Взаємодія фотонів з речовиною

1.

1
ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Виконав:
Студент групи
ПМ-19-1
Сміх В.
Взаємодія фотонів з речовиною

2.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
План презентації
1.
Квантова фізика. Квантова оптика
2.
Фотони. Енергія, маса та імпульс фотонів.
3.
Тиск світла.
4.
Взаємодія фотонів із звязаними електронами речовини –
фотоефект.
5.
Розсіяння фотонів на вільних електронах речовини –
ефект Комптона
6.
Теплове випромінювання.
7.
Висновки.
План презентації
2

3.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Квантова фізика. Квантова
оптика
Квантова фізика
Мікрочастки
Вивчає
закономірності (атоми, електрони, протони , фотони
мікросвіту
……всі елементарні частки
Квантовая
оптика
• Тепловое випромінювання
• Зовнішній фотоефект
• Ефект Комптона
• Тиск світла
Квантова фізика. Квантова оптика
Світло –
потік фотонів
3

4.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Фотони
електрон
4
Фотон
E h
Атом
Випромінювання
(електромагнітна хвиля)
Випромінювання – відбувається при переході
атома із збудженого стану в основний стан
Випромінюєтья порція енергії (квант) E h
h = 6,62·10 Дж·с - постійна Планка; ν - частота
-34
h / 2
1,05 10 -34 Дж с
Фотони.Енергія, маса та імпульс фотона
E 2
c

5.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Фотони
Усі фотони у вакуумі завжди рухаються із постійною
швидкістю світла у вакуумі с = 3·108 м/с.
Швидкість електромагнітної хвилі у середовищі з показиком
заломлення n рівна
c / n
Хвильові
та
корпускулярні
характеристики
монохроматичного
електромагнітного випромінювання повязані формулами
h h
p
c
E h hc /
Відповідно до теорії відносності маса кожної частки m залежить від її
швидкості . ЇЇ ще називають релятивіською масою.
Якщо швидкість частинки рівна нулю, то її масу називають масою спокою
і позначають m0.
Наприклад, маса спокою електрона,
m0 e 9,1 10
Фотони.Енергія, маса та імпульс фотона
31
кг
маса спокою протона
m0 p 1,67 10 27 кг
5

6.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Фотони
6
m
Релятивіська маса частки
повязана із її масою спокою
формулою:
m
m0
2
1 / c
2
m0
0
0,5
1.0
υ/с
Особливість фотонів у тому, що їх маса
спокою і енергія спокою рівні нулю
Не рухомих фотонів не буває!!
Релятивіська маса фотона визначається його масою
E mc
2
E h hc /
h
h
m 2
c
c
Взаємодія фотонів з речовиною

7.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Фотони
7
Звязок імпульсу фотона із частотою і довжиною хвилі
h h
p
c
Імпульс фотона повязаний із кінетичною енергією
електромагнітного випромінювання Eк співвідношенням
1
p E k E k 2m0 c 2
c
2
E
p k 2 m0 E k
c
Для класичної (не релятивіської) частки
p 2m0 E k
Повна енергія фотона
Фотони.Енергія, маса та імпульс фотона
E c p 2 2 m 0 c
2

8.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Тиск світла
В XVII столітті Кеплер виявив
вплив сонячного вітру на хвости
комет.
Згідно терорії Максвела для електромагнітної
теорії світла, светловий потік, Падаючи на
поверхню довільного тіла, повинен чинити на
нього тиск.
Російський фізик П.Н.Лебедєв шляхом проведення надзвичайно
точних дослідів зумів виявити і виміряти тиск світла спочатку на
тверді тіла (1899 р), а потім на гази і рідини (1909 р.).
Величина тиску світла p залежить від інтенсивності
пучка світла I, коефіцієнту відбивання R від поверхні і
кута падіння
I
R = 1 - зеркало
2
Крутильні терези
Тиск світла
p (1 R) cos
c
8

