Объяснение давления света с квантовой точки зрения

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества.

Пусть на поверхность площади S нормально к ней ежесекундно падает

N фотонов частоты v. Каждый фотон обладает импульсом hv/c. Если

р — коэффициент отражения поверхности, то pN фотонов отразится от поверхности, (1—р) N фотонов поглотится.

Каждый поглощенный квант света передаст поверхности импульс hv/c, а каждый отраженный — импульс [(hv/c) — (—hv/c)] = 2hv/c, так как при отражении направление импульса фотона изменяется на противоположное и импульс, передаваемый им частицам вещества, составляет 2hv/c. Полный импульс, получаемый поверхностью тела, составит

(20.18)

Вычислим световое давление. Для этого (20.18) разделим на площе S «крылышка»: (20.19)

Если учесть, что hvN/S = Ee, то формула (20.19) примет вид

(20.20)

Выражения (20.17) и (20.20), выведенные в рамках электромагнитной и квантовой теорий, совпадают.

Экспериментально справедливость этих результатов была доказана опытами П.Н. Лебедева.

Давление естественного света очень мало. Если коэффициент поглощения поверхности близок к единице, то давление, оказываемое солнечными лучами на такие поверхности, находящиеся на Земле, составляет примерно

5 10 Па (т. е. 3,7 10 мм рт. ст.). Это давление на десять порядков меньше атмосферного давления у поверхности Земли.

Измерить столь малое давление П. Н. Лебедев смог лишь проявив исключительную изобретательность и мастерство в постановке и проведении эксперимента.

Световое давление не играет никакой роли в явлениях, с которыми мы сталкиваемся в жизни. Но в космических и микроскопических системах его роль существенна.

В микромире давление света проявляется в световой отдаче, которую испытывает возбужденный атом при излучении им света. Гравитационное притяжение внешних слоев звездного вещества к ее центру уравновешивается силой, значительный вклад в которую вносит давление света, идущего из глубины звезды наружу.

Химическое действие света

В результате действия света в некоторых веществах происходят химические превращения — фотохимические реакции. Фотохимические превращения весьма разнообразны. Под действием света сложные молекулы могут разлагаться на составные части (например, бромистое серебро — на серебро и бром) или. наоборот, образовываться сложные молекулы (например, если осветить смесь хлора и водорода, то реакция образования хлористого водорода протекает настолько бурно, что сопровождается взрывом).

Многие из фотохимических реакций играют большую роль в природе и технике. Главная из них — фотохимическое разложение углекислоты, происходящее под действием света в зеленых частях растений. Эта реакция имеет огромное значение, ибо она обеспечивает круговорот углерода, без которого невозможно длительное существование органической жизни на Земле. В результате жизнедеятельности животных и растений (дыхание) идет непрерывный процесс окисления углерода (образование СО2). Обратный процесс восстановления углерода происходит под влиянием света в зеленых частях растений. Эта реакция протекает по схеме 2СО2 2СО + О2

Фотохимическая реакция разложения бромистого серебра лежит в основе фотографии и всех ее научных и технических применений, явление выцветания красок, сводящееся главным образом к фотохимическому окислению этих красок, имеет очень большое значение для понимания процессов, происходящих в глазе человека и животного и лежащих в основе зрительного восприятия. Очень многие фотохимические реакции в наше время используются в химическом производстве и приобретают, таким образом, непосредственное промышленное значение.

Билет № 24

1. Электрическое поле. Напряжённость электрического поля.
2. Способы наблюдения заряженных частиц. Радиоактивность.
3. Задача на нахождение первоначального давления газа.

Последнее изменение этой страницы: 2016-12-12; Нарушение авторского права страницы

Фотон и его свойства

Фотон — материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).

Основные свойства фотона

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.

Энергия фотона:.

Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как , Отсюда — масса фотона.

Импульс фотона . Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Давление света

В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствие(благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v — направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны).

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен . Световое давление:

При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают абсолютно упругим, поэтому изменение импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (удар неупругий).

Это давление оказалось

4 . 10 -6 Па. Предсказание Дж. Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. Н.Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали.

