Лекция 9. Фотоны. Давление света.

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:

E =h или E = = (9.1)

где h – Постоянная Планка.

 

Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как

E = m (9.2)

 

Отсюда - масса фотона:

m= (9.3)

Импульс фотона:

P = mc = (9.4)

 

Импульс фотона направлен по световому пучку.

Как известно, поток частиц, сталкивающихся с поверхностью тела, оказывает на него давление. По аналогии с этим поток света, т.е. поток фотонов, падающих на тело, должен создавать давление. Впервые давление света было измерено российским физиком П.Н. Лебедевым