещенности металла?

2. Как изменяется кинетическая энергия электронов при фотоэффекте, если, не изменяя частоту, увеличить световой поток в 2 раза?

3. Как зависит запирающее напряжение от длины волны освещающего света?

4. Как изменится скорость вылетающих электронов при увеличении частоты освещающего света?

5. Как изменится работа выхода электрона из вещества при уменьшении частоты облучения в 3 раза?

16. Как изменится кинетическая энергия электронов при фотоэффекте, если увеличить частоту облучающего света, не изменяя общую мощность излучения?

• Увеличится • Уменьшится • Не изменится • Ответ не однозначен

7. Какие из перечисленных ниже приборов основаны на волновых свойствах света?

1. Дифракционная решетка 2. Фотоэлемент

А) Только 1Б) Только 2В) 1 и 2Г) Ни 1, ни 2

8. В каком случае электроскоп, заряженный отрицательным зарядом, быстрее разрядится?•При освещении инфракрасным излучением

•При освещении ультрафиолетовым излучением

9. На рисунке приведены графики зависимости запирающего напряжения фотоэлемента от частоты облучающего света. В каком случае материал катода фотоэлемента имеет большую работу выхода?

• I • II • Одинаковую • Ответ не однозначен

Зауваження:один фотон вириває з речовини один електрон

Фотоефект відбувається практично миттєво

Фотоелектричним ефектом, або фотоефектом, називається явище взаємодії світла з речовиною, в результаті якого енергія фотонів передається електронам речовини

У твердих тілах та рідинах У газах

Зовнішній фотоефектЕлектрони вилітають з речовини

Внутрішній фотоефект Електрони змінюють енергію, стають вільними, але залишаються в речовині

Фотоіонізація — виривання електронів з атомів та молекул газів під дією світла

Досліди Столєтова

Закони зовнішнього фотоефекту

І. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів залежить від частоти падаючого випромінювання та властивостей поверхні металу та не залежить від інтенсивності падаючого випромінювання

II. Загальна кількість фотоелектронів, вирваних з поверхні речовини за одиницю часу, та сила фотоструму залежить прямо пропорційно від освітленості (інтенсивності падаючого випромінювання)

III. Для кожної речо вини існує червона межа фотоефекту — найменша частота Е = А + Ек або найбіль ша довжина хвилі λmах, з якої починається фо тоефект:Фотоефект відбуваєть ся за умови: ν ≥ νmіn, λ ≤ λmах

Люмінесценція – це явище випромінювання світла джерелами за рахунок енергії, яка надходить до них в результаті різних процесів

Катодолюмінісценція — це випромінювання світла під час бомбардування тіл електронами або іншими зарядженими частинками (електронно-променева трубка)

Електролюмінесценція — це випромінювання світла під час пропускання через речовину електричного струму або під дією електричного поля (полярне сяйво, рекламні трубки з газами)

Хемілюмінесценція — це випромінювання світла тілами за рахунок хімічної реакції з виділенням енергії, що відбувається в речовині (світіння бактерій, риб тощо)

Фотолюмінесценція — це випромінювання світла речовиною внаслідок дії на неї видимим, ультрафіолетовим, рентгенівським, гамма- випромінюваннями (люмінесцентні лампи)

Термолюмінесценція — це випромінювання світла речовиною під час її нагрівання (вольфрамова спіраль лампи розжарювання)

Фотохімічні реакції — це реакції, що відбуваються дід дією світла

Реакції синтезу — це реакції, у результаті яких під дією світ ла більш прості молекули пере творюються на більш складні

Реакції розкладу — це реакції, у результаті яких під дією світ ла більш складні молекули пе ретворюються на більш прості

Приклад: С02 + 2Н20 + Nhv → СН20 + Н20 + 02 С02 + H2S + Nhv → СН20 + Н20+ 2S

Приклад:AgBr + hv →A g + Br (процес фотографування на плівку)

Закономірності фотохімічних реакцій1.Маса речовини, що прореагувала в ході фотохімічної реакції, пропорційна енергії, яку поглинає речовина.2.Для кожної фотохімічної реакції існує мінімальна частота, з якої починається ця реакція

Тиск світла – це тиск, який утворюють світлові електромагнітні хвилі, які падають на поверхню даного тіла

Схема досліду Лебедева (1900):Тиск світла обчислюється за формулою Максвелла:р = (1 + r)w, де р — тиск світла, r— коефіцієнт відбиття (для дзеркальної поверхні r= 1, для чорної r= 0), w— об’ємна густина енергії електромагнітного поля Пояснення — з точки зору хвильової теорії та з. точки зору квантової теорії. Прояв тиску світла — напрям кометних хвостів, сонячний вітер

Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)Мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

З історії відкриття:•1917 р. — Ейнштейн: дослідження випромінювання;•1940 р. — Фабрикант: можливість використання вимушеного випроміню вання для підсилення електромагнітних хвиль;•1954 р. — Басов, Прохоров, Таунс: створення мазера (1963 р.— Нобелівська премія)•1960 р. — створення лазера

Дворівнева системаПоглинання2121

Випромінювання2121

Трирівнева система

23

1

Блок – схема роботи лазераДзеркало Напівпрозоре

дзеркало

Робоче тіло

Пристрій накачки

Властивості лазерного випромінювання:•когерентність випромінювання;•монохроматичність випроміню вання;•значна потужність випромінювання;•малий кут розходження випромі нювання

Застосування лазерів:•медицина;•техніка;•промисловість, у тому числі хімічна;•військова справа;•метеорологія;•наукові дослідження;•комп’ютерна техніка

Корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей світла (1029 р. Луї де Бройль — Нобелівська премія з фізики)

Хвильові властивості Корпускулярні властивості

Дисперсія

Інтерференція

Дифракція

Поляризація

Відбивання

ЗаломленняТиск світла

Люмінесценції

Фотохімічні реакції

Фотоефект

СПЕКТРИ

Спектри випромінювання Спектри поглинання

Неперервний спектр

Лінійчатий спектр. 1860 року Г. Кірхгоф та Р. Бунзен виявили, що кожна речовина в газоподібному стані має свій характерний спектр

Смугастий спектр

Газ найбільш сильно поглинає випромінювання тих довжин хвиль, які він випромінює в сильнонагрітому стані (вперше спостерігав Й. Фраунгофер)

Спектральний аналіз – це метод визначення хімічного складу (якісного та кількісного ) речовини за спектромОсобливість методу:для аналізу Достатньо речовини масою близько 10~13 кг;проводиться набагато швидше, ніж хімічний аналіз;можна проводити без контакту з речовиною, яку вивчають — достатньо проаналізувати випромінювання речовини

Можна отримати інформацію про хімічний склад:руд та мінералів;у металургії;у машинобудівництві;в атомній індустрії;Сонця та зір;складних органічних молекул Спектри дають інформацію про:температуру речовини;тиск;швидкість руху джерела;магнітну індукцію 

Розвиток корпускулярно-хвильової теорії світла

Корпускулярна

1704 р. — І. Ньютон1813 р. — Ж. Біо1900 р. — М. Планк1905 р. — А. Ейнштейн

1923 — Луї де Бройль — корпускулярно-хвильова теорія

1678 р. — X. Гюйгенс1756 р. — М. Ломоносов1801 р. — Т. Юнг1815 р. — О. Френель1865 р. — Дж. Макевелл

Хвильова