Презентация на тему "Давление света опыт"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Лекция 14 КВД. Фотоэффект(продолжение) Сегодня: понедельник, 31 октября 2016 г. pptcloud.ru

• 
  Слайд 2
  

  Установка для измерения вольт - амперной характеристики для изучения явления фотоэффекта

• 
  Слайд 3
  

  Металл А1 Iнас.1 Iнас.2 Iнас.3 I U Uз Металл А2 Вольтамперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электроновот напряжения на электродах.

• 
  Слайд 4
  

  Максимальное значение тока Iнас. – фототок насыщения – определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: где n– число электронов испускаемых катодом в 1 с. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение Uз.

• 
  Слайд 5
  

  Законы внешнего фотоэффекта Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени пропорционально интенсивности света. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν. Для каждого вещества существует красная границафотоэффекта, т.е. минимальная частота ν0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

• 
  Слайд 6
  

  х Фотонная теория света. Масса, энергия и импульсфотона В 1905 г. Эйнштейн выдвинул смелую идею, обобщавшую гипотезу квантов, и положил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта). Согласно Эйнштейну свет частотой νне только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε0 = hν. Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью c распространения света в вакууме.

• 
  Слайд 7
  

  Фотон обладает энергией W = hν = h(c/λ). Для видимого света длины волны λ = 0,5 мкм, энергия- W = 2,2 эВ, для рентгеновских лучей с λ = 10–4 – 10–2 Ǻ энергия- W = 15  0,15 эВ. Фотон обладает инертной массой: W = mc2 mф = W/c2 = hc/λc2 = h/cλ; Фотон движется со скоростью света c = 3·108 м/с. Подставим это значение скорости в выражение

• 
  Слайд 8
  

  Тормозное рентгеновское излучение Квантовая природа излучения подтверждается также существованием коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра.

• 
  Слайд 9
  

  Согласно классической электродинамике при торможении электрона, могут возникать излучения всех длин волн от нуля до бесконечности. Длина волны, на которую приходится максимум мощности излучения, должна уменьшится по мере увеличения скорости электронов, что и подтверждается на опыте

• 
  Слайд 10
  

  Существование коротковолновой границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. Действительно если излучение возникает за счёт энергии, теряемой электроном при торможении, то энергия кванта hω не может превысить энергию электрона eU т.е. hν ≤ eU, отсюда или

• 
  Слайд 11
  

  Давление света Основной постулат корпускулярной теории электромагнитного излучения, звучит так: электромагнитное излучение (и в частности, свет) – это поток частиц, называемых фотонами. Фотоны распространяются в вакууме со скоростью, равной предельной скорости распространения ЭМ взаимодействия, масса и энергия покоя фотона равны нулю, энергия фотона E связана с частотой электромагнитного излучения ν и длиной волны λ формулой

• 
  Слайд 12
  

  Обратимся теперь к явлению светового давления. Давление света открыто русским ученым Лебедевым в 1901 году. В своих опытах он установил, что давление света зависит от интенсивности света и от отражающей способности тела. Каждый поглощенный фотон передаст телу импульс

• 
  Слайд 13
  

  Итак, из корпускулярной теории электромагнитного излучения следует, что световое излучение оказывает давление на материальные предметы, причем величина давления пропорциональна интенсивности излучения. Эксперименты прекрасно подтверждают этот вывод: Опыт: Весы Крукса (1873)

• 
  Слайд 14
  

  “Герцовщина Лебедева”. Лебедев П.Н. (1866-1912 гг)поставил более тонкие эксперименты по преломлению ЭМВ, чем Герц. Эти опыты при жизни Лебедева вошли в разряд классических. Однако, работа Лебедева по определению давления света стала мировой сенсацией. Проведено исследование давления света на газы. За 10 лет этой работы (с 1901 по 1010гг) опубликовано 10 стр. текста!!! Революция 1905 года и демократия по сути остановили работу Лебедева. В 1912 г. он умер.

