Фотоны. Энергия и импульс фотона
Фотон (обозначение — $γ$) — элементарная частица, квант электромагнитного поля.
Развивая идею Планка об излучении электромагнитных волн квантами, А.Эйнштейн ввел гипотезу, согласно которой электромагнитное излучение само состоит из таких квантов, позднее названных фотонами.
Это свойство света было названо корпускулярным.
Масса покоя фотона равна нулю, следовательно, согласно СТО скорость его равна скорости света $с$, а энергия:
$E=hν={hc}/{λ}=pc$
Из $E=hν={hc}/{λ}=pc$ находим выражение для импульса:
$p={E}/{c}={hν}/{c}={h}/{λ}$
Импульс фотона направлен по световому лучу. Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света.
Фотоэффект
Фотоэффект — испускание электронов веществом при поглощении им квантов электромагнитного излучения (фотонов).
Фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, который установил, что длина искры в разряднике увеличивается при попадании на его металлические электроды света от искры второго разрядника. Первые исследования фотоэффекта были выполнены русским ученым А. Г. Столетовым (1888 г.). Ф. Ленард и Дж. Томсон (1889 г.) доказали, что при фотоэффекте испускаются электроны.
Опыты Столетова. Законы фооэффекта
Схема опытов и прибор Столетова по наблюдению фотоэффекта представлены на рисунке. Здесь $С$ — два металлических диска, установленных параллельно друг другу (один — латунная или железная металлическая сетка, второй диск — сплошной). Диски соединены между собой проволокой, в которую введены гальваническая батарея $В$ и чувствительный гальванометр с большим сопротивлением ($5212$ Ом), $А$ — источник света (лампа с вольтовой дугой). Таким образом, две металлические пластины представляют собой конденсатор, причем металлическая сетка является положительной обкладкой конденсатора. Свет от дуги $А$ через сетку попадает на отрицательно заряженную сплошную металлическую пластину. Из опытов Столетова следовало, что фототок через гальванометр сильнее всего растет при освещении ультрафиолетовыми лучами, сила фототока пропорциональна интенсивности освещения, и под действием света освобождаются только отрицательные заряды.
При изучении фотоэффекта строят зависимость тока $I$ от напряжения $U$, подаваемого к электродам, один из которых (исследуемый фотокатод) освещается светом. Из полученной зависимости $I(U)$ следует, что при $U=0$ ток не равен нулю, а для того, чтобы ток стал равным нулю, необходимо подать некоторое напряжение обратной полярности (к освещенному электроду «+», к неосвещенному — «—»), которое называется задерживающим напряжением $U_з$ и определяется максимальной кинетической энергией вылетающих электронов: ${mυ^2}/{2}=eU_з$.
В процессе исследования фотоэффекта были установлены следующие закономерности.
- Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за $1$ с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
- Скорость электронов, вылетающих из тела при фотоэффекте, определяется его частотой $ν$ и не зависит от интенсивности.
- Для каждого вещества существует предельная наименьшая частота света $ν_{min}$ (красная граница фотоэффекта), при которой возможен фотоэффект. Излучение с частотой $ν < ν_{min}$ не вызывает явления фотоэффекта.
Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить в рамках классической электромагнитной теории. Они имеют квантовый характер.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идею Планка о прерывистом испускании света. Согласно Эйнштейну, из явления фотоэффекта следует, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии $E=hν$ сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком. Эта порция называется фотоном.
Если фотон передает электрону энергию $hν$, большую или равную величине работы $А$ по удалению электрона с поверхности металла, то электрон покидает поверхность этого металла. Разность между $hν$ и $А$ приведет к возникновению кинетической энергии электрона. Из закона сохранения энергии следует:
$hν=A+{mυ^2}/{2}$
Эта формула называется уравнением Эйнштейна. Оно описывает все законы фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следует, что кинетическая энергия электрона линейно зависит от частоты $ν$ и не зависит от интенсивности излучения. Поскольку общее число электронов $n$, покидающих поверхность металла, пропорционально числу падающих фотонов, то величина $n$ пропорциональна интенсивности падающего излучения.
Красную границу фотоэффекта можно получить из ($hν=A+{mυ^2}/{2}$), если скорость электрона, покидающего металл, приравнять к нулю:
$ν_{min}={A}/{h}$
то есть красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода $А$. Учитывая, что $λ_{min}={c}/{ν_{min}}$, получим значение предельной длины волны:
$λ_{min}={ch}/{A}$
При длинах волн, больших $γ_{min}$, т. е. расположенных ближе к красным волнам, фотоэффект не наблюдается. Отсюда и название предельной длины волны $λ_{min}$ — красная граница фотоэффекта.
Корпускулярно-волновой дуализм. Волны де Бройля
Корпускулярно-волновой дуализм (от лат. dualis — двойственный) — важнейшее универсальное свойство природы, заключающееся в том, что всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные, и волновые характеристики.
