Квантовые свойства света. Фотоэффект, давление света

1.

Квантовые свойства света
Фотоэффект, Давление света
Э.И. Зенькевич
д.ф.-м.н., профессор, Белорусский
национальный технический университет
(Минск)
Visiting Professor, University of Technology
Chemnitz, Institute of Physics
Chemnitz (Germany)
аккредитованный эксперт
научно-технического Совета
Российской корпорации нанотехнологий
РОСНАНО, Москва, Россия
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
1

2.

Содержание лекции
• Внешний фотоэффект, законы Столетова для
фотоэффекта.
• Энергия и импульс световых квантов.
Формула Эйнштейна для внешнего
фотоэффекта.
• Давление света. Опыты Лебедева. Квантовое и
волновое объяснения давления света.
• Эффект Комптона.
• Эксперименты, подтверждающие квантовый
характер излучения.
• Линейчатые спектры излучения атомов.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
2

3.

Квантовая теория излучения
Формула Планка
Итак, энергия осциллятора должна быть целым
кратным
некоторой
единицы
энергии, пропорциональной его частоте (n=1,2,3….)
h =6.625 10-34 Дж с
h/2 = 1.055 10-34 Дж с
n n h
Средняя энергия осциллятора
с собственной частотой имеет вид:
Макс Планк
1858-1947
h
e h / kT 1
Испускательная способность черного тела (спектральная плотность
энергетической светимости):
2
h
r 2 h / kT
c e
1
2
0
2
2
hc
1
0
r
5 ehc / kT 1
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
1918
3

4.

Внешний фотоэффект
Фотоэлектрический эффект
Фотоэффектом
называется
явление
взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого
энергия излучения передается электронам вещества.
1) Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности
вещества, то его называют внешним фотоэффектом или
фотоэлектронной
эмиссией,
а
вылетающие
электроны
фотоэлектронами.
2) Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов
поверхности вещества, то его называют внутренним фотоэффектом.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
с
4

5.

Внешний фотоэффект
Явление фотоэффекта было открыто Генрихом
Герцем в 1887 году в ходе его знаменитых
экспериментов по излучению электромагнитных волн.
Генрих Герц
1857-1894
УФС
Герц
использовал
специальный
разрядник
(вибратор
Герца)
—
разрезанный пополам стержень с
парой металлических шариков на
концах
разреза.
На
стержень
подавалось высокое напряжение, и в
промежутке
между
шариками
проскакивала искра. Герц обнаружил,
что при облучении отрицательно
заряженного шарика ультрафиолетовым светом проскакивание искры
облегчалось.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
5

6.

Опыты Столетова
Столетов
использовал
фотоэлемент собственной
конструкции, позволяющий
наблюдать
внешний
фотоэффект.
А. Г. Столе́тов
1839 - 1896
Катод освещается ультрафиолетовыми лучами УФ через специальное
кварцевое окошко, сделанное в колбе (стекло поглощает ультрафиолет, а
кварц пропускает). Ультрафиолетовое излучение выбивает с катода
электроны e , которые разгоняются напряжением U и летят на анод.
Включённый в цепь миллиамперметр mA регистрирует электрический
ток. Этот ток называется фототоком, а выбитые электроны, его
создающие, называются фотоэлектронами.
В опытах Столетова можно независимо варьировать три величины:
анодное напряжение, интенсивность света и его частоту.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
6

7.

Законы внешнего фотоэффекта
А. Характеристика фотоэлемента – фототок.
- Если напряжение отрицательно и велико по
модулю, то фототок отсутствует.
- Величина задерживающего напряжения
позволяет
определить
максимальную
кинетическую
энергию
фотоэлектронов
(электроны прибывают на анод с нулевой
скоростью).
- При небольшом превышении задерживающего напряжения появляется
слабый фототок.
- Наконец, в данных постоянных условиях фотооблучения при
достаточно больших положительных значениях напряжения ток
достигает своей предельной величины, называемой током насыщения,
и дальше перестаёт возрастать.
- Величина фототока насыщения — это, по существу, количество
электронов, выбиваемых из катода за одну секунду.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
7

8.

Законы внешнего фотоэффекта
Зависимость фототока насыщения
(I1, I2, I3 ) от интенсивности световых
потоков: Ф1 > Ф2 > Ф3.Частота
падающих
световых
потоков
постоянна.
Iнас = kФ
Зависимость фототока насыщения (I1, I2, I3 ) от интенсивности световых
I Закон внешнего фотоэффекта (закон Столетова).
Сила фототока насыщения (т. е. количество электронов,
выбиваемых из катода в единицу времени) пропорциональна
световому потоку (при неизменной его частоте), падающему на
металл.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
8

9.