• 
  Слайд 15

  Эффект Комптона

• 
  Слайд 16
  
• 
  Слайд 17
  

  Артур Холли Комптон (1892-1962) - американский физик. Окончил Принстонский университет (1914). Работал преподавателем физики в университете штата Миннесота, инженером-исследователем в фирме «Вестингауз лэмп» ( «Westinghouse Lamp Co.») в Питсбурге. В 1920-1961 годах профессор университета Дж. Вашингтона (Сент-Луис) (1945-1953 - ректор), в 1942-1945 годах возглавлял Металлургическую лабораторию. Работы Комптона посвящены атомной и ядерной физике, физике космических лучей. Открыл в 1922 году явление изменения длины волны рентгеновского излучения вследствие рассеяния его электронами вещества (эффект Комптона). Тем самым было получено прямое доказательство существования фотона. Наблюдал явление полного внутреннего отражения рентгеновских лучей и разработал метод измерения длины волны рентгеновского излучения. В 1932 году открыл (независимо от Я. Клея) широтный эффект космических лучей и наличие в них заряженных частиц, в 1921 году пришел к идее спина.

• 
  Слайд 18
  
• 
  Слайд 19
  

  Схема экспериментальной установки Комптона РТ-рентгеновская трубка. Θ- угол рассеяния излучения; М – мишень рассеивателя. Длина волны рассеянного излучения определялась с помощью дифракции его на кристалле.

• 
  Слайд 20
  
• 
  Слайд 21
  

  Гипотеза де Бройля Опыты указывали на необходимость пересмотра основ квантовой теории и представлений о природе микрочастиц (электронов, протонов и т.п.). Возник вопрос о том, насколько исчерпывающим является представление электрона в виде малой механической частицы, характеризующейся определенными координатами и определенной скоростью. Наряду с явлениями дифракции, интерференции (волновыми явлениями) наблюдаются и явления, характеризующие корпускулярную природу света (фотоэффект, эффект Комптона).

• 
  Слайд 22
  

  х В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что дуализм не является особенностью только оптических явлений, а имеет универсальный характер. Частицы вещества также обладают волновыми свойствами.

• 
  Слайд 23
  

  х Луи де Бройль (1892 – 1987), французский физик, удостоенный Нобелевской премии 1929 г. по физике за открытие волновой природы электрона. В 1923, распространив идею А.Эйнштейна о двойственной природе света, предположил, что поток материальных частиц должен обладать и волновыми свойствами, связанными с их массой и энергией (волны де Бройля). Экспериментальное подтверждение этой идеи было получено в 1927 в опытах по дифракции электронов в кристаллах, а позже она получила практическое применение при разработке магнитных линз для электронного микроскопа. Концепцию де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме использовал Шредингер при создании квантовой механики.

• 
  Слайд 24
  

  Если фотон обладает энергией E = ħvи импульсомp = h/λ, то и частица (например, электрон), движущаяся с некоторой скоростью, обладает волновыми свойствами, т.е. движение частицы можно рассматривать как движение волны.

• 
  Слайд 25
  

  Согласно квантовой механике, свободное движение частицы с массой m и импульсом p = mυ (где υ – скорость частицы) можно представить как плоскую монохроматическую волну Ψ0 (волну де Бройля) с длиной волны распространяющуюся в том же направлении (например, в направлении оси х), в котором движется частица. Здесь h — Планка постоянная.

• 
  Слайд 26
  

  Зависимость волновой функции Ψ0 от координаты х даётся формулой где k0 – волновое число, а волновой вектор , направлен в сторону распространения волны, или вдоль движения частицы.

• 
  Слайд 27
  

  х Таким образом, волновой вектор монохроматической волны, связанной со свободно движущейся микрочастицей, пропорционален её импульсу или обратно пропорционален длине волны.

• 
  Слайд 28
  

  х Поскольку кинетическая энергия сравнительно медленно движущейся частицы K = mυ2/2, то длину волны можно выразить и через энергию:

• 
  Слайд 29
  

  При взаимодействии частицы с с кристаллом, молекулой и т.п. – её энергия меняется: к ней добавляется потенциальная энергия этого взаимодействия, что приводит к изменению движения частицы. Соответственно, меняется характер распространения связанной с частицей волны, причём это происходит согласно принципам, общим для всех волновых явлений. Основные геометрические закономерности дифракции частиц, ничем не отличаются от закономерностей дифракции любых волн. Общим условием дифракции волн любой природы является соизмеримость длины падающей волны λ с расстоянием d между рассеивающими центрами: λ ≤d.

• 
  Слайд 30
  

  х Рассмотренные волны де Бройля не являются электромагнитными, это волны особой природы. Вычислим дебройлевскую длину волны мячика массой 0,20 кг, движущегося со скоростью 15 м/с.

