Квантовая оптика

1. Квантовая оптика

ProPowerPoint.Ru

2.

Квантовая физика –
раздел учения о свете, в котором изучается
дискретный характер излучения,
распространения и взаимодействия света с
веществом, а также рассматривается
корпускулярно-волновой дуализм.
ProPowerPoint.Ru

3.

Завершение классической физики
• В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие
физики завершилось по следующим причинам:
• 1. Больше 200 лет существуют законы механики, теория
всемирного тяготения.
• 2. Разработана МКТ.
• 3. Подведен прочный фундамент под термодинамику.
• 4. Завершена максвелловская теория электромагнетизма.
• 5. Открыты фундаментальные законы сохранения
(энергии, импульса момента импульса, массы и
электрического заряда).
ProPowerPoint.Ru

4.

Физические проблемы начала XX в.
• В конце XIX -- начале XX в. открыты:
X-лучи (рентгеновские лучи, В. Рентген),
явление радиоактивности (А. Беккерель),
Электрон (Дж. Томсон).
Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.
• Теория относительности А. Эйнштейна потребовала
коренного пересмотра понятии пространства и времени.
• Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы
Дж.Максвелла об электромагнитной природе света. Можно
было предположить, что излучение электромагнитных волн
нагретыми телами обусловлено колебательным движением
электронов. Но это предположение нужно было
подтвердить сопоставлением теоретических и
экспериментальных данных.
ProPowerPoint.Ru

5.

«Ультрафиолетовая катастрофа»
Классическая теория теплового излучения расходилась с
результатами опыта.
Тепловое излучение – электромагнитное излучение,
испускаемое нагретыми телами за счет своей внутренней
энергии.
Абсолютно черное тело – тело, поглощающее всю энергию
падающего на него излучения любой частоты при
произвольной температуре.
Согласно классической физики энергия
теплового излучения черного тела зависит
от температуры и длины волны.
Однако для больших частот
(ультрафиолетовая область спектра)
классическая физика резко расходится с
экспериментом
ProPowerPoint.Ru

6.

Квантовая гипотеза Планка
Выдающийся немецкий физик
Макс Планк в 1900 г. решил
проблему спектрального
распределения света,
излучаемого нагретыми
телами, перед которой
классическая физика оказалась
бессильной.
ProPowerPoint.Ru

7.

Квантовая гипотеза Планка
• Атомы испускают электромагнитную энергию
отдельными порциями — квантами.
• Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна
частоте излучения:
E h
hс
h=6,63.10-34 Дж.с — постоянная Планка.
ProPowerPoint.Ru

8.

Постоянная Планка
• Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка в
электронвольтах.
Тогда h=4,136.10-15 эВ.с.
(1 эВ - энергия, которую приобретает элементарный заряд,
проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В.
1 эВ=1,6.10-19 Дж).
• В атомной физике употребляется также величина
h
2
1,055 10
34
Дж с 6,59 10
16
эВ с
ProPowerPoint.Ru

9.

Фотоны
Эйнштейн, 1905г.
Электромагнитное излучение имеет квантовый характер,
распространяется и поглощается веществом в виде
отдельных частиц электромагнитного поля – фотонов.
Свойства фотона:
• Энергия фотона пропорциональна частоте
электромагнитного излучения E h
• Фотон- электрически нейтральная частица
• Скорость фотона во всех системах отсчета равна скорости
света в вакууме
• Фотон не существует в состоянии покоя m = 0
hс h
m
2
c
c
ProPowerPoint.Ru

10.

Фотоны
Свойства фотона:
• Фотон обладает импульсом
h h
р mc
c
ProPowerPoint.Ru

11.

Слово состоит из двух иностранных слов:
фото и эффект. Как же они переводятся?
Фото - от греческого - свет, а эффект – от
латинского – действую. Дословно –
действие света.
Этапы изучения фотоэффекта:
•Открытие явления – 1887год, немецкий учёный,
Генрих Герц.
•Опытное доказательство – 1888 год, выдающийся
русский физик, А. Г. Столетов.
•Теоретическое подтверждение – 1905 год,
английский учёный, А. Эйнштейн.
ProPowerPoint.Ru

12. Фотоэлектрический эффект

- явление вырывания электронов из металла под действием света
ProPowerPoint.Ru

13.