Опыты П. Н. Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом

Эффект Комптона (1923)

А. Комптон на опыте подтвердил квантовую теорию света. С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах без какого-либо изменения частоты излучения, что опытом не подтверждается.

При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А. Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего излучения. Чем больше угол рассеяния, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты (увеличение длины волны). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А. Комптона можно объяснить следующим образом.

Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон — электрон:

где mc 2 — энергия неподвижного электрона; hv — энергия фотона до столкновения; hv‘ — энергия фотона после столкноВЕНИЯ, P и p’ — импульсы фотона до и после столкновения; mv — импульс электрона после столкновения с фотоном.

Решение системы уравнений для энергии и импульса с учетом того, что дает формулу для измерения длины волны при рассеянии фотона на (неподвижных) электронах:

где — так называемая комптоновская длина волны.

Корпускулярно-волновой дуализм

Конец XIX в.: фотоэффект и эффект Комптона подтвердили теорию Ньютона, а явления дифракции, интерференции света подтвердили теорию Гюйгенса.

Таким образом, многие физики в начале XX в. пришли к выводу, что свет обладает двумя свойствами:

1. При распространении он проявляет волновые свойства.
2. При взаимодействии с веществом проявляет корпускулярные свойства. Его свойства не сводятся ни к волнам, ни к частицам.

Чем больше v, тем ярче выражены квантовые свойства света и менее — волновые.

Итак, всякому излучению присущи одновременно волновые и квантовые свойства. Поэтому то, как проявляет себя фотон — как волна или как частица,—зависит от характера проводимого над ним исследования.

Давление света. Опыты Лебедева. Квантовое и волновое объяснение давления снега.

В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствие (благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v — направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны).

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен Поток фотонов, падающие на

поглощающую поверхность: Поток фотонов, падающие на зеркальную поверхность :

Поток фотонов, падающие на поверхность :

Это давление оказалось

4 . 10 -6 Па. Предсказание Дж. Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. Н.Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали.

Опыты П. Н. Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом

С квантовой точки зрения давление света на поверхность обусловлено тем, что при соударении с этой поверхностью каждый фотон передает ей свой импульс. Так как фотон может двигаться только со скоростью света в вакууме, то отражение света от поверхности тела следует рассматривать как процесс «переизлучения» фотонов — падающий фотон поглощается поверхностью, а затем вновь излучается ею с противоположным направлением импульса.

Давление света. Квантовое и волновое объяснение давления света

Читайте также:

1. A- температурный коэффициент давления газа.
2. II. Обработка давлением: прокатка, прессованиее (редко) и волочение.
3. II. Объяснение нового материала.
4. II. Объяснение нового материала.
5. А. Расчет болтов крепления крышек резервуаров с внутренним давлением
6. Абсорбционная спектрофотометрия УФ и видимого света.
7. Автоматические системы локализации и подавления взрывов в технологических аппаратах, устройство и принцип работы.
8. Автоматические системы подавления взрывов, их устройство и принцип работы.
9. Анализ изменения давления в цилиндре насоса в период всасывания
10. Анализ изменения давления в цилиндре насоса в период нагнетания
11. Аномальная дисперсия света.
12. Блок левого поперечного синуса (из-за сдавления гематомой).

Одним из экспериментальных подтверждений наличия у фото­нов импульса является существование светового давления (опыты Лебедева).

Волновое объяснение (по Максвеллу): взаимодействие индуцированных токов с магнитным полем волны.

С квантовой точки зрения давление света на поверхность обусловлено тем, что при соударении с этой поверхностью каждый фотон передает ей свой импульс. Так как фотон может двигаться только со скоростью света в вакууме, то отражение света от поверхности тела следует рассматривать как процесс «переизлучения» фотонов — падающий фотон поглощается поверхностью, а затем вновь излучается ею с противоположным направлением импульса.

Рассмотрим световое давление, которое оказывает на поверхность тела поток монохроматического излучения, падающего перпендикулярно поверхности.