9.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Фотоефект
9
Фотоефектом (зовнішнім) називається явище випускання
електронів речовиною (металами) під дією світла.
Внутрішній фотоефект – явище збільшення електропровідності
напівпровідників і діелектриків під дією світла.
Досліди Столєтова (1888–1890)
Речовина втрачає тільки відємні заряди.
Більш ефективну дію чинить ультрафіолетове випромінювання
Олександр Столєтов
1839-1896
me v 2max
eU з
2
Схема фотоефекту
Фотоефект
Анімація досліду
Вольт-амперна характеристик а

10.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Фотоефект
1
0
Закони фотоефекту
1) При фікслваній частоті падаючого світла (v=const) число фотоелектронів, вирваних із катода
за одиницю часу, прямо пропорційне інтенсивності світла (свтлловому потоку) –
закон Столєтова.
2) Максимальна кінетична енергія вирваних світлом електронів (їх максимальна початкова
швидкість) не залежить від інтенсивності падаючого світла (світлового потоку), а визначається
тільки його частотою.
3) Для кожної речовини існує характерна для нього така мінімальна частота світла –
максимальна довжина хвилі (червона межа фотоефекту), нижче якої фотоефект не наступає.
Залежить від природи металу і стану його поверхні.
Червона
межа
фотоефекту
кр min
Фотоефект

11.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Фотоефект
1
1
Рівняння Ейнштейна (1905)
1) Світло не тільки випромінюється, але і поглинається речовиною у вигляді
окремих порцій (квантів енергії).
2) Кванти передають всю свою енергію електронам, причому кожний квант
поглинається тільки одним електроном.
3) Передача енергії при зіткненні відбувається майже миттєво, тому
фотоефект безінерційний.
4) Енергія кванта витрачається на роботу виходу
електрона із металу (подолання притягання іонів)
і кінетичну енергію вибитого електрона.
h Aвых
Uз
e
mv 2max
h Aвых
2
Червона межа фотоефекту
h min
Фотоефект
2
max
mv
Aвых
2
0
min Aвых / h A
вих
max hc / Aвых e
Альберт
Ейнштейн
1879-1955

12.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Ефект Комптона
1
2
Зіткнення квантів світла – фотонів із вільними електронами речовини
приводить до ефекту Комптона (1923 г.)
Артур Комптон
(1892-1962)
=0
=45
=90
=135
(Нобелівська премія з фізики
1927 р. «За відкриття ефекту
зміни довжини хвилі фотону при
розсіянні на електроні»)
Ефект Комптона
’
’
’

13.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Ефект Комптона
1
3
Ефект Комптона пояснюються розсіянням квантів світла на вільних електронах речовини
Закон збереження енергії
2 c
2 c
me c 2
Ee
'
h
'
1 cos
mec
Закон зміни довжини хвилі при ефекті Комптона
Ефект Комптона
Закон збереження імпульсу
k k ' mv
k
2
C
4 10 13 м
me c
Коптонівська довжина
хвилі електрона

14.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Теплове випромінювання
Всі нагріті тіла
випромінють
Світіння тіл зумоленне нагріванням
називається тепловим
(температурним) випромінюванням
Відмінною ознакою теплового випромінювання є його
рівноважний характер
Скільки енергії тіло випромінює,
стільки ж воно і поглинає
Теплове випромінювання
1
4

15.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Теплове випромінювання
Основні характеристики теплового випромінювання
N
E
R
S S t
Вт Дж
R 2 2
м
м с
R – енергетична світність – кількість енергії E, яка випромінюється з
одиниці поверхні тіла у всьому діапазоні довжин хвиль за одиницю часу
у всіх напрямках (інтегральна випромінювальна здатність).
rλ (rω) - випромінювальна здатність тіла (спектральна густина
випромінювальної здатності)
r – енергетична світність у вузькому діапазоні довжин хвиль (частот)
dR
r
d
r
dR
d
Теплове випромінювання
R r d
0
R r d
0
Δλ
1
5

16.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Теплове випромінювання
1
6
Основні характеристики теплового випромінювання
α – поглинальна здатність тіла (безрозмірна величина) – відношення
поглинутої тілом енергії до енергії що падає на тіло
E
Абсолютно черне тело
E’
Тіло називаеться абсолютно черним, якщо воно повністю
поглинає все падаюче на нього випромінювання усіх частот
Модель абсолютно
черного тіла
Теплове випромінювання
E'
E
α=1

17.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Теплове випромінювання
Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла
визначається тільки температурою
Максимальна енергія випромінювання Сонця припадає приблизно на λ = 470 нм
(зелена область спектру), що відповідає температурі зовнішніх шарів зірки Сонця
близько 6200К.
Теплове випромінювання
1
7

18.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Теплове випромінювання
Закон Стефана - Больцмана
Енергетична світність абсолютно чорного тіла пропорційна
четвертій степені його абсолютної температури
R T 4
σ = 5,67·10-8 Вт/(м2·К4) – постійна Стефана - Больцмана
Енергетична світність сірого тіла прямопропорційна четвертій степені
його абсолютної температури і коефіцієнту поглинання
R T 4
Закон Кірхгофа
Відношення випромінювальної і поглинальної здатностей тіла не залежить
від природи тіла і являється універсальною функцією частоти і
температури
r ,T r ,T
... f , T
,T 1 ,T 2
Теплове випромінювання
1
8

19.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Теплове випромінювання
Закон зміщення Віна
Довжина хвилі, на яку припадає максимум спектральної
випромінювальної здатнотсі обернено пропорційна абсолютній
температурі випромінюючого тіла
b = 2,9·10-3 м·К – постійна Віна.
1
9
m T b
1
m b
T
Закон Віна називають законом зміщення, оскільки із цього закону слідує, що
максимум випромінювальної здатнотсі тіла rλ із збільшенням абсолютної
температури зміщуєтья у сторону коротких хвиль
rλ
T2 > T 1
λm
Теплове випромінювання

20.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Теплове випромінювання
2
0
Формула Планка
Класична фізика не змогла пояснити тепловое випромінювання. Із класичних
формул слідує, що розпечена пічка із плином часу повинна віддавати все більше
тепла у навколишній простір і яскравітсть її свічення повинна все більше
зростати.? Що не може бути на практиці.
Співпадіння розрахунків із експериментальними результатами мало місце
тільки в дуже вузькому діапазоні низьких частот. Цей парадокс отримав
назву у фізиці “Ультрафіолетової катастрофи”
Макс Планк ввів поняття дискретності
випромінювання фотонів (квант енергії
випромінювання).
E h
2 c 2 h
1
r 5
hc
exp
1
kT
Теплове випромінювання
Формула
Планка

21.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Теплове випромінювання
Основні властивості теплового випромінювання
•Виникає за рахунок внутрішньої енергії тіла
•Має суцільний спектр енергії
•Інтенсивність теплового випромінювання залежить від
частоти і має максимум на певній частоті
•Із збільшенням температути тіла інтенсивність теслового
виромінювання зростає
•Із ростом температури максимум випромінювання
зміщуєтсья в область коротких хвиль
•Теплове випромінювання є рівноважним
Оптичний тепловізор –
приклад практичної реєстрації
теплового випромінювання
Теплове випромінювання
2
1

22.

ВЗАЄМОДІЯ ФОТОНІВ З
РЕЧОВИНОЮ
Висновки
Фото́н («світло») — квант електромагнітного випромінювання (квант
світла), елементарна частка, яка є носієм електромагнітної взаємодії.
Фотон не має маси спокою і здатен існувати у вакуумі тільки рухаючись зі
швидкістю світла. Фотон немає електричного заряду.
Фотон може взаємодіяти із речовиною (розсіюватися, поглинатися).
Ефект Комптона – це пружнє розсіяння фотонів на вільних електронах
речовини.
Фотоефект – це поглинання фотонів звязаними електронами речовини.
Дякую за
увагу !
2
2