Законы внешнего фотоэффекта
(mV2/2) Uзад
УФС
Величина
задерживающего
напряжения
позволяет
определить
максимальную
кинетическую
энергию
фотоэлектронов
(электроны прибывают на анод с нулевой
скоростью).
Энергия,
приобретаемая
электроном, не зависит ни
от природы освещаемого
вещества,
ни
от
его
температуры.
II закон фотоэффекта (закон Эйнштейна - Ленарда)
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
линейно возрастает с частотой света и не зависит от
его интенсивности.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
9

10.

Законы внешнего фотоэффекта
Ek max ~ hv
Если последовательно облучать катод
различными монохроматическими электромагниными
излучениями,
можно
обнаружить, что с увеличением длины
волны
энергия
фотоэлектронов
уменьшается и при некотором значении
длины волны 0 внешний фотоэффект
прекращается.
III закон внешнего фотоэффекта (Закон красной границы)
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта —
наименьшая частота света 0, при которой фотоэффект ещё возможен.
При 0 фотоэффект не наблюдается ни при какой интенсивности
света.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
10

11.

Трудности объяснения фотоэффекта с точки
зрения классической электродинамики и
волновых представлений о свете
Известно, что для вырывания электрона из вещества требуется
сообщить ему некоторую энергию А, называемую работой
выхода электрона. В случае свободного электрона в металле это
работа
по
преодолению
поля
положительных
ионов
кристаллической решётки, удерживающего электрон на границе
металла. В случае электрона, находящегося в атоме, работа
выхода есть работа по разрыву связи электрона с ядром.
В переменном электрическом поле световой волны электрон
начинает совершать колебания. И если энергия колебаний
превысит работу выхода, то электрон будет вырван из
вещества.
Чем больше интенсивность света, тем больше электронов
вырывается
с
поверхности
металла.
Первый
закон
фотоэффекта объясним в рамках классической физики.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
11

12.

Но !?
Однако в рамках классических представлений невозможно понять
второй и третий законы фотоэффекта.
- Почему кинетическая энергия выбитых электронов не зависит от
интенсивности излучения? Ведь чем больше интенсивность, тем
больше напряжённость электрического поля в электромагнитной
волне, тем больше сила, действующая на электрон, тем больше
энергия его колебаний и с тем большей кинетической энергией
электрон вылетит из катода. Но эксперимент показывает иное.
- Откуда берётся красная граница фотоэффекта? В рамках
классической физики, с ростом интенсивности света растёт и сила,
действующая на электроны; поэтому даже при низкой частоте света
электрон рано или поздно будет вырван из вещества — когда
интенсивность достигнет достаточно большого значения. Однако
красная граница ставит жёсткий запрет на вылет электронов при
низких частотах падающего излучения.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
12

13.

Но !?
Кроме того, не ясна безынерционность фотоэффекта. Именно,
при освещении катода излучением сколь угодно слабой
интенсивности (с частотой выше красной границы) фотоэффект
начинается мгновенно — в момент включения освещения. В
рамках классических представлений, электронам требуется
некоторое время для «расшатывания» связей, удерживающих их в
веществе, и это время «раскачки» должно быть тем больше, чем
слабее падающий свет. Пример: чем слабее мы толкаем качели,
тем дольше придётся их раскачивать до заданной амплитуды.
Таким образом, на рубеже XIX и XX столетий в физике возникла
тупиковая ситуация: классическая электродинамика Максвелла,
предсказавшая
существование
электромагнитных
волн
и
великолепно работающая в диапазоне радиоволн, оказалась не в
состоянии объяснять закономерности фотоэффекта.
Успешность гипотезы Планка (о дискретном характере энергии
осцилляторов) при объяснении законов теплового излучения
показывала, что законы классической физики неприменимы к малым
частицам вроде атомов или электронов, а также к явлениям
взаимодействия света и вещества.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
13