Так, например, электрон, нейтрон, фотон в одних условиях проявляют себя как частицы, движущиеся по классическим траекториям и обладающие определенной энергией и импульсом, а в других — обнаруживают свою волновую природу, характерную для явлений интерференции и дифракции частиц.
Впервые корпускулярно-волновой дуализм был установлен для света. Распространение света в виде потока фотонов и квантовый характер взаимодействия света с веществом подтверждены в многочисленных экспериментах. Однако целый ряд оптических явлений (поляризация, интерференция, дифракция) неопровержимо свидетельствуют о волновых свойствах света.
Классическая физика всегда четко разграничивала объекты, имеющие волновую природу (например, свет и звук), и объекты, имеющие дискретную корпускулярную структуру (например, системы материальных точек). Одно из наиболее значительных достижений современной физики — убеждение в ошибочности противопоставления волновых и квантовых свойств света. Рассматривая свет как поток фотонов, а фотоны — как кванты электромагнитного излучения, обладающие одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами, современная физика смогла объединить, казалось бы, непримиримые теории — волновую и корпускулярную. В результате возникло представление о корпускулярно-волновом дуализме, лежащее в основе современной физики (корпускулярно-волновой дуализм является первичным принципом квантовой механики и квантовой теории поля).
Квант света — не волна и не корпускула в понимании Ньютона. Фотоны — особые микрочастицы, энергия и импульс которых (в отличие от обычных материальных точек) выражаются через материальные характеристики — частоту и длину волны.
В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем без исключения видам материи — электронам, протонам, атомам, причем количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и установленные ранее для фотонов. То есть, если частица имеет энергию $Е$ и импульс, абсолютное значение которого равно $p$, то с этой частицей связана волна частотой $ν={E}/{h}$ и длиной
$λ={h}/{p}$
где $h$ — постоянная Планка.
Это знаменитая формула де Бройля — одна из основных в физике микромира.
Следует отметить, что длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса частицы $m$ и ее скорость $υ$: для частиц с $υ << c$ выполняется $λ={h}/{mυ}$. Так, частице массой $1$ г, движущейся со скоростью $1$ м/с, соответствует волна де Бройля длиной $λ≈10^{-18}$ А, настолько малой, что это недоступно наблюдению. Поэтому волновые свойства несущественны в механике макроскопических тел, что полностью согласуется с принципом соответствия.
Канал видеоролика: Абитуриенты МФТИ
Смотреть видео:
СМОТРЕТЬ ВИДЕОРОЛИК:
youtu.be/1aOJFJO0qGk
#физика #егэфизика #огэфизика #термодинамика #квантовая_физика #фтф #мифи #мфти #физтех
Свежая информация для ЕГЭ и ОГЭ по Физике (листай):
С этим видео ученики смотрят следующие ролики:
Подготовка к ЕГЭ. Физика. Занятие 1. Особенности сдачи ЕГЭ по физике. Демо вариант, кодификатор
Абитуриенты МФТИ
Подготовка к ЕГЭ. Физика. Занятие 2. Особенности решения и оформления качественной задачи
Абитуриенты МФТИ
Подготовка к ЕГЭ. Физика. Занятие 8. Интерференция. Дифракция. Дифракционная решетка
Абитуриенты МФТИ
Подготовка к ЕГЭ. Физика. Занятие 3. Особенности решения и оформления задач по механике. Часть 1
Абитуриенты МФТИ
Облегчи жизнь другим ученикам — поделись! (плюс тебе в карму):
15.06.2019
- Комментарии
RSS
Написать комментарий
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Ваше имя:
Загрузка…
Видеоурок: Давление света. Масса и импульс фотона
Лекция: Давление света. Давление света на полностью отражающую поверхность и на полностью поглощающую поверхность
Так как свет имеет корпускулярные свойства, то, как и все атомы любого вещества, он оказывает давление на действующую поверхность. Данное предположение было подтверждено П.Н. Лебедевым, а Максвелл вывел формулу, позволяющую определить, какое давление оказывают фотоны света.
Итак, вывести формулу достаточно просто. Предположим, что некоторая поверхность освещается светом, который падает перпендикулярно. Свет имеет определенную длину волны и частоту.
За некоторое время на ограниченную освещенную поверхность падает некоторое число фотонов.
Как мы знаем, во время попадания света на некоторую поверхность, он частично поглощается и частично отражается. Во время поглощения фотоны отдают свою энергию.
r — коэффициент отражения, который меньше единицы.
В результате многочисленных преобразований можно получить, что давление света определяется по следующей формуле:
n — концентрация фотонов.
Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.