Пусть в единицу времени на единицу площади поверхности тела падает п фотонов. Если коэффициент отражения света от поверхности тела равен R, то Rnфотонов отражается, а (1–R) п- поглощается. Каждый отраженный фотон передает стенке импульс, равный 2р_ф =2hv/c(при отражении импульс фотона изменяется на – р_ф). Каждый поглощенный фотон передает стенке свой импульс р_ф =hv/c.Давление света на поверхность, равно импульсу, который передают поверхности за 1 с все п фотонов:

, (11-12)

где I=nhv – энергия всех фотонов, падающих на единицу поверх­ности за единицу времени, т. е. интенсивность света, а w=I/c– объ­емная плотность энергии падающего излучения. Эта формула проверялась экспериментально и была подтверждена в опытах Лебедева.

4. Фотонный газ. Бозоны. Распределение Бозе − Эйнштейна.

Рассмотрим свет как совокупность фотонов, которые находятся внутри замкнутой полости с зеркальными стенками. Давление света на зеркально отражающую поверхность должно быть таким же, каким оно было бы если фотоны зеркально отражались от поверхности подобно абсолютно упругим шарикам.

Найдем давление, производимое на идеально отражающие стенки| замкнутой полости.

Для простоты предположим, что полость имеет форму куба. Ввиду изотропности излучения можно считать, что все направления движения фотонов равновероятны. Взаимодействие между фотонами отсутствует (частота их при столкновениях не меняется). Поэтому фотоны движутся подобно молекулам идеального одноатомного газа.

Давление идеального газа на стенки полости найдем из основного уравнения кинетической теории газов:

Но для фотонов m=hv_i/c 2 , υ_i=с и поэтому mυ_i 2 = hv_i.Таким образом,

где W — полная энергия всех фотонов в полости, а давление на ее стенки

(11-13)

Здесь w — объемная плотность энергии излучения. Если фотоны внутри нашей полости имеют частоты от 0 до ∞, то w можно определить по формуле:

(11-14)

Здесь ρ(ν) — объемная плотность энергии излучения в интервале частот от ν до ν+dν.

Функция ρ(ν) находится с помощью специального квантового распределения фотонов по энергиям (частотам), — распределения Бо­зе —Эйнштейна (Б-Э).

1. В отличие от распределения Максвелла, которое характеризует распределение частиц в пространстве скоростей (импульсов), квантовое распределение описывает энергии частиц в фазовом пространстве, образованном импульсами и координатами частиц.

2. Элементарный объем фазового пространства равен (перемножим все приращения координат):

(11-15)

3. Объем, приходящийся на одно состояние равен h 3 .

4. Число состояний dg_iизлучения, находящегося в элементарном фазовом объеме в квантовой статистике получается путем деления объема (11-15) на h 3 :

5. Распределению Б—Э подчиняются системы частиц с целым спином. Они получили название бозоны. К этим частицам относятся и фотоны. Их спин принимает целочисленные значения. Момент импульса фотона принимает значение mh/2π, где m = 1. 2,3… Функция распределения Бозе — Эйнштейна для фотонов имеет вид:

, (11-16)

где. ΔN –число фотонов в объеме dV, n_i — среднее число частиц в одном энергетическом состоянии с энергией W_i, которое называется, k — постоянная Больцмана, T – абсолютная температура. Коэффициент 2 появляется в связи с наличием двух возможных направлений по­ляризации света (левое и правое вращение плоскости поляризации).

Полное число состояний в объеме V(после интегрирования по объему и использования соотношений между импульсом фотона р и его энергией W,ν р =hv/c, W= hv):

где ν — частота, с — скорость света в вакууме.

Число фотонов с энергией от W до W + d W в объеме V:

(11-17)

Объемную плотность энергии излучения в интервале частот от ν до ν +dν найдем умножив (11-16) на энергию одного фотона hν:

. (11-18)

Давление излучения найдем по формулам (11-13), (11-14) и (11-18):

Уравнение состояния для излучения:

.

Энергия излучения из объема V (закон Стефана-Больцмана):

Связь между энергетической светимостью и объемной плотностью энергии излучения (следует из сопоставления формулы Планка с формулой (11-18):

Дата добавления: 2014-01-15 ; Просмотров: 5531 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

14.Давление света.Опыты Лебедева.Классическое и квантовое объяснение давления..

давление, производимое светом на отражающие или поглощающие тела. Д. с. впервые было экспериментально открыто и измерено П. Н. Лебедевым (1899). Величина Д. с. даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга) ничтожно мала и маскируется в земных условиях побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами, см.Радиометрический эффект), которые могут превышать в тысячи раз величину Д. с. Для обнаружения Д. с. Лебедев изготовил специальные приборы и проделал опыты, представляющие замечательный пример искусства эксперимента. Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов (платина, алюминий, никель) и слюды. Крылышки подвешивались на тонкой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного сосуда из которого выкачивался воздух. На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги. Перемещение зеркал, давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрические силы и обнаружить Д. с. на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907—10 Лебедев исследовал Д. с. на газы, что было ещё труднее, так как Д. с. на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые тела. Прибор, созданный Лебедевым для измерения давления света, представлял собой очень чувствительный крутильный динамометр (крутильные весы). Его подвижной частью являлась подвешенная на тонкой кварневой нити легкая рамка с укрепленными на ней крылышками — светлыми и черными дисками толщиной до 0,01 мм. Крылышки делали из металлической фольги (рис. 19.10). Рамка была подвешена внутри сосуда, из которого откачали воздух. Рис. 19.10Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление. В результате на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити определялось давление света. Трудности измерения светового давления вызывались его исключительно малым значением и существованием явлений, сильно влияющих на точность измерений. К их числу относилась невозможность полностью откачать воздух из сосуда, что приводило к возникновению так называемогорадиометрического эффекта. Сущность этого явления в следующем. Сторона крылышек, обращенная к источнику света, нагревается сильнее противоположной стороны. Поэтому молекулы воздуха, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны. Так появляется дополнительный вращающий момент. Схема установки Лебедева для измерения давления света на газы изображена на рисунке 19.11. Свет, проходящий сквозь стеклянную стенку А, действует на газ, заключенный в цилиндрическом канале В. Под давлением света газ из канала В перетекает в сообщающийся с ним канал С. В канале С находится легкий подвижный поршень D, подвешенный на тонкой упругой нити Е, перпендикулярной плоскости чертежа. Световое давление рассчитывалось по углу закручивания нити.

Рис. 19.11Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие, тем не менее, может оказаться существенным в других условиях. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения должно достигать громадного значения. Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль в процессах, происходящих внутри звезд.

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества.

Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:

Калькулятор

Сервис бесплатной оценки стоимости работы

1. Заполните заявку. Специалисты рассчитают стоимость вашей работы
2. Расчет стоимости придет на почту и по СМС

Номер вашей заявки

Прямо сейчас на почту придет автоматическое письмо-подтверждение с информацией о заявке.

Объяснение давления света с квантовой точки зрения

Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствия. Замерил давление света П. Н. Лебедев.

Под действием электрического поля волны электроны в телах совершают колебания. Образуется электрический ток. Этот ток направлен вдоль напряженности электрического поля (рис. 162). На упорядоченно движущиеся электроны действует сила Лоренца F со стороны магнитного ноля, направленная в сторону распространения волны. Это и есть сила светового давления.

Для доказательства справедливости теории Максвелла было важно измерить давление света. Многие ученые пытались это сделать, но безуспешно, так как световое давление очень мало. В яркий солнечный день на поверхность площадью 1 м2 действует сила, равная всего лишь 4×10 -8 Н. Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 г.

Прибор Лебедева состоял из очень легкого стерженька на тонкой стеклянной нити, по краям которого были приклеены легкие крылышки (рис. 163). Весь прибор помещался в сосуд, из которого был выкачан воздух. Свет падал на крылышки, расположенные по одну сторону от стерженька. О значении давления можно было судить но углу закручивания нити. Трудности точного измерения давления света были связаны с невозможностью выкачать из сосуда весь воздух (движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда, приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов). Кроме того, на закручивание нити влияет неодинаковый нагрев сторон крылышек (сторона, обращенная к источнику света, нагревается больше, чем противоположная сторона). Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны.

Лебедев сумел преодолеть все эти трудности, несмотря на низкий уровень тогдашней экспериментальной техники, взяв очень большой сосуд и очень тонкие крылышки. В конце концов существование светового давления на твердые тела было доказано и оно было измерено. Полученное значение совпало с предсказанным Максвеллом. Впоследствии после трех лет работы Лебедеву удалось осуществить еще более тонкий эксперимент: измерить давление света на газы.

Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить, причину светового давлении. Фотоны подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса импульс тела равен импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.

Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом.

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие тем не менее может оказаться существенным. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения должно достигать громадного значения. Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль во внутризвездных процессах.

Давление света согласно электродинамике Максвелла возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны. С точки зрения квантовой теории давление появляется благодаря передаче телу импульсов фотонов при их поглощении.

Объяснение давления света с квантовой точки зрения

«Физика — 11 класс»

Давление света

Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствия.

Под действием электрического поля волны, падающей на поверхность тела, например металла, свободный электрон движется в сторону, противоположную вектору .
На движущийся электрон действует сила Лоренца, направленная в сторону распространения волны.

Суммарная сила, действующая на электроны поверхности металла, и определяет силу светового давления.

Для доказательства справедливости теории Максвелла было важно измерить давление света.
Многие ученые пытались это сделать, но безуспешно, так как световое давление очень мало.
В яркий солнечный день на поверхности площадью 1 м 2 действует сила, равная всего лишь 4 • 10 -6 Н.

Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 г.

Прибор Лебедева состоял из очень легкого стерженька на тонкой стеклянной нити, по краям которого были приклеены легкие крылышки.
Весь прибор помещался в сосуд, откуда был выкачан воздух.
Свет падал на крылышки, расположенные по одну сторону от стерженька.
О значении давления можно было судить по углу закручивания нити.

Трудности точного измерения давления света были связаны с невозможностью выкачать из сосуда весь воздух (движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда, приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов).
Кроме того, на закручивание нити влияет неодинаковый нагрев сторон крылышек.
Сторона, обращенная к источнику света, нагревается сильнее, чем противоположная сторона.
Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны.

Лебедев сумел преодолеть все эти трудности, несмотря на низкий уровень тогдашней экспериментальной техники, взяв очень большой сосуд и очень тонкие крылышки.
В конце концов существование светового давления на твердые тела было доказано, и оно было измерено.
Полученное значение совпало с предсказанным Максвеллом.

Впоследствии после трех лет работы Лебедеву удалось осуществить еще более тонкий эксперимент: измерить давление света на газы.

Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить причину светового давления.
Фотоны, подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом.
При поглощении их телом они передают ему свой импульс.
Согласно закону сохранения импульса импульс тела становится равным импульсу поглощенных фотонов.
Поэтому покоящееся тело приходит в движение.
Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.

Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом.

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие тем не менее может оказаться существенным.
Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвинов давление электромагнитного излучения должно достигать громадных значений.
Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют значительную роль во внутризвездных процессах.

Давление света согласно электродинамике Максвелла возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны.
С точки зрения квантовой теории давление появляется в результате передачи телу импульсов фотонов при их поглощении.

Химическое действие света

Отдельные молекулы поглощают световую энергию порциями — квантами hv.
В случае видимого и ультрафиолетового излучений эта энергия достаточна для расщепления многих молекул.
В этом проявляется химическое действие света.

Любое превращение молекул есть химический процесс.
Часто после расщепления молекул светом начинается целая цепочка химических превращений.
Выцветание тканей на солнце и образование загара — это примеры химического действия света.

Важнейшие химические реакции под действием света происходят в зеленых листьях деревьев и траве, в иглах хвои, во многих микроорганизмах.
В зеленом листе под действием Солнца осуществляются процессы, необходимые для жизни на Земле, они дают нам кислород для дыхания.

Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части: углерод и кислород.

Происходит это, как установил русский биолог К.А.Тимирязев, в молекулах хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра.
Пристраивая к углеродной цепочке атомы других элементов, извлекаемых корнями из земли, растения строят молекулы белков, жиров и углеводов, все это происходит за счет энергии солнечных лучей.

Здесь особенно важна не только сама энергия, но и та форма, в которой она поступает.
Фотосинтез может протекать только под действием света определенного спектрального состава.

Механизм фотосинтеза еще не выяснен до конца.

Химическое действие света лежит в основе фотографии.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Световые кванты. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Квантовые свойства света. 11-й класс

Презентация к уроку

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель: изучение квантовой теории света и световых явлений, объясняемых этой теорией.

Задачи:

• образовательные: раскрыть физическую сущность понятий: абсолютно черное тело, ультрафиолетовая катастрофа, квант, постоянная Планка, ввести понятие фотоэффект, познакомить учащихся с открытием явления и его исследованием, рассмотреть проблемы физики начала ХХI века;
• развивающие: развивать наблюдательность, умение логически мыслить, анализировать факты и явления на основе теоретических представлений, расширять познавательный интерес, формировать умение выделять признаки сходства и различия в описании физических явлений;
• воспитательные: способствовать расширению кругозора учащихся, воспитывать культуру общения, приобщать учащихся к достижениям отечественной науки;
• метапредметные: формировать умение воспринимать альтернативные точки зрения и высказывать обоснованные аргументы «за» и «против», находить требуемую информацию в различных источниках, визуальную информацию переводить в вербальную знаковую систему.

План.

1. Зарождение квантовой теории.
2. Опыты Герца и Столетова.
3. Фотоэффект. Законы фотоэффекта.
4. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
5. Фотоны.
6. Давление света.
7. Применение фотоэффекта.
8. Химическое действие света. Фотография.
9. Единство волновых и квантовых свойств света.

I. Вступительное слово учителя

II. Устный журнал (показ слайдов презентации сопровождается чтением стихотворения).

Как только ясно стало всем,
Что Максвелл прав был не совсем,
Что уравнения его для микромира – ничего,
Все стали думать и гадать, предполагать, опровергать.
У Планка думать был талант, он потому придумал квант.
И даже дальше он пошел и постоянную нашел.
Герц, ставя опыты давно, открыл явление одно.
О нем он миру рассказал, “фотоэффект” названье дал.
Столетов был ужасно рад и опытов поставил ряд.
Закона два открыл подряд. Какой чудесный результат!
Эйнштейн свой вклад внести решил, фотоэффект он объяснил.
Открытие прекрасное – его “граница красная”.
Тут начал Лебедев “чудить”, стал трудный опыт проводить:
Подвесил лепестки на нить, увидел – может свет давить.
Лишен покоя и заряда, фотон летает, где не надо,
И импульс свой теряет где-то — корпускулярны свойства света.
Фотоэффект теперь везде, свет служит людям на Земле.
Свет научились мы копить, кино вдруг стало говорить.
Чудесен сколь фотоэффект, теперь уже “химичит” свет.
Нам этот свет дает дышать, ведь листья могут превращать
Газ углекислый в кислород, коль свет на листья упадет.
Мы держим аппарат в руках. Щелк-щелк, и вы уже “в веках”.
Мы дарим всем портреты, за то спасибо свету.

III. Сообщения учащихся

1. Зарождение квантовой теории

Противоречие между классической электродинамикой Максвелла и закономерностями распределения в спектре теплового излучения (нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля, но в действительности это не так)

Гипотеза Планка (Атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами. Энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения. Е = h, где h = 6,63 * 10 -34 Дж . с – постоянная Планка, – частота излучения)

2. Фотоэффект. (Открыт Герцем. Исследован Столетовым)

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света.

Опыты Герца и Столетова (Внешний фотоэффект: заряженную цинковую пластину присоединяют к электрометру, освещают кварцевой лампой; если заряд пластины “+”, то освещение пластины не влияет на быстроту разрядки электрометра, а если “-”, то он быстро разряжается. Фотоэффект вызывается ультрафиолетовым излучением.)

3. Законы Фотоэффекта.

Первый закон: количество электронов, вырываемых с поверхности металла за 1 секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергией световой волны.

Второй закон: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света.

(Объяснение по таблице)

По графику зависимости фототока от напряжения дать понятие задерживающего напряжения и тока насыщения.

mv 2 /2 = eU_з — максимальное значение кинетической энергии электронов.

4. Объяснение фотоэффекта Эйнштейном.

Законы Максвелла не могут объяснить, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает электроны. Свет имеет прерывистую структуру: излучается порциями, излученная порция световой энергии Е = h сохраняет свою индивидуальность. Поглотиться может только вся порция целиком.

h= А+ mv 2 /2 – уравнение Эйнштейна. Энергия порции света идет на совершение работы выхода и на сообщения электрону кинетической энергии. А – работа выхода – работа, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла, она зависит от рода металла и состояния поверхности, от интенсивности света не зависит. Условия возникновения фотоэффекта: энергия кванта должна быть больше работы выхода.

_min = A/h – красная граница фотоэффекта – минимальная частота

(_max = _кр = hc/A – максимальная длина волны), при которой еще возможен фотоэффект; зависит от рода металла.

5. Фотоны.

При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией Е= hзависящей от частоты. Порция света похожа на частицу, ее называют фотоном или квантом.

m = h/c 2 — масса движущегося фотона.

Фотон не имеет массы покоя, т.е. он не существует в состоянии покоя и при рождении сразу приобретает скорость с = 3 * 10 8 м/с.

р = mc = h/c = h/ — импульс фотона (направлен по световому лучу). Чем больше частота излучения, тем больше энергия и импульс фотона.

6. Давление света.

Под действием электрического поля волны электроны совершают колебания. Электрический ток направлен вдоль линий напряженности электрического поля. Сила светового давления направлена в сторону распространения волны. Объяснение давления света с точки зрения квантовой теории: фотоны имеют массу, обладают импульсом, который передают телу. По закону сохранения импульса, импульс тела равен импульсу поглощенных фотонов. Покоящееся тело приходит в движение, импульс тела изменяется, следовательно, на тело действует сила. Световое давление играет большую роль во внутризвездных процессах.

7. Применение фотоэффекта:

• озвучивание кино;
• передача движущихся изображений;
• станки и машины с программным управлением;
• осуществление контроля качества изделий;
• включение и выключение механизмов, освещения и т.д.

Заполнение таблицы учащимися

8. Химическое действие света. Фотография.

Химическое действие света проявляется в поглощении молекулами видимого и ультрафиолетового излучений и расщеплении этих молекул (выцветание тканей на солнце и образование загара).

Важнейшие химические реакции под действием света происходят в зеленых листьях и траве. Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на кислород и углерод. Как установил русский биолог К.А.Тимирязев, это происходит в молекулах хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра. Этот процесс называют фотосинтезом. Химическое действие света лежит в основе фотографии.

Задача 1: фотосинтез в зеленых листьях растений интенсивно происходит при поглощении красного света длиной волны 0,68 мкм. Вычислите энергию соответствующих фотонов, объясните зеленый цвет листьев (2,9 * 10 -19 Дж).

Задача 2: для уничтожения микробов в операционном помещении используют бактерицидные лампы. Вычислить энергию кванта излучения такой лампы, если длина его волны 0,25 мкм. Почему видимый свет не оказывает бактерицидного действия? (8 * 10 -19 Дж).

9. Единство волновых и квантовых свойств света.

Заполнить и проанализировать таблицу

Как изменяются энергия, масса и импульс фотонов при уменьшении длины волны?

В каких излучениях и почему заметнее проявляются волновые свойства? квантовые свойства?

Вывод: чем меньше длина волны (больше частота), тем больше энергия и импульс фотона и тем сильнее выраженные квантовые свойства света. При увеличении длины волны наиболее ярко проявляются волновые свойства. Свет обладает дуализмом (двойственностью свойств): при распространении проявляются его волновые свойства, а при излучении и поглощении (т.е. при взаимодействии с веществом) – корпускулярные (квантовые) свойства.