14.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Гипотеза Планка предполагала дискретность излучения и
поглощения электромагнитных волн, то есть о прерывистом
характере взаимодействия света с веществом. При этом Планк
считал, что распространение света — это непрерывный процесс,
происходящий в полном соответствии с законами классической
электродинамики.
Планк рассматривал свою гипотезу лишь как математический трюк
и не решился опровергнуть электродинамику применительно к
микромиру.
Физической реальностью кванты стали благодаря
Эйнштейну:
Эйнштейн предположил, что свет в принципе
обладает прерывистой структурой: не только
излучение
и
поглощение,
но
также
и
распространение света происходит отдельными
порциями — квантами, обладающими энергией:
Е = h
Альберт Эйнштейн
1979-1955
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
14

15.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Эйнштейн предположил, что свет в принципе обладает
прерывистой структурой: не только излучение и поглощение, но
также и распространение света происходит отдельными
порциями — квантами, обладающими энергией
Е = h
На
основе
квантовых
представлений
Эйнштейн
объяснил
фотоэффект на основе закона сохранения энергии. Электрон внутри
металла после поглощения одного кванта получает порцию энергии и
стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е.
покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной
энергии от кванта расходуется на совершение работы по
преодолению сил, удерживающих электрон внутри вещества (работа
выхода Авых), а статок энергии кванта переходит в кинетическую
энергию вырванного электрона:
1921
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
15

16.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Относительно простое и физически ясное уравнение Эйнштейна
содержит в себе все законы фотоэффекта.
1. Сила фототока насыщения пропорциональна световому потоку. Число
выбиваемых
электронов
пропорционально
числу
поглощённых квантов. С увеличением интенсивности света
количество квантов, падающих на катод за секунду, возрастает.
Отсюда пропорционально возрастает число поглощённых квантов
и, соответственно, число выбитых за секунду электронов.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно
возрастает с частотой света. - Кинетическая энергия фотоэлектрона
равна (mV2/2) = h - Aвых, т.е. линейно растёт с частотой и не зависит
от интенсивности света.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта —
наименьшая частота света 0, при которой фотоэффект ещё
возможен. - Для того, чтобы начался фотоэффект, энергия кванта
должно равняться работе выхода h 0 = Aвых. т.е. красная граница
фотоэффекта пределяется только работой выхода и. зависит лишь
от вещества облучаемой поверхности катода.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
16

17.

Применения фотоэффекта
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
17

18.

Применения фотоэффекта
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
18

19.

Гипотеза о световых квантах (фотонах)
Энергия не непрерывна, как полагали на
протяжении
столетий,
а
квантуется,
т.е.
существует
лишь
в
строго
определенных
дискретных порциях. Наименьшая порция h
называется квантом энергии.
Согласно теории Эйнштейна (1905 г.), свет с
частотой не только испускается, как это
предполагал Планк, но и распространяется и
поглощается веществом отдельными порциями
(квантами), энергия которых
Е0 = h .
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
19

20.

Гипотеза о световых квантах (фотонах)
Распространение света нужно рассматривать не как
непрерывный волновой процесс, а как поток
локализованных
в
пространстве
дискретных
световых квантов, движущихся со скоростью
распространения
света
в
вакууме
(c
=
3·108 м/с). Квант электромагнитного излучения
получил название фотон
Фотон обладает инертной массой, которую можно
найти из соотношения Е = mc2 = h /c2 и
импульсом p = mc = h /c, совпадающим с
направлением распространения волны.
Фотон – частица, не обладающая массой покоя.
Она может существовать, только двигаясь со
скоростью света c.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
20

21.

Давление света
Основной постулат корпускулярной теории электромагнитного
излучения звучит так: электромагнитное излучение (и в частности
свет) – это поток частиц, называемых фотонами.
Фотон – частица, не обладающая массой покоя, но имеющая импульс
p = mc = h /c = h/
Формула
связывает
корпускулярную
характеристику
электромагнитного
излучения,
энергию
фотона,
с волновыми характеристиками – частотой и длиной волны. Фотон,
и электромагнитная волна – это две модели одного и того же
реально существующего объекта – электромагнитного излучения.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
21

22.

Давление света (корпускулярная теория)
На площадку площадью S падает
световой поток с энергией E = N/h , где
N– число падающих квантов
Импульс фотона p = mc = h /c = h/
Полное отражение
=1
Каждый отраженный фотон передает
площадке импульс: p = 2h /c
Полное поглощение
Каждый
поглощенный
фотон
передает площадке импульс: p = h /c
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
=0
22

23.

