Квантовая оптика

Выполнила:
Разнатовская Оксана, 11 класс
СОДЕРЖАНИЕ
• Квантовая оптика
• Красная граница фотоэффекта
• Рождение квантовой теории 1 • Законы фотоэффекта
2
• Примеры других квантовых
• Ультрафиолетовая
эффектов
катастрофа 1 2
• Корпускулярно-волновой дуализм
• Абсолютно черное тело
• Фотоны и их свойства
• Задача №64
• Явление фотоэффекта
• Уравнение Эйнштейна для
фотоэффекта
12
• Примеры, подтверждающие
корпускулярную и волновую
теории света 1 2
• Тест
• Ссылки
КВАНТОВАЯ ОПТИКА
• Квантовой оптикой называют раздел оптики,
занимающийся изучением явлений, в которых проявляются
квантовые свойства света.
• К таким явлениям относятся: тепловое излучение,
фотоэффект, эффект Комптона, эффект
Рамана, фотохимические процессы, вынужденное
излучение (и, соответственно, физика лазеров) и др.
• Квантовая оптика является более общей теорией, чем
классическая оптика. Основная проблема, затрагиваемая
квантовой оптикой — описание взаимодействия света с
веществом с учётом квантовой природы объектов, а также
описания распространения света в специфических условиях.
РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ
• Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (23 апреля 1858 — 4
октября 1947) — немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой
физики. Лауреат Нобелевской премии по физике и других наград,
член Прусской академии, ряда иностранных научных обществ и
академий наук.
• В середине 1890-х годов он занялся проблемой теплового излучения и
в конце 1900 года достиг решающего успеха: получил
правильную формулу для распределения энергии в спектре
абсолютно чёрного тела и дал её теоретическое обоснование, введя
знаменитый «квант действия». Квантовая гипотеза немецкого учёного,
глубокий смысл которой вскрылся лишь много позже, ознаменовала
рождение квантовой физики.
• В 1905 г. Эйнштейн, опираясь на работы М. Планка по излучению,
предложил совершенно новую теорию фотоэффекта. По Эйнштейну,
световой поток представляет собой поток «атомов света», названных
Эйнштейном фотонами; каждый фотон обладает энергией: E=hv и
импульсом: p=E/c.
• При этом отдельный фотон поглощается отдельным электроном, и
электрон приобретает возможность покинуть металл, если его энергия
превышает «работу выхода» из металла, характеризуемую разностью
потенциалов UK. Применяя закон сохранения
• Где
— максимальная кинетическая энергия вылетевшего
электрона. За счет взаимодействия с окружающими частицами
электрон может вылететь с меньшей энергией, поэтому кривая имеет
пологий спад.
• Из уравнения следует, что существует минимальная частота света,
необходимая для фотоэффекта:
УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ КАТАСТРОФА
• Ультрафиоле́товая катастро́фа — физический термин,
описывающий парадокс классической физики, состоящий в том, что
полная мощность теплового излучения любого нагретого тела должна
быть бесконечной. Название парадокс получил из-за того, что
спектральная плотность энергии излучения должна была неограниченно
расти по мере сокращения длины волны.
• В конце XIX в. она сводилась к парадоксальному результату, согласно
которому никакое тепловое равновесие невозможно, так как вся энергия
системы будет постепенно передаваться электромагнитным
колебаниям все более высоких частот. Немецкий физик М. Планк в 1900
г. нашел простую формулу, которая, с одной стороны, не приводила к
указанной "ультрафиолетовой катастрофе", а с другой - вела к
известным формулам Вина и Рэлея-Джинса в соответствующих
предельных случаях коротких и длинных электромагнитных волн. М.
Планк затем показал, что эту формулу можно вывести теоретически,
если предположить, что энергия излучается порциями - квантами, введя
квант действия «h» - впоследствии знаменитая постоянная Планка.
АБСОЛЮТНО ЧЕРНОЕ ТЕЛО
ФОТОНЫ И ИХ СВОЙСТВА
• Фотон - материальная, электрически нейтральная частица, квант
электромагнитного поля (переносчик электромагнитного
взаимодействия).
• Свойства:
• 1. Является частицей электромагнитного поля.
• 2. Движется со скоростью света.
• 3. Существует только в движении.
•
4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной
скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя
фотона равна нулю.
ЗАДАЧА №64
• Вычислите энергию фотона, если известно, что в
среде с показателем преломления 1,3 его длина
волны равна 590 нм.
• «с» – скорость света. (3*108 м/с)
• «h» – постоянная Планка (6.62*10-34 Дж*с)
ЯВЛЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА
• Фотоэффект - это явление вырывания электронов из вещества под
действием излучения.
Количественные закономерности этого явления были установлены
русским физиком А. Г. Столетовым.
• Законы фотоэффекта:
1. Число электронов, вылетающих с поверхности тела под действием
электромагнитного излучения, пропорциональное его интенсивности.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от
частоты облучения и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества в зависимости от ее температуры и
состояния поверхности существует минимальная частота света, при
которой еще возможен внешний фотоэффект.
УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ФОТОЭФФЕКТА
• Эйнштейн предположил, что фотон может выбить с
поверхности только один электрон, а электрону, чтобы
вырваться из вещества, необходимо совершить работу
выхода Авых. Тогда из закона сохранения энергии
следовало, что при фотоэффекте энергия
фотона hn должна быть равна сумме работы
выхода Авых и кинетической энергии фотоэлектрона со
скоростью v и массой m:
• Уравнение, объясняющее все законы фотоэффекта,
называют уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.
Чем больше фотонов, тем больше они выбивают
фотоэлектронов.
КРАСНАЯ ГРАНИЦА ФОТОЭФФЕКТА
• «Красная» граница фотоэффекта - минимальная частота или
максимальная длина волны света, при которой ещё возможен
внешний фотоэффект, то есть начальная кинетическая
энергия фотоэлектронов больше нуля. Частота зависит только
от работы выхода электрона:
ЗАКОНЫ ФОТОЭФФЕКТА
•
А.Г. Столетов установил три закона фотоэффекта, не утратившие
своего значения и в настоящее время. В современном виде законы
внешнего фотоэффекта формулируются следующим образом:
•
I. При фиксированной частоте падающего света число
фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени,
пропорционально интенсивности света(сила тока насыщения
пропорциональна энергетической освещенности Ee катода).
•
II. Максимальная начальная скорость (максимальная
начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от
интенсивности падающего света, а определяется только его
частотой ν.
•
III. Для каждого вещества существует красная граница
фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от
химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже
которой фотоэффект невозможен.
КВАНТОВАЯ ЛЕВИТАЦИЯ
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ
• Корпускулярно-волновой дуализм – свойство любой микрочастицы
обнаруживать признаки частицы (корпускулы) и волны. Наиболее ярко
корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных
частиц. Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как
хорошо локализованные в пространстве материальные объекты
(частицы), двигающиеся с определёнными энергиями и импульсами по
классическим траекториям, а в других – как волны, что проявляется в
их способности к интерференции и дифракции. Так электромагнитная
волна, рассеиваясь на свободных электронах, ведёт себя как поток
отдельных частиц – фотонов, являющихся квантами
электромагнитного поля, причём импульс фотона даётся формулой
р = h/λ, где λ – длина электромагнитной волны, а h – постоянная
Планка. Эта формула сама по себе – свидетельство дуализма. В ней
слева – импульс отдельной частицы (фотона), а справа – длина волны
фотона.
• Дуализм электронов, которые мы привыкли считать частицами,
проявляется в том, что при отражении от поверхности монокристалла
наблюдается дифракционная картина, что является проявлением
волновых свойств электронов. Количественная связь между
корпускулярными и волновыми характеристиками электрона та же, что
и для фотона: р = h/λ (р – импульс электрона, а λ – его длина
волны).
ПРИМЕРЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ
КОРПУСКУЛЯРНУЮ И ВОЛНОВУЮ ТЕОРИИ СВЕТА
• Такие явления, как интерференция и дифракция света, убедительно
свидетельствуют о волновой природе света. В то же время
закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта
и эффекта Комптона можно успешно истолковать с классической
точки зрения только на основе представлений о свете, как о потоке
дискретных фотонов. Однако волновой и корпускулярный способы
описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так
как свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными
свойствами.
• Волновые свойства света играют определяющую роль в
закономерностях его интерференции, дифракции, поляризации, а
корпускулярные — в процессах взаимодействия света с веществом.
Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия
фотона и тем труднее обнаружить корпускулярные свойства света.
Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях
фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества.
Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше
энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые
свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение
дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решетке —
кристаллической решетке твердого тела.
ТЕСТ
• 1) В 1887 г. Г. Герц обнаружил, а в 1888 г. А. Г.
Столетов изучил особенности...
• 2) Какое из утверждений о корпускулярно-волновом
дуализме света, приведенных ниже, вы считаете
наиболее правильным?
• 3) Красная граница фотоэффекта — это ...
• 4) Фотоэффект – это явление…
• 5) Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
представляет собой применение к данному явлению…
ССЫЛКИ
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
http://www.youtube.com/watch?v=yn_1yLlMhhY
http://www.youtube.com/watch?v=A7YxXJlI62g
http://academic.ru/dic.nsf/ruwiki/214433
http://history.minot.ru/history/html/t11/t11-01-02-01.htm
http://itteach.ru/optika/kvantovaya-teoriya-fotoeffekta
http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/KVANTOVAYA_OPTIKA.html
http://physik.ucoz.ru/news/den_rozhdenija_kvantovoj_teorii/2010-12-14-16
http://ru.wikipedia.org/wiki/Планк,_Макс#.D0.9A.D0.B2.D0.B0.D0.BD.D1.82.D0.BE.D0.B2
.D0.B0.D1.8F_.D0.B3.D0.B8.D0.BF.D0.BE.D1.82.D0.B5.D0.B7.D0.B0_.D0.9F.D0.BB.D0.
B0.D0.BD.D0.BA.D0.B0
http://www.edu.delfa.net/CONSP/kvant2.html
http://kaf-fiz-1586.narod.ru/11bf/uchebnik_11/30.htm
http://academic.ru/dic.nsf/ruwiki/69020
http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/Квантовая%20оптика.%20Атомная%20и%20яде
рная%20физика.%20Физика%20элементарных%20частиц/02-2.htm
http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e082.htm
http://www.shaping.ru/congress/download/cong04(007).pdf