Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Возникновение учения о квантах

2. Фотоэффект и его законы

2.1 Законы фотоэффекта

3. Закон Кирхгофа

4. Законы Стефана-Больцмана и смещения Вина

5. Формулы Рэлея - Джинса и Планка

6. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

7. Фотон, его энергия и импульс

8. Применение фотоэффекта в технике

9. Давление света. Опыты П.Н.Лебедева

10. Химическое действие света и его применение

11. Корпускулярно-волновой дуализм

Заключение

Список литературы

Введение

Оптика - раздел физики, в котором изучается природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. По традиции оптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Мы рассмотрим квантовую оптику.

Квантовой оптикой называют раздел оптики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света. К таким явлениям относятся: тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона, эффект Рамана, фотохимические процессы, вынужденное излучение (и, соответственно, физика лазеров) и др. Квантовая оптика является более общей теорией, чем классическая оптика. Основная проблема, затрагиваемая квантовой оптикой -- описание взаимодействия света с веществом с учётом квантовой природы объектов, а также описания распространения света в специфических условиях. Для того чтобы точно решить эти задачи требуется описывать и вещество (среду распространения, включая вакуум) и свет исключительно с квантовых позиций, однако часто прибегают к упрощениям: одну из компонент системы (свет или вещество) описывают как классический объект. Например часто при расчётах связанных с лазерными средами квантуют только состояние активной среды, а резонатор считают классическим, однако если длина резонатора будет порядка длины волны, то его уже нельзя считать классическим, и поведение атома в возбуждённом состоянии помещённого в такой резонатор будет гораздо более сложным.

1. Возникновение учения о квантах

Теоретические исследования Дж. Максвелла показали, что свет есть электромагнитные волны определенного диапазона. Теория Максвелла получила экспериментальное подтверждение в опытах Г. Герца. Из теории Максвелла следовало, что свет, падая на любое тело, оказывает на него давление. Это давление удалось обнаружить П. Н. Лебедеву. Опыты Лебедева подтвердили электромагнитную теорию света. Согласно работам Максвелла, показатель преломления вещества определяется формулой n=ем??v, т.е. связан с электрическими и магнитными свойствами этого вещества ( е и м -- соответственно относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества). Но такое явление, как дисперсия (зависимость показателя преломления от длины световой волны), теория Максвелла объяснить не смогла. Это было сделано Х.Лоренцем, создавшим электронную теорию взаимодействия света с веществом. Лоренц предположил, что электроны под действием электрического поля электромагнитной волны совершают вынужденные колебания с частотой v, которая равна частоте электромагнитной волны, а диэлектрическая проницаемость вещества зависит от частоты изменений электромагнитного поля, следовательно, и n=f(v). Однако при изучении спектра испускания абсолютно черного тела, т.е. тела, которое поглощает все падающие на него излучения любой частоты, физика не смогла в рамках электромагнитной теории объяснить распределение энергии по длинам волн. Расхождение между теоретической (пунктирная) и экспериментальной (сплошная) кривыми распределения плотности мощности излучения в спектре абсолютно черного тела (рис. 19.1), т.е. различие между теорией и опытом, было так значительно, что его назвали "ультрафиолетовой катастрофой" Электромагнитная теория не могла также объяснить возникновение линейчатых спектров газов и законы фотоэффекта.



Рис. 1.1

Новая теория света была выдвинута М. Планком в 1900 г. Согласно гипотезе М. Планка, электроны атомов излучают свет не непрерывно, а отдельными порциями -- квантами. Энергия кванта? W пропорциональна частоте колебаний н:

W=hн,

где h -- коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Планка:

h=6,62?10?34 Дж*с

Так как излучение испускается порциями, то энергия атома или молекулы (осциллятора) может принимать лишь определенный дискретный ряд значений, кратных целому числу электронных порций щ, т.е. быть равной hн,2hн,3hн и т.д. Не существует колебаний, энергия которых имеет промежуточное значение между двумя последовательными целыми числами, кратными hн. Это означает, что на атомно-молекулярном уровне колебания происходят не с любыми значениями амплитуд. Допустимые значения амплитуд определяются частотой колебаний.

Используя это предположение и статистические методы, М. Планк сумел получить формулу распределения энергии в спектре излучения, соответствующую экспериментальным данным (см. рис. 1.1).

Квантовые представления о свете, введенные в науку Планком, развил далее А. Эйнштейн. Он пришел к выводу, что свет не только излучается, но и распространяется в пространстве, и поглощается веществом в виде квантов.

Квантовая теория света помогла объяснить ряд явлений, наблюдаемых при взаимодействии света с веществом.

2. Фотоэффект и его законы

Фотоэффект возникает при взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением.

Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

Внутренним фотоэффектом ?называется явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под действием света. Частным случаем внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект -- явление возникновения под действием света электродвижущей силы в контакте двух различных полупроводников или полупроводника и металла.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888--1890 гг. А. Г. Столетовым. В опытах с электромагнитными волнами Г. Герц заметил, что проскакивание искры между цинковыми шариками разрядника происходит при меньшей разности потенциалов, если один из них осветить ультрафиолетовыми лучами. При исследовании этого явления Столетовым использовался плоский конденсатор, одна из пластин которого (цинковая) была сплошной, а вторая -- выполнена в виде металлической сетки (рис. 1.2). Сплошная пластина соединялась с отрицательным полюсом источника тока, а сетчатая -- с положительным. Внутренняя поверхность отрицательно заряженной пластины конденсатора освещалась светом от электрической дуги, в спектральный состав которой входят ультрафиолетовые лучи. Пока конденсатор не освещался, тока в цепи не было. При освещении цинковой пластины К ультрафиолетовыми лучами гальванометр G фиксировал наличие тока в цепи. В том случае, если катодом становилась сетка А, тока в цепи не было. Следовательно, цинковая пластина под действием света испускала отрицательно заряженные частицы. К моменту обнаружения фотоэффекта еще не было ничего известно об электронах, открытых Дж. Томсоном только 10 лет спустя, в 1897 г. После открытия электрона Ф. Ленардом было доказано, что вылетающими под действием света отрицательно заряженными частицами являются электроны, названные фотоэлектронами.

Рис. 1.2

Столетов проводил опыты с катодами из разных металлов на установке, схема которой показана на рисунке 1.3.

Рис. 1.3

В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, впаивались два электрода. Внутрь баллона через кварцевое "окошко", прозрачное для ультрафиолетового излучения, попадает свет на катод К. Подаваемое на электроды напряжение можно изменять с помощью потенциометра и измерять вольтметром V. Под действием света катод испускал электроны, которые замыкали цепь между электродами, и амперметр фиксировал наличие тока в цепи. Измерив ток и напряжение, можно построить график зависимости силы фототока от напряжения между электродами I=I(U) (рис. 1.4). Из графика следует, что:

1. При отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля, что можно объяснить наличием у фотоэлектронов при вылете кинетической энергии.

2. При некотором значении напряжения между электродами UH сила фототока перестает зависеть от напряжения, т.е. достигает насыщения IH.

Рис. 1.4

Сила фототока насыщения IH=qmaxt, где qmax -- максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами. Он равен qmax=net, где n -- число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла за 1 с, e -- заряд электрона. Следовательно, при фототоке насыщения все электроны, покинувшие за 1 с поверхность металла, за это же время попадают на анод. Поэтому по силе фототока насыщения можно судить о числе фотоэлектронов, вылетающих с катода в единицу времени.

3. Если катод соединить с положительным полюсом источника тока, а анод -- с отрицательным, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны будут тормозиться, а сила фототока уменьшаться при увеличении значения этого отрицательного напряжения. При некотором значении отрицательного напряжения U3 (его называют задерживающим напряжением) фототок прекращается.

Согласно теореме о кинетической энергии, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:

A3=?eU3;ДWk=mх2max2,

eU3=mх2max2.

Это выражение получено при условии, что скорость х?c, где с -- скорость света.

Следовательно, зная U3, можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

На рисунке 1.5, а приведены графики зависимости I_ф(U) для различных световых потоков, падающих на фотокатод при постоянной частоте света. На рисунке 1.5, б приведены графики зависимости I_ф(U) для постоянного светового потока и различных частот падающего на катод света.

Рис. 1.5

Анализ графиков на рисунке 1.5, а показывает, что сила фототока насыщения увеличивается с увеличением интенсивности падающего света. Если по этим данным построить график зависимости силы тока насыщения от интенсивности света, то получим прямую, которая проходит через начало координат (рис. 1.5, в). Следовательно, сила фотона насыщения пропорциональна интенсивности света, падающего на катод

If ? I.

Как следует из графиков на рисунке 1.5, б уменьшении частоты падающего света?, величина задерживающего напряжения увеличивается с увеличением частоты падающего света. При U3 уменьшается, и при некоторой частоте н0 задерживающее напряжение U30=0. При н<н0 фотоэффект не наблюдается. Минимальная частота н0(максимальная длина волны л0) падающего света, при которой еще возможен фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. На основании данных графика 1.5,б можно построить график зависимости U3(н) (рис. 1.5, г).

На основании этих экспериментальных данных были сформулированы законы фотоэффекта.

2.1 Законы фотоэффекта

1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1с. с поверхности катода, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты.

3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.

4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время ?10?9 с.

3. Закон Кирхгофа

Кирхгоф, опираясь на второй закон термодинамики и анализируя условия равновесного излучения в изолированной системе тел, установил количественную связь между спектральной плотностью энергетической светимости и спектральной поглощательной способностью тел. Отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры (закон Кирхгофа):

Для черного тела , поэтому из закона Кирхгофа вытекает, что R_?,T для черного тела равна r_?,T. Таким образом, универсальная функцияКирхгофа r_?,T есть не что иное, как спектральная плотность энергетической светимости черного тела. Следовательно, согласно закону Кирхгофа, для всех тел отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности равно спектральной плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре и частоте.

Из закона Кирхгофа следует, что спектральная плотность энергетической светимости любого тела в любой области спектра всегда меньше спектральной плотности энергетической светимости черного тела (при тех же значениях Т и ?), так как А_?,T< 1 и поэтому R_?,T <r_?,T. Кроме того, из (3.1) вытекает, что если тело при данной температуре Т не поглощает электромагнитные волны в интервале частот от ? до ?+d?, то оно их в этом интервале частот при температуре T и не излучает, так как при А_?,T =0, R_?,T =0.

Используя закон Кирхгофа, выражение для энергетической светимости тела (3.2) можно записать в виде

Для серого тела

(3.2)

Где

-- энергетически светимость черного тела (зависит только от температуры).

Закон Кирхгофа описывает только тепловое излучение, являясь настолько характерным для него, что может служить надежным критерием для определения природы излучения. Излучение, которое закону Кирхгофа не подчиняется, не является тепловым.

4. Законы Стефана-Больцмана и смещения Вина

Из закона Кирхгофа (см. (4.1)) следует, что спектральная плотность энергетическое светимости черного тела является универсальное функцией, поэтому нахождение ее явной зависимости от частоты и температуры является важной задачей теории теплового излучения. Австрийский физик И. 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/(м² ? К⁴). Закон Стефана - Больцмана, определяя зависимость R_е от температуры, не дает ответа относительно спектрального состава излучения черного тела. Из экспериментальных кривых зависимости функции r_?,T 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 r_?,T 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 ?_max, соответствующей максимуму функции r_?,T, от температуры Т. Согласно закону смещения Вина,

(199.2)

т. е. длина волны ?_max, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости r_?,T 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 r_?,T 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).

5. Формулы Рэлея - Джинса и Планка

Из рассмотрения законов Стефана - Больцмана и Вина следует, что термодинамический подход к решению задача о нахождении универсальной функции Кирхгофа r_?,T не дал желаемых результатов. Следующая строгая попытка теоретического вывода зависимости r_?,T 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

(200.1)

где ???=kT -- средняя энергия осциллятора с собственной частотой ?. Для осциллятора, совершающего колебания, средние значения кинетической и потенциальной энергий одинаковы, 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 смещения 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))



в то время как по закону Стефана -- Больцмана R_е пропорциональна четвертой степени температуры. Этот результат получил название "ультрафиолетовой катастрофы". Таким образом, в рамках классической физики не удалось объяснить законы распределения энергии в спектре черного тела.

В области больших частот хорошее согласие с опытом дает формула Вина (закон излучения Вина), полученная им из общих теоретических соображений:

где r_?,T -- спектральная плотность энергетической светимости черного тела, С и А -- постоянные величины. В современных обозначениях с использованием постоянной Планка, которая в то время еще не была известна, закон излучения Вина может быть записан в виде

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)):

(200.2)

где h= 6,625?10-³⁴ Дж?с -- постоянная Планка. Так как излучение испускается порциями, то энергия осциллятора ? может принимать лишь определенныедискретные значения, кратные целому числу элементарных порций энергии ?₀:

В данном случае среднюю энергию ??? осциллятора нельзя принимать равной kT. В приближении, что распределение осцилляторов по возможным дискретным состояниям подчиняется распределению Больцмана, средняя энергия осциллятора

а спектральная плотность энергетической светимости черного тела

Таким образом, Планк вывел для универсальной функции Кирхгофа формулу

(200.3)

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 h?<<kT (энергия кванта очень мала по сравнению с энергией теплового движения kT), формула Планка (200.3) совпадает с формулой Рэлея - Джинса (200.1). Для доказательства этого разложим экспоненциальную функцию в ряд, ограничившись для рассматриваемого случая двумя первыми членами:

Подставляя последнее выражение в формулу Планка (200.3), найдем, что

т. е. получили формулу Рэлея - Джинса (200.1).

Из формулы Планка можно получить закон Стефана - Больцмана. Согласно (198.3) и (200.3),



Введем безразмерную переменную x=h?/(kt); dx=hd?/(kT); d?=kTdx/h. Формула для R_e преобразуется к виду

(200.4)

где так как Таким образом, действительно формула Планка позволяет получить закон Стефана - Больцмана (ср. формулы (199.1) и (200.4)). Кроме того, подстановка числовых значений k, с и h дает для постоянной Стефана - Больцмана значение, хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Закон смещения Вина получим с помощью формул (197.1) и (200.3):

Откуда

Значение ?_max, при котором функция достигает максимума, найдем, приравняв нулю эту производную. Тогда, введя x=hc/(kT?_max), получим уравнение



Решение этого трансцендентного уравнения методом последовательных приближений дает x=4,965. Следовательно, hc/(kT?_max)=4,965, откуда

т. е. получили закон смещения Вина (см. (199.2)).

Из формулы Планка, зная универсальные постоянные h, k и с, можно вычислить постоянные Стефана - Больцмана ? и Вина b. С другой стороны, зная экспериментальные значения ? и b, можно вычислить значения h и k (именно так и было впервые найдено числовое значение постоянной Планка).

Таким образом, формула Планка не только хорошо согласуется с экспериментальными данными, но и содержит в себе частные законы теплового излучения, а также позволяет вычислить постоянные в законах теплового излучения. Следовательно, формула Планка является полным решением основной задачи теплового излучения, поставленной Кирхгофом. Ее решение стало возможным лишь благодаря революционной квантовой гипотезе Планка.

6. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Попытаемся объяснить экспериментальные законы фотоэффекта, используя электромагнитную теорию Максвелла. Электромагнитная волна заставляет электроны совершать электромагнитные колебания. При постоянной амплитуде вектора напряженности электрического поля количество энергии, полученной в этом процессе электроном, пропорционально частоте волны и времени "раскачивания". В этом случае энергию, равную работе выхода, электрон должен получить при любой частоте волны, но это противоречит третьему экспериментальному закону фотоэффекта. При увеличении частоты электромагнитной волны больше энергии за единицу времени передается электронам, и фотоэлектроны должны вылетать в большем количестве, а это противоречит первому экспериментальному закону. Таким образом, эти факты объяснить в рамках электромагнитной теории Максвелла было невозможно.

В 1905 г. для объяснения явления фотоэффекта А. Эйнштейн использовал квантовые представления о свете, введенные в 1900 г. Планком, и применил их к поглощению света веществом. Монохроматическое световое излучение, падающее на металл, состоит из фотонов. Фотон -- это элементарная частица, обладающая энергией W0=hн.Электроны поверхностного слоя металла поглощают энергию этих фотонов, при этом один электрон поглощает целиком энергию одного или нескольких фотонов.

Если энергия фотона W₀ равна или превышает работу выхода, то электрон вылетает из металла. При этом часть энергии фотона тратится на совершение работы выхода А_в, а остальная часть переходит в кинетическую энергию фотоэлектрона:

W0=AB+mх2max2,

hн=AB+mх2max2 -- уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Оно представляет собой закон сохранения энергии в применении к фотоэффекту. Это уравнение записано для однофотонного фотоэффекта, когда речь идет о вырывании электрона, не связанного с атомом (молекулой).

На основе квантовых представлений о свете можно объяснить законы фотоэффекта.

Известно, что интенсивность света I=WSt, где W -- энергия падающего света, S -- площадь поверхности, на которую падает свет, t -- время. Согласно квантовой теории, эта энергия переносится фотонами. Следовательно, W= N_f hн, где N_f -- число фотонов, падающих на вещество. Очевидно, что число электронов N_e, вырванных из вещества, пропорционально числу фотонов, падающих на вещество, т.е. Ne?Nf, а следовательно, Ne?I. Таким образом, мы объяснили первый закон фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна следует, что

mх2max2=hн?AB и AB=hн0.

Отсюда видно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света, а красная граница фотоэффекта -- от рода вещества катода (второй и третий законы фотоэффекта).

7. Фотон, его энергия и импульс

Порция светового излучения -- квант света -- обладает корпускулярными свойствами и может рассматриваться как элементарная частица, называемая фотоном. Фотоны являются носителями свойств электромагнитного поля. Чем выше частота излучения, тем сильнее проявляются корпускулярные (квантовые) свойства света.

Световые частицы -- фотоны -- обладают энергией

W0=hн=hcл,

где h -- постоянная Планка, v -- частота световой волны, л -- ее длина, с -- скорость света.

Фотон всегда движется со скоростью света, и нет никакой системы отсчета, в которой бы он покоился. Значит, его масса m= 0 и соответственно (см. § 18.4) энергия фотона и его импульс связаны соотношением W20?p2c2=0. Откуда импульс фотона

p=W0c=hнc=hл.

То, что фотон обладает импульсом, экспериментально подтверждается открытием светового давления (см. ниже § 19.6).

Если свет является монохроматическим, то все фотоны имеют одинаковые энергию и импульс.

Фотоны возникают (излучаются) при переходах атомов, молекул, ионов и атомных ядер из возбужденных энергетических состояний в состояния с меньшей энергией. Фотоны излучаются также при ускорении и торможении заряженных частиц, при распадах некоторых частиц и уничтожении (при аннигиляции) пары электрон -- позитрон.

Процесс поглощения света веществом сводится к тому, что фотоны целиком передают свою энергию частицам вещества. Процесс поглощения света рассматривается в квантовой физике как дискретный и во времени, и в пространстве.

8. Применение фотоэффекта в технике

Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта, называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее устройство (рис. 19.6). Внутренняя поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, по крыта светочувствительным слоем К с небольшим прозрачным для света участком -- "окном" О для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо А. От электродов К к А сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи. В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету (изготовляют и фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовым лучам).

Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

В качестве примера рассмотрим принцип действия фотоэлектрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент (рис. 19.7, а). Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют полупроводниковый триод (транзистор) Т, и электромагнитного реле, включенного в цепь коллектора транзистора. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока E₁, а на транзистор -- от источника тока Е₂. Между базой и эмиттером транзистора включен нагрузочный резистор R.



Рис. 19.7

Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор Я, идет слабый ток, потенциал базы транзистора выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует.

Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, переход эмиттер -- база открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле срабатывает, и его контакты замыкают исполнительную цепь. Ее функциями могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека, выдвигание преграды в турникете метро, автоматическое включение освещения на улицах. Фотоэлементы применяются в военном деле в самонаводящихся снарядах, для сигнализации и локации невидимыми лучами (инфракрасными).

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, за-писанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение).

Комбинация явлений фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) (рис. 19.7, б), представляющих собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов-эмиттеров. Электроны, вырванные с фотокатода под действием света, попадают на эмиттер Э₁, пройдя ускоряющую разность потенциалов между К к Э₁. Из эмиттера Э₁ выбиваются электроны. Усиленный электронный поток направляется на эмиттер Э₂ и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 10⁶, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фотосопротивлений. Простейшее фотосопротивление (рис. 19.8) -- это пластинка из диэлектрика, покрытая тонким слоем полупроводника, на поверхности которого укреплены токопроводящие электроды. При освещении пластинки возникает фотопроводимость, и в цепи, где включены фотосопротивления, идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. Фотоэлементы применяются для сортировки массовых изделий по размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток, попадающий на фотоэлемент, и силу фототока. В зависимости от силы фототока автоматически производится сортировка изделий.

Рис. 19.8

На рисунке 19.8 изображена схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем батарей, которые устанавливаются на космических кораблях. Такие фото-элементы являются основной частью люксметров -- приборов для измерения освещенности, а также фотоэкспонометров.?(вентильным фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другом пластинки, изготовленные из металла и его оксида (полупроводника), покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его оксидом имеет одностороннюю электропроводность -- электроны могут проходить лишь в направлении от оксида металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего источника напряжения. Вентильный фотоэлемент непосредственно превращает энергию световой волны в энергию электрического тока, т.е. является источником тока. На этом принципе основано действие солнечных батарей, которые устанавливаются на космических кораблях. Такие фото-элементы являются основной частью люксметров -- приборов для измерения освещенности, а также фотоэкспонометров.

9. Давление света. Опыты П.Н.Лебедева

Давлением света называется давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого-либо тела. Существование давления было предсказано Дж. Максвеллом в его электромагнитной теории света.

Если, например, электромагнитная волна падает на металл (рис. 19.9), то под действием электрического поля волны с напряженностью E? электроны поверхностного слоя металла будут двигаться в направлении, противоположном вектору E? , со скоростью х? =const. Магнитное поле волны с индукцией В действует на движущиеся электроны с силой Лоренца F_Л в направлении, перпендикулярном поверхности металла (согласно правилу левой руки). Давление р, оказываемое волной на поверхность металла, можно рассчитать как отношение равнодействующей сил Лоренца, действующих на свободные электроны в поверхностном слое металла, к площади поверхности металла:

p=?nn=1F? iLS.

На основании электромагнитной теории Максвелл получил формулу для светового давления. С ее помощью он рассчитал давление солнечного света в яркий полдень на абсолютно черное тело, расположенное перпендикулярно солнечным лучам. Это давление оказалось равным 4,6 мкПа:

p=(1+с)Jc.

где J -- интенсивность света, с -- коэффициент отражения света (см. § 16.3), с -- скорость света в вакууме. Для зеркальных поверхностей с=1, при полном поглощении (для абсолютно черного тела) с=0

С точки зрения квантовой теории, давление является следствием того, что у фотона имеется импульс pf=hнc. Пусть свет падает перпендикулярно поверхности тела и за 1 с на 1 м² поверхности падает N фотонов. Часть из них поглотится поверхностью тела (неупругое соударение), и каждый из поглощенных фотонов передает этой поверхности свой импульс pf=hнc.Часть же фотонов отразится (упругое соударение). Отраженный фотон полетит от поверхности в противоположном направлении. Полный импульс, переданный поверхности отраженным фотоном, будет равен?

Дpf=pf?(?pf)=2pf=2hнc.

Давление света на поверхность будет равно импульсу, который передают за 1 с все N фотонов, падающих на 1 м² поверхности тела. Если с -- коэффициент отражения света от произвольной поверхности, то с?N -- это число отраженных фотонов, а (1?с)N -- число поглощенных фотонов. Следовательно, давление света

p=2сNhнc+(1?с)Nhнc=(1+с)Nhнc.

Произведение представляет собой энергию всех фотонов, падающих на 1 м² поверхности за 1 с. Это есть интенсивность света (поверхностная плотность потока излучения падающего света):

Nhн=WS?t=I.

Таким образом, давление света p=(1+с)Ic.

Предсказанное Максвеллом световое давление было экспериментально обнаружено и измерено русским физиком П. Н. Лебедевым. В 1900 г. он измерил давление света на твердые тела, а в 1907--1910 гг. -- давление света на газы.

Прибор, созданный Лебедевым для измерения давления света, представлял собой очень чувствительный крутильный динамометр (крутильные весы). Его подвижной частью являлась подвешенная на тонкой кварневой нити легкая рамка с укрепленными на ней крылышками -- светлыми и черными дисками толщиной до 0,01 мм. Крылышки делали из металлической фольги (рис. 19.10). Рамка была подвешена внутри сосуда, из которого откачали воздух.

Рис. 19.10

Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление. В результате на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити определялось давление света.

Трудности измерения светового давления вызывались его исключительно малым значением и существованием явлений, сильно влияющих на точность измерений. К их числу относилась невозможность полностью откачать воздух из сосуда, что приводило к возникновению так называемого радиометрического эффекта.

молекулы воздуха, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны. Так появляется дополнительный вращающий момент.?Сущность этого явления в следующем. Сторона крылышек, обращенная к источнику света, нагревается сильнее противоположной стороны. Поэтому

Схема установки Лебедева для измерения давления света на газы изображена на рисунке 19.11. Свет, проходящий сквозь стеклянную стенку А, действует на газ, заключенный в цилиндрическом канале В. Под давлением света газ из канала В перетекает в сообщающийся с ним канал С. В канале С находится легкий подвижный поршень D, подвешенный на тонкой упругой нити Е, перпендикулярной плоскости чертежа. Световое давление рассчитывалось по углу закручивания нити.

Рис. 19.11

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие, тем не менее, может оказаться существенным в других условиях. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения должно достигать громадного значения. Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль в процессах, происходящих внутри звезд.

10. Химическое действие света и его применение

Химическое действие света проявляется в том, что существует целый ряд химических превращений, происходящих только под действием света. Химические реакции, протекающие под действием света, называют фотохимическими.

Фотохимические реакции могут протекать либо по пути синтеза (образование под действием света из молекул исходных веществ более сложных молекул), либо по путиразложения (образование под действием света простых молекул из более сложных).

Фотохимические реакции часто сопровождаются вторичными химическими превращениями.

Установлено, что масса вещества, участвующего в ходе первичной фотохимической реакции, пропорциональна энергии светового излучения, поглощенного веществом.

Для каждой фотохимической реакции существует пороговая частота н, которую называют красной границей данной реакции. Свет с частотой н<н0 не может вызвать данную фотохимическую реакцию.

Закономерности фотохимических реакций объясняют на основе квантовой теории: атомы в молекулах удерживаются благодаря химическим связям. Если энергии, поглощенной молекулой фотона, хватает для разрыва химической связи (н?н0), то фотохимическая реакция происходит, если же н<н0, то реакция не происходит.