Давление света (корпускулярная теория)
Давление
P = F/S
В единицу времени все N квантов
сообщают площадке импульс p:
Т.к. фотон обладает импульсом, то
импульс, переданный телу за одну
секунду, есть сила давления –
сила,
отнесенная
к
единице
поверхности
Интенсивность
излучения
Давление света:
1. Световое давление на абсолютно черное
тело в два раза меньше, чем на зеркальное.
w – энергия фотонов в
единице объема, т.е.
плотность энергии
2. Формула точно совпадает с выражением
для давления, создаваемого эл/м волной (в
рамках классической теории Максвелла)
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
23

24.

Давление света (волновое рассмотрение)
Из корпускулярной теории следует, что световое излучение оказывает
давление на материальные предметы, причем величина давления
пропорциональна интенсивности излучения.
FA
Проводник
I
1. Электрический вектор Е волны вызывает ток
в проводнике в направлении этого вектора.
2. Магнитное поле световой волны действует на возникший ток по закону
Ампера так, что направление силы Ампера совпадает с направлением
распространения света.
Пондеромоторное взаимодействие и отражающим/поглощающим телом
приводит к возникновению давления на тело.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
24

25.

Давление света: Опыты Лебедева
Давление света открыто русским ученым П.Н. Лебедевым
в 1900 г. Он установил, что давление света зависит от
интенсивности света и от отражающей способности
тела. В опытах была использованы крутильные весы,
имеющие черные и зеркальные лепестки, помещенные в
вакуумированную колбу
p = 2h /c
П. Н. Лебедев
1866 - 1912
Свет падает на конструкцию, основными элементами
которой являются легкие лепестки Одна сторона
каждого лепестка зачернена, а другая является
зеркалльной. Конструкция подвешена на нити и
помещена в вакуумированный стеклянный сосуд. Свет
оказывает различное давление на зачерненную и
зеркальную поверхности лепестков. В результате
момент сил, действующих на конструкцию, не равен
нулю.
При
этом
она
поворачивается.
Нить
закручивается и в ней возникают упругие силы,
p = h /c
которые противодействуют силам светового давления.
Когда конструкция, отклонившись от начального
положения, придет в состояние покоя, момент упругих
сил будет равен моменту сил светового давления.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
25

26.

Давление света: Опыты Лебедева
Так как момент упругих сил прямо
пропорционален
углу
поворота
конструкции, то по углу поворота можно
определить
значение
светового
давления. Энергия падающего света
измерялась при помощи термоэлемента
Как показали измерения, световое давление
прямо
пропорционально
энергии
света,
падающего за единицу времени на единицу
площади
освещаемой
поверхности.
Измеренное Лебедевым значение светового
давления в пределах ошибок измерений
(р~4.10-6
Па)
совпало
со
значением,
вычисленным Максвеллом. Таким образом,
Лебедев
экспериментально
доказал
существование предсказанного Максвеллом
давления света.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
26

27.

Давление света: Примеры
Одним из следствий давления солнечного света является то, что
кометы, пролетающие вблизи Солнца, имеют «хвосты»,
отклоняющиеся от Солнца.
Первая гипотеза о существовании светового давления была
высказана И. Кепплером в XVII веке для объяснения поведения
хвостов комет при пролёте их вблизи Солнца.
Коме́та - небольшое небесное тело, обращающееся вокруг Солнца по
весьма вытянутой орбите в виде конического сечения. При
приближении к Солнцу комета образует кому и иногда хвост из газа
и пыли. Представляет из себя тело, состоящее из спрессованного
льда, камня и металла.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
27

28.

Эффект Комптона
Природа рентгеновских лучей
Рентгеновские лучи — это разновидность
электромагнитных волн, к числу которых
относятся также световые лучи, гамма-лучи
радия
и
лучи,
испускаемые
радиоантеннами. Волны от 15А до 0.03А
характерны
для
рентгеновых
лучей.
Рентгеновские
лучи
испускаются
при
участии электронов (либо связанных в атомах,
либо свободных)
1901
Вильге́льм Рё́ нтген
1845 - 1923
Первый в истории
лауреат Ноб. Премии
по физике
Увеличение напряжения на рентгеновской
трубке приводит к тому, что на фоне
сплошного спектра тормозного излучения
появляется
линейчатый,
который
соответствует характеристическому Reизлучению.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
28

29.

Природа рентгеновских лучей и их основные свойства
Ускоренные большим напряжением электроны проникают в глубь атома
и выбивают из его внутренних слоев электроны. На свободные места
переходят электроны с верхних уровней, в результате чего
высвечиваются фотоны характеристического излучения.
h 1
Поскольку
электроны
оболочек
имеют
h 1
h 1
е
дискретные значения энергии, возникающие
рентгеновские
фотоны
тоже
обладают
дискретным спектром. Этому соответствуют
острые пики для определенных длин волн,
конкретные значения которых зависят от
элемента-мишени.
Все
возможные
излучательные квантовые переходы атома из
начального К-состояния образуют наиболее
жёсткую (коротковолновую) К-серию. Аналогично
образуются L-, М-, N-серии
Так как энергии E1 начального и E2 конечного
состояний атома квантованы, возникает линия
рентгеновского спектра с частотой = (E1 — E2)/h
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
29

30.

Основные свойства рентгеновских лучей
Законы распространения рентгеновых лучей подобны законам
распространения света.
Так как длина волны рентгеновых лучей мала, а энергия квантов
велика, то они обладают еще другими свойствами:
1) проникают через среды различной плотности — картон, дерево,
ткани организма животного и т. д. Проникающая способность
рентгеновых лучей тем больше, чем короче длина волны
(Рентгеноскопия).
2) вызывают свечение — люминесценцию некоторых химических
соединений.
3) подобно видимому свету, вызывают вызывают фотохимические
реакции;
4)
вызывают ионизацию нейтральных атомов и молекул. В
результате ионизации образуются положительно и отрицательно
заряженные
частицы
—
ионы.
Ионизированная
среда
становится
проводником
электрического тока. Это свойство
используют для измерения интенсивности лучей с помощью так
называемой ионизационной камеры.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
30

31.

Эффект Комптона – рассеяние рентгеновских лучей
Согласно
волновой
теории,
механизм
рассеяния
состоит
«в
раскачивании» электронов электромагнитным полем падающей волны.
Поэтому, в рамках классической теории частота рассеянного излучения
должна совпадать с частотой падающего излучения.
В 1922—1923 гг. А. Комптон, воспользовавшись рентгеновским
спектрографом, тщательно изучил это явление и обнаружил:
1.В рассеянном излучении присутствуют как
первоначальная
длина
волны
возбуждающего излучения, так и длина
волны, смещенная в сторону длинных волн.
2.Величина смещения зависит от угла
рассеяния, а именно, она возрастает при
увеличении этого угла.
3.При
увеличении
угла
рассеяния
интенсивность несмещенной линии падает, а
интенсивность
смещенной
линии
возрастает.
4.Величина смещения не зависит от
природы вещества-рассеивателя.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
31

32.

Эффект Комптона – рассеяние рентгеновских лучей
А́ртур Ко́мптон
1892 – 1962
1927
Наблюдаемые закономерности справедливы для не очень жестких
лучей и для веществ с малым атомным весом (водород, бор,
алюминий).
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
32

33.

Элементарная теория эффекта Комптона
Все особенности эффекта Комптона объясняются в рамках
корпускулярной теории
как процесс столкновения ренгеновских
фотонов с атомами вещества. В легких атомах связь внешних
электронов с ядром слаба, и под действием рентгеновских лучей
электроны легко отделяются от атома. Поэтому можно рассматривать
рассеяние Re-лучей свободными электронами по закону упругого удара,
при котором энергия и импульс сталкивающихся частиц сохраняются.
До столкновения
VЭЛЕКТР с
Налетающий
фотон
В результате столкновения
покоящийся электрон приобретает кинетическую энергию и импульс, а фотон
изменяет
направление
и
уменьшает
энергию
(т.е.
уменьшается его частота, т.е.
увеличивается длина волны).
Поскольку при столкновении с фотоном скорость электрона может
быть значительной, необходимо учесть релятивистские эффекты.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
33

34.

Элементарная теория эффекта Комптона
1. Кинетическая энергия электрона равна разности его энергии после и
до рассеяния:
2. Закон сохранения энергии для фотона и электрона записывается в
виде:
3. Закон сохранения импульса записывается в виде (с использованием
теоремы косинусов):
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
34

35.

Элементарная теория эффекта Комптона
4. После математических
преобразований:
5. Переходим к длинам волн:
6. Получаем окончательные теоретические результаты, совпадающие с
экспериментом:
Комптоновская длина волны
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
35

36.