Давление света в физике — формулы и определение с примерами
Давление света:
Давление света с точки зрения квантовой теории
С точки зрения квантовой теории давление света создается ударами фотонов о поверхность тела. Пусть за 1 секунду N частиц света падает перпендикулярно на поверхность площадью 1 м2 . Часть из них поглощается поверхностью тела и передает этой поверхности свой импульс, равный:
Отраженные от поверхности фотоны передают импульс вдвое больший:
Давление света на поверхность будет равным импульсу, который передают за 1 с все N фотонов, падающих на 1 м2 поверхности тела. Если 
− коэффициент отражения света от произвольной поверхности, то 
− это число отраженных фотонов, а 
− число поглощенных фотонов. Следовательно, давление света, созданное всеми частицами, будет равным:
Поскольку N – это число частиц света, перпендикулярно падающих на поверхность площадью 1 м2 за 1 секунду, то:
Таким образом, давление света равно: 
- Заказать решение задач по физике
Опыт Лебедева
Давление света на твердые тела впервые было измерено русским физиком П.Н. Лебедевым в 1900 г., давление света на газы в 1907−1910 гг.
Лебедевым были созданы чувствительные крутильные весы, подвижной частью которых являлась подвешенная на тонкой нити легкая рамка с укрепленными на ней крылышками из металлической фольги. Они представляли собой светлые и черные диски диаметром 5 мм и толщиной до 0,01 мм. Из сосуда, внутри которого подвешена рамка на легкой стеклянной нити, был откачан воздух. Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление, в результате на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса (рис. 217). По углу закручивания нити Лебедев рассчитал давление света. Экспериментальные и теоретические расчеты дали одинаковые результаты.
- Химическое действие света
- Корпускулярно-волновая природа света
- Фотоэффект в физике и его применение
- Оптические явления в природе по физике
- Фотоны в физике
- Зеркала и изображение в плоском зеркале
- Световой луч и световой пучок
- Разложение белого света на цвета и образование цветов
Ниже размещены условия задач и отсканированные решения. Если вам нужно решить задачу на эту тему, вы можете найти здесь похожее условие и решить свою по аналогии. Загрузка страницы может занять некоторое время в связи с большим количеством рисунков. Если Вам понадобится решение задач или онлайн помощь по физике- обращайтесь, будем рады помочь.
Физическое явление — давление света на поверхность — можно рассматривать с двух позиций — корпускулярной и волновой теорий света. Согласно корпускулярной(квантовой) теории света, фотон является частицей и имеет импульс, который при попадании фотона на поверхность полностью или частично передается поверхности. Согласно волновой теории, свет является электромагнитной волной, которая при прохождении через материал оказывает действие на заряженные частицы(сила Лоренца), чем и объясняется давление света в этой теории.
Свет длиной волны 620 нм падает нормально на зачерненную поверхность и оказывает давление 0,1 мкПа. Какое количество фотонов падает на поверхность площадью 5 см2 за время 10с?
Свет падает нормально на зеркальную поверхность и оказывает на нее давление 40 мкПа. Какова энергетическая освещенность поверхности?
Свет длиной волны 600 нм падает нормально на зеркальную поверхность и оказывает давление 4 мкПа. Какое количество фотонов попадает на поверхность площадью 1 мм2 за время 10с?
Свет с длиной волны 590 нм падает на зеркальную поверхность под углом 60 градусов. Плотность светового потока 1 кВт/м2. Определить давление света на поверхность.
Источник находится на расстоянии 10 см от поверхности. Давление света на поверхности равно 1 мПа. Найти мощность источника.
Световой поток мощностью 0,8 Вт падает нормально на зеркальную поверхность площадью 6 см2. Найти давление и силу давления света.
Световой поток мощностью 0,9 Вт падает нормально на зеркальную поверхность. Найти силу давления света на эту поверхность.
Свет падает нормально на поверхность с коэффициентом отражения 0,8. Давление света, оказываемое на эту поверхность, равно 5,4 мкПа. Какую энергию принесут падающие на поверхность площадью 1 м2 фотоны за время 1с?
Найти давление света, оказываемое на зачерненную поверхность колбы лампы накаливания изнутри. Колбу считать сферой радиуса 10см, спираль лампы принять точечным источником света мощностью 1 кВт.
Световой поток мощностью 120 Вт/м2 падает нормально на поверхность и оказывает давление 0,5 мкПа. Найти коэффициент отражения поверхности.
Световой падает нормально на идеально отражающую поверхность площади 5 см2.За время 3 мин энергия упавшего света 9 Дж. Найти давление света.
На зеркальную поверхность площадью 4,5 см2 падает свет. Энергетическая освещенность поверхности 20 Вт/см2. Какой импульс передадут фотоны поверхности за время 5с?
Свет падает нормально на зачерненную поверхность и за время 10 мин приносит энергию 20 Дж. Площадь поверхности 3 см2. Найти энергетическую освещенность поверхности и давление света.
Свет с мощностью потока 0,1 Вт/см2 падает на зеркальную поверхность под углом падения 30 градусов. Определить давление света на поверхность.
Также предлагаем вам посмотреть видеоурок по данной теме: