Главная Обратная связь

Дисциплины:






Волновые и квантовые свойства электромагнитного излучения



БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДРАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Волновые и квантовые свойства электромагнитного излучения »

Студента группы ЭСБ 303341

Емельянчика П.Н.

МИНСК, 2015

Волновые и квантовые свойства электромагнитного излучения.

В 1887 г. один из основоположников электродинамики Г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта, который заключается в том, что с поверхности металлической пластины под действием света вырываются отрицательно заряженные частицы. Позденее было доказано, что заряженными частицами являются электроны. Испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом. Закономерности фотоэффекта были установлены экспериментально в 1888–1889 гг. русским физиком А.Г. Столетовым (1839–1896). Попытка объяснить их в рамках электромагнитной теории света Максвелла не удалась.

Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца несмотря на огромные успехи были несколько противоречивы и при их применении возникали затруднения. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только «упругий эфир» был заменен «эфиром электромагнитным» (теория Максвелла) или «неподвижным эфиром» (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить не только фотоэффект, но и процессы испускания и поглощения света, комптоновского рассеяния и т. д. Теория Лоренца в свою очередь оказалось несостоятельной в объяснии многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, распределение энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела и др.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком (1858–1947), согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой :

E=h ,

где h – постоянная Планка.Теория Планка не нуждалась в понятии об эфире и она объяснила тепловое излучение абсолютно черного тела.

 

А. Эйнштейн в 1905 г. обосновал квантовую природу света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов – фотонов, энергия которых определяется приведенной выше формулой Планка, а импульс

где, с – скорость света, – длина волны.

Наиболее полно квантовые свойства электромагнитных волн проявляются в эффекте Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излучения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения наряду с излучением, характеризующимся первоначальной длиной волны, наблюдается излучение с более длинной волной.



Квантовые представления о свете согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия излучения с веществом. Такие оптические явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, хорошо объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Приведенные выше выражения связывают корпускулярные характеристики излучения – энергию и импульс кванта – с волновыми – частотой и длиной волны. Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.

Излучение абсолютно черного тела. Формула Планка

В классической физике плотность излучения абсолютно черного тела описывается законом Рэлея-Джинса

ρ(ν) ≈ 8πν2kT/c3. (3.1)

В области низких частот формула Рэлея-Джинса хорошо описывает экспериментальные данные. Однако в области высоких частот расхождения с экспериментом были настолько существенны, что возникшую ситуацию стали называть «ультрафиолетовой катастрофой».
В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме теплового излучения тел. Планк моделировал вещество как совокупность гармонических осцилляторов различной частоты ν. Предположив, что излучение происходит не непрерывно, а порциями – квантами hν, он получил формулу распределения плотности энергии в спектре теплового излучения U(T,ν), которая хорошо согласовывалась с опытными данными

(3.2)

где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, ν – частота излучения, h – постоянная Планка

h = 6.62·10-34 Дж·с = 6.62·10-27 эрг·с.

В квантовой теории чаще используют приведенную постоянную Планка ћ

ћ = h/2π = 1.05·10-34Дж·с = 6.58×10-22 МэВ·с,

которая также называется постоянной Планка.

Фотоэффект

Фотоэффект был открыт Г. Герцем в 1887 г. При облучении металлической поверхности светом из неё вылетают электроны. Было установлено, что энергии вылетающих электронов не зависят от интенсивности излучения и определяются только его частотой. Кинетическая энергия электрона Te, вылетающего из металла под действием фотона с энергией ћω

ћω = Aвых + Te, (3.5)

где Aвых – работа выхода металла. Эта формула была написана Эйнштейном в 1905 г. примерно через полтора десятка лет после первых экспериментов А.Г. Столетова. Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта.

Эффект Комптона

На основе квантовой теории А. Комптоном было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны излучения (эффект Комптона). Из законов сохранения энергии и импульса следует формула Комптона для изменения длины волны фотона Δλ, рассеянного под углом θ,

Δλ = λ' – λ = λ0(1 – cosθ), (3.6)

где λ и λ' – соответственно длины волн падающего и рассеянного фотона,
λ0 = h/mec = 2.4·10-10 см = 0.024 Å – комптоновская длина волны электрона. Изменение длины волны фотона Δλ не зависит от длины волны падающего фотона. Оно определяется только углом рассеяния фотона θ. При комптоновском рассеянии увеличивается длина волны фотона, т. е. уменьшается его частота. Это уменьшение частоты очевидное с точки зрения корпускулярной теории (уменьшение энергии фотона происходит за счёт передачи части энергии электрону отдачи) не удавалось объяснить в классической электродинамике, где частота света при рассеянии не должна изменяться.

Рис. 3.2 Спектры рассеянного излучения для трех углов рассеяния. Абсцисса пропорциональна длине излучения, ордината – интенсивности излучения. а) Спектр падающего излучения; б) – г) спектры рассеянного на графите излучения.
Пики слева на всех графиках отвечают фотонам с исходной длиной волны, которые рассеиваются на сильно связанных электронах с эффективной массой, равной массе атома. Максимумы справа имеют длину волны, соответствующую формуле Комптона.





sdamzavas.net - 2020 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...