Столетов
Александр Григорьевич
1839-1896
Выдающийся русский физик
Исследовал свойства ферромагнетиков,
несамостоятельный газовый разряд.
Опытным путем выяснил и
сформулировал законы фотоэффекта.
ProPowerPoint.Ru

14. Зависимость силы фототока от приложенного напряжения

• Фототок насыщения
• Задерживающее напряжение
ProPowerPoint.Ru

15. Законы фотоэффекта

• Количество электронов, вырываемых светом с поверхности
металла за 1с, прямо пропорционально поглощаемой за это
время энергии световой волны.
• Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно
возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности
света.
• Красной границей фотоэффекта называют минимальную
частоту света, ниже которой фотоэффект не наблюдается:
ProPowerPoint.Ru

16. Теория фотоэффекта

1905 г. Эйнштейн – объяснил
законы фотоэффекта
Свет не только излучается, но и
распространяется в пространстве и
поглощается веществом в виде
квантов
m
h A
2
2
уравнение Эйнштейна
За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была
присуждена Нобелевская премия.
ProPowerPoint.Ru

17.

Теория фотоэффекта
mv
h A вых
2
hc
hc
max
2
Работа выхода – минимальная
работа, которую нужно совершить
для выхода электрона из вещества.
eU з
Aв ых
min
h
hc / λ = А вых
Красной границей фотоэффекта
называют минимальную частоту света
или максимальную длину волны, при
которой начинается фотоэффект
ProPowerPoint.Ru

18. Объяснение фотоэффекта

• При увеличении интенсивности монохроматического излучения
растет число поглощенных металлом квантов, а следовательно и
число вылетающих из него электронов, поэтому фототок прямо
пропорционален интенсивности излучения (1 закон).
• Из уравнения Эйнштейна видно, что кинетическая энергия
вылетающих электронов зависит только от рода металла,
состояния его поверхности и частоты (или длины волны)
излучения, то есть величины энергии квантов и не зависит от
интенсивности излучения (2 закон).
• Если величина энергии квантов меньше работы выхода, то при
любой интенсивности излучения электроны вылетать не будут
(3 закон).
ProPowerPoint.Ru

19.

1.
2.
3.
4.
Задачи
Найдите массу и импульс фотонов для
инфракрасных лучей ν=1012 Гц
Под каким напряжением работает рентгеновская
трубка, если самые «жесткие» лучи в
рентгеновском спектре этой трубки имеют частоту
1019Гц ?
Определите красную границу фотоэффекта для
калия. Работа выхода электронов в калии 2,2 эВ.
Какое запирающее напряжение надо подать на
зажимы а и b, чтобы электроны, вырванные
ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 0,1
мкм из вольфрамовой пластины К, не могли
создать ток в цепи?
ProPowerPoint.Ru

20.

5. Длина волны, соответствующая красной границе
фотоэффекта, для натрия составляет 530 нм. Определите
работу выхода электронов из натрия.
6.Определить наибольшую длину волны света, при
которой может проходить фотоэффект, если работа выхода
8,5∙ 10 - 19 Дж.
7. Работа выхода из металла равна 4, 28 эВ. Найти красную
границу фотоэффекта.
8. Наибольшая длина волны света, при которой может
наблюдаться фотоэффект на калии, равна 450 нм. Найти
скорость электронов выбитых из калии светом с длиной
волны 300 нм
ProPowerPoint.Ru

21.

9.
Найти
максимальную
кинетическую
энергию
фотоэлектронов, вылетающих из калия при его освещении
лучами с длиной волны 345 нм. Работа выхода 2,26 эВ.
10. Найти работу выхода для некоторого металла , если
красная граница равна 307 нм.
11. Частота света красной границы некоторого металла 6 ∙10
14 Гц, задерживающее напряжения 2В. Найти частоту
падающего света.
12. На медный шарик падает монохроматический свет с
длиной волны 0,165 мкм. Найти разность потенциалов, если
работа выхода 4,5эВ.
ProPowerPoint.Ru