Многие фотохимические реакции играют большую роль в природе и технике.

Важнейшие фотохимические реакции происходят в зеленых листьях деревьев и травы, в иглах хвои и во многих микроорганизмах. Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части: углерод и кислород. Происходит это, как установил русский биолог К. А. Тимирязев, в молекулах хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра. Пристраивая к углеродной цепочке атомы других элементов, извлекаемых корнями из земли, растения строят молекулы белков, жиров и углеводов -- пищу для человека и животных. Все это происходит за счет энергии солнечных лучей. Причем здесь особенно важна не только сама энергия, но и та форма, в которой она поступает. Итак, фотосинтез -- это процесс образования углеводов под действием света с выделением кислорода в растениях и некоторых микроорганизмах.

Химическое действие света лежит и в основе фотографии. Чувствительный слой фотопластинки состоит из маленьких кристалликов бромида серебра (AgBr), вкрапленных в желатин. Попадание фотонов в кристаллик приводит к отрыву электронов от отдельных ионов брома. Эти электроны захватываются ионами серебра, и в кристаллике образуется небольшое количество нейтральных атомов серебра.

Распад молекулы происходит по схеме

AgBr+hн>Ag?+Br++e?,

где Ag* -- энергетически возбужденный атом серебра. Вr⁺ -- положительный ион брома, e^- -- электрон. Под действием проявителя бром растворяется, а оставшиеся атомы серебра дают негативное изображение Далее негатив обрабатывается в закрепителе, который растворяет некореагированный бромид серебра.

Фотография получила широкое распространение в науке и технике. Современные достижения позволяют производить фотографирование не только при видимом свете, но и в темноте (в инфракрасных лучах). Фотографию применяют также для записи звука в кино.

Выцветание тканей на солнце и образование загара -- тоже примеры химического действия света.

11. Корпускулярно-волновой дуализм

Как следует из изложенного выше, свету присущи корпускулярные свойства. На их основании объясняется целый ряд наблюдаемых физических явлений -- происхождение линейчатых спектров, фотоэффект.

Но такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация, с точки зрения квантовой теории объяснить затруднительно. Они являются подтверждением волновых свойств света.

На первый взгляд кажется, что две точки зрения -- волновая и квантовая -- взаимно исключают друг друга. Ряд признаков волн и частиц действительно противоположны. Например, движущиеся частицы (фотоны) находятся в определенных точках пространства, а распространяющуюся волну нужно рассматривать как "размазанную" в пространстве, и нельзя говорить о пребывании волны в некоторой определенной точке.

Развитие оптики, вся совокупность оптических явлений показали, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотонов.

Свет обладает двойственной корпускулярно-волновой природой. По современным воззрениям, свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.Двойственность свойств света находит свое выражение и в формулах:

W0=hн; m=hнc2; p=hнc.

Корпускулярные характеристики фотона -- энергия W₀, масса m, импульс р -- связаны с волновой характеристикой -- частотой н.

Свет, обладая одновременно корпускулярно-волновыми свойствами, обнаруживает определенные закономерности в их проявлении. Так, волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные -- в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются квантовые свойства света. Наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются волновые свойства света. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) -- корпускулярные.

Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности: для полного понимания природы света необходимо учитывать как волновые, так и корпускулярные свойства света: они взаимно дополняют друг друга. Однако для объяснения какого-либо эксперимента следует использовать либо волновые, либо корпускулярные представления о природе света, но не те и другие одновременно.

Заключение

квант фотоэффект фотон свет

Практическое значение оптики и её влияние на другие отрасли знания исключительно велики. Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явления теснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно, что оптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений. Достаточно сказать, что обе основные физические теории прошлого столетия - теория относительности и теория квантов - зародились и в значительной степени развились на почве оптических исследований. Изобретение лазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в её приложениях в различных отраслях науки и техники.

Размещено на Allbest.ru