• 
  Слайд 31
  

  Это чрезвычайно малая длина волны. Дебройлевская длина волны обычного тела слишком мала, чтобы ее можно было обнаружить и измерить. Нам неизвестны предметы и щели, на которых могли бы дифрагировать волны с длиной волны10–30 м, поэтому волновые свойства обычных тел обнаружить не удается.

• 
  Слайд 32
  

  Другое дело, если речь идет об элементарных частицах типа электронов. Т.к. масса входит в знаменатель формулы, определяющей дебройлевскую длину волны, очень малой массе соответствует большая длина волны. Определим дебройлевскую длину волны электрона, ускоренного разностью потенциалов 100 В. м/с откуда

• 
  Слайд 33

  Экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля

• 
  Слайд 34
  
• 
  Слайд 35
  

  Распределение интенсивности электронов согласно классической физике

• 
  Слайд 36
  

  Распределение интенсивности электронов согласно квантовой теории

• 
  Слайд 37
  
• 
  Слайд 38
  

  Опыты по дифракции частиц и их квантовомеханическая интерпретация. Опыт Дэвиссона и Джермера Дифракция частиц, рассеяние микрочастиц (электронов, нейтронов, атомов и т.п.) кристаллами или молекулами жидкостей и газов, при котором из начального пучка частиц данного типа возникают пучки этих частиц отклонённые в различных направлениях. Направление и интенсивность таких отклонённых пучков зависят от строения рассеивающего объекта.

• 
  Слайд 39
  

  Дифракция частиц может быть понята лишь на основе квантовой теории. Дифракция – явление волновое, оно наблюдается при распространении волн различной природы: дифракция света, звуковых волн, волн на поверхности жидкости и т.д. Дифракция при рассеянии частиц, с точки зрения классической физики, невозможна. Первым опытом по дифракции частиц, блестяще подтвердившим исходную идею квантовой механики – корпускулярно-волновой дуализм, явился опыт американских физиков К. Дэвиссона и Л. Джермера проведенный в 1927 по дифракции электронов на монокристаллах никеля

• 
  Слайд 40
  
• 
  Слайд 41
  

  Если ускорять электроны электрическим полем с напряжением U, то они приобретут кинетическую энергию K = eU, (е – заряд электрона), что после подстановки числовых значений даёт

• 
  Слайд 42
  

  При напряжениях U порядка 100 В, которые использовались в этих опытах, получаются так называемые «медленные» электроны с λ порядка 1 Å. Эта величина близка к межатомным расстояниям d в кристаллах, которые составляют несколько Å и менее, и соотношение λ ≤ d, необходимое для возникновения дифракции, выполняется.

• 
  Слайд 43
  

  Кристаллы обладают высокой степенью упорядоченности. Атомы в них располагаются в трёхмерно-периодической кристаллической решётке, т.е. образуют пространственную дифракционную решётку для соответствующих длин волн. Дифракция волн на такой решётке происходит в результате рассеяния на системах параллельных кристаллографических плоскостей, на которых в строгом порядке расположены рассеивающие центры. Условием наблюдения дифракционного максимума при отражении от кристалла является Брэгга-Вульфа условие:

• 
  Слайд 44
  

  х здесь θ – угол, под которым падает пучок электронов на данную кристаллографическую плоскость (угол скольжения), а d — расстояние между соответствующими кристаллографическими плоскостями.

• 
  Слайд 45
  

  Дальнейшие исследования дифракции электронов В опыте Дэвиссона и Джермера при «отражении» электронов от поверхности кристалла никеля при определённых углах отражения возникали максимумы. Эти максимумы отражённых пучков электронов соответствовали формуле, и их появление не могло быть объяснено никаким другим путём, кроме как на основе представлений о волнах и их дифракции; таким образом, волновые свойства частиц – электронов – были доказаны экспериментом.

• 
  Слайд 46
  

  При более высоких ускоряющих электрических напряжениях (десятках кВ) электроны приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы проникать сквозь тонкие плёнки вещества (толщиной порядка 10–5 см, т. е. тысячи Å). Тогда возникает так называемая дифракция быстрых электронов на прохождение, которую на поликристаллических плёнках алюминия и золота впервые исследовали английский учёный Дж. Дж. Томсон и советский физик П. С. Тартаковский.