Элементарная теория эффекта Комптона
В рассеянном излучении наряду со смещенной
линией наблюдается и несмещенная. Из
теории, изложенной выше, это не вытекает.
При рассмотрении механизма рассеяния
предполагалось, что фотон «соударяется» со
свободным электроном, что для легких атомов
и для периферических, слабо связанных
электронов вполне оправдано (т.к. как энергия
связи электрона ничтожно мала по сравнению
с энергией фотона рентгеновских лучей).
Однако внутренние электроны (особенно в
тяжелых атомах), связаны настолько прочно,
что их уже нельзя рассматривать как
свободные.
Поэтому при «соударении» фотон обменивается энергией и импульсом
с атомом в целом. Так как масса последнего очень велика, то, по закону
сохранения количества движения, фотон не передает ему своей энергии
и количества движения; следовательно, hv при рассеянии не
изменяется.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
36

37.

Эксперименты, подтверждающие квантовый характер излучения:
Линейчатые спектры излучения атомов
Светящиеся газы характеризуются линейчатыми спектрами излучения,
которые состоят из отдельных линий.
Если свет пропускать через газ, то
появляются линейчатые спектры
поглощения,
при
этом
атом
поглощает
спектральные
линии,
которые сам способен испускать.
Спектр
излучения
атомов
принципиально отличен по виду. Он
состоит из четко обозначенных
линий. Спектры атомов называют
линейчатыми.
Для каждого элемента есть определенный испускаемый только им
линейчатый спектр. При этом вид спектра излучения не зависит от
способа, которым возбужден атом. По такому спектру определяют
принадлежность спектра элементу.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
37

38.

Эксперименты, подтверждающие квантовый характер излучения:
Линейчатые спектры излучения атомов
Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения
атомов. Прежде всего, в экспериментах было замечено, что линии в
спектрах расположены не беспорядочно, а сериями. Расстояние между
линиями в серии закономерно уменьшается по мере перехода от
длинных волн к коротким.
Первым
изучался
Швейцарский физик
установил, что длины
спектра водорода
формулой:
спектр
атома
водорода.
Й. Бальмер в 1885 году
волн серии в видимой части
могут быть представлены
Иоганн Бальмер
1825 - 1898
где 0 = const, n = 3, 4, 5,…
1
n 2
1
1
R 2 2
n
2
mee4
R 2 3 1,097 107 м 1
8 0 h c
Постоянная Ридберга
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
38

39.

Эксперименты, подтверждающие квантовый характер излучения:
Линейчатые спектры излучения атомов
Дальнейшие исследования показали, что в спектре излучения атома
водорода можно выделить следующие спектральные серии:
Серия Лаймана (ультрафиолетовая
область спектра)
1 1
R 2 2
n1
1 n
1
1
1
1
R 2 2
n
2
n = 2,3,4,…
Серия Бальмера (видимая область
спектра)
n 2
Серия
Пашена
область спектра)
1 1
R 2 2
n3
3 n
n = 4,5 6,…
1
1
R 2 2
n
4
n = 5 6,7,…
(инфракрасная
Серия
Бреккета
(далекая
инфракрасная область спектра)
1
1
n 4
n = 3,4,5,…
Атом – сложная система, имеющая сложные атомные спектры
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
39

40.

Итоги: рассмотренные вопросы
• Внешний фотоэффект, законы
Столетова для фотоэффекта.
• Энергия и импульс световых
квантов. Формула Эйнштейна для
внешнего фотоэффекта.
• Давление света. Опыты Лебедева.
Квантовое и волновое
объяснения давления света.
• Эффект Комптона.
• Эксперименты, подтверждающие
квантовый характер излучения.
• Линейчатые спектры излучения
атомов.
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
40

41. Рекомендуемая литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука,
1977-1989. т.1-3.
2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Учебное
пособие для втузов. – М.: Высш. Школа. 1989 г. и
последующие выпуски. т.1-3.
3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш. Школа.
1985-1990 г.
4. Э.И. Зенькевич, Г.Ф. Смирнова, М.С. СергееваНекрасова. Механика и Электромагнетизм. Алгоритмы решения задач (Учебно-методическое
пособие). Минск, БГУИР, 2015, 160 с.
5. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Сборник задач по
общему курсу физики. М.: Высш. Школа. 1985 г. и
последующие выпуски.
6. Дополнительная
литература
по
соответствующим разделам (ЭУМК)– в библиотеке БНТУ
и на ПК в компьютерном зале (а. 416, корпус 11а).
7. Репозиторий БНТУ: [email protected]
Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
41

42.

Тема Лекции:
ФОТОЭФФЕКТ_27/04/2020
42