Презентация на тему "Фотоны"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Фотоны

  Лекция 6

• 
  Слайд 2

  §§ 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 классическихпозицийрешить неудается.

• 
  Слайд 3
  

  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

• 
  Слайд 4
  

  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.

• 
  Слайд 5

  §§ 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).

• 
  Слайд 6
  

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

• 
  Слайд 7
  

  07 Существование красной границы: Металл λmax, нм Cs 686 K 560 Na 540 Li 521 Hg 273,5 Fe 262 Ag 261 Au 265 п/п λmax, нм Ge 260 Si 258 УФ Работа выхода, эВ Cs 1,81 K,Na,Li 2,22–2,38 Hg…Au 4,55–4,75

• 
  Слайд 8
  

  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

• 
  Слайд 9

  Применение

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

• 
  Слайд 10
  

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

• 
  Слайд 11

  §§ 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.

• 
  Слайд 12
  

  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

• 
  Слайд 13
  

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

• 
  Слайд 14

  §§ Рентгеновская трубка

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

• 
  Слайд 15

  §§ 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

• 
  Слайд 16
  

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

• 
  Слайд 17
  

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

• 
  Слайд 18
  

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

• 
  Слайд 19
  

  19 Вычтем: (1)–(2)

• 
  Слайд 20
  

  20 Еслирассеяниепроисходит наэлектроне –комптоновская длинаволны 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.

• 
  Слайд 21

  §§ 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

• 
  Слайд 22
  

  Если двигается частица массой mсо 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

• 
  Слайд 23
  

  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

• 
  Слайд 24

  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

• 
  Слайд 25
  

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

• 
  Слайд 26
  

  26 Рассмотрим сумму двух волн Для многих гармоник

• 
  Слайд 27
  

  27 Пусть и тогда или – неопределенность координаты – неопределенность импульса

• 
  Слайд 28
  

  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.

• 
  Слайд 29

  §§ Модель атома Резерфорда

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

• 
  Слайд 30
  

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

• 
  Слайд 31

  §§ Теория Бора

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

• 
  Слайд 32
  

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

• 
  Слайд 33
  

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

• 
  Слайд 34
  

  34 Получаем систему ее решение – скорость электрона – радиус орбиты

• 
  Слайд 35
  

  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):

• 
  Слайд 36
  

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

• 
  Слайд 37
  

  37 Уровни энергии в атоме водорода

• 
  Слайд 38
  

  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