• 
  Слайд 47
  

  Вскоре после этого удалось наблюдать и явления дифракции атомов и молекул. Атомам с массой М, находящимся в газообразном состоянии в сосуде при абсолютной температуре Т соответствует длина волны

• 
  Слайд 48
  

  где k – Больцмана постоянная (т.к. средняя кинетическая энергия атома K = 2/3kT). Для лёгких атомов и молекул (Н, H2, Не), и температур в сотни градусов Кельвина, длина волны l также составляет около 1 Å. Дифрагирующие атомы или молекулы практически не проникают в глубь кристалла, поэтому можно считать, что их дифракция происходит при рассеянии от поверхности кристалла, т. е. как на плоской дифракционной решётке.

• 
  Слайд 49
  

  Сформированный с помощью диафрагм молекулярный или атомный пучок, направляют на кристалл и тем или иным способом фиксируют «отражённые» дифракционные пучки. Таким путём немецкие учёные О. Штерн и И. Эстерман, а также др. исследователи на рубеже 30-х гг. наблюдали дифракцию атомных и молекулярных пучков.

• 
  Слайд 50
  

  Позже наблюдалась дифракция протонов, а также дифракция нейтронов, получившая широкое распространение как один из методов исследования структуры вещества. Так было доказано экспериментально, что волновые свойства присущи всем без исключения микрочастицам.

• 
  Слайд 51
  

  В 1927 г. Дж.П. Томпсон и независимо от него П.С. Тартаковский получили дифракционную картину при прохождении электронного пучка через металлическую фольгу. В 1949 г. советские ученые Л.М. Биберман, Н.Г. Сушкин, В.А. Фабрикант поставили такой же опыт, но интенсивность электронного пучка была настолько слабой, что электроны проходили через прибор практически поодиночке. Однако картина после длительной экспозиции была точно такой же. х

• 
  Слайд 52
  

  Дифракция частиц, сыгравшая в своё время столь большую роль в установлении двойственной природы материи – корпускулярно-волнового дуализма (и тем самым послужившая экспериментальным обоснованием квантовой механики), давно уже стала одним из главных рабочих методов для изучения строения вещества. На дифракции частиц основаны два важных современных метода анализа атомной структуры вещества – электронография и нейтронография.

• 
  Слайд 53
  

  Дифракция быстрых электронов на прохождение на плёнках алюминия

• 
  Слайд 54

  Волновая функция

• 
  Слайд 55
  
• 
  Слайд 56
  
• 
  Слайд 57
  
• 
  Слайд 58
  
• 
  Слайд 59
  
• 
  Слайд 60
  
• 
  Слайд 61

  8. Уравнение Шредингера

• 
  Слайд 62
  
• 
  Слайд 63
  
• 
  Слайд 64
  
• 
  Слайд 65
  
• 
  Слайд 66
  
• 
  Слайд 67
  
• 
  Слайд 68
  
• 
  Слайд 69
  
• 
  Слайд 70
  
• 
  Слайд 71
  
• 
  Слайд 72

  9. Соотношение неопределенностей Гейнзенберга

• 
  Слайд 73
  
• 
  Слайд 74

  10. Граничные условия. Потенциальные ямы конечной глубины

• 
  Слайд 75
  
• 
  Слайд 76

  Эффект Комптона

• 
  Слайд 77
  
• 
  Слайд 78
  
• 
  Слайд 79
  

  Схема экспериментальной установки Комптона РТ-рентгеновская трубка. Θ- угол рассеяния излучения; М – мишень рассеивателя. Длина волны рассеянного излучения определялась с помощью дифракции его на кристалле.

• 
  Слайд 80
  
• 
  Слайд 81

  Корпускулярно-волновой дуализм (КВД)

• 
  Слайд 82
  
• 
  Слайд 83
  
• 
  Слайд 84
  
• 
  Слайд 85
  
• 
  Слайд 86
  
• 
  Слайд 87

  Основные выводы

• 
  Слайд 88
  
• 
  Слайд 89
  

  Лекция окончена Нажмите клавишу для выхода

• 
  Слайд 90
  
• 
  Слайд 91
  
• 
  Слайд 92
  
• 
  Слайд 93
  
• 
  Слайд 94
  
• 
  Слайд 95
  

  Рис. 7. Распределение интенсивности, обусловленное фотонами, прошедшими через щель А (либо через щель В)

• 
  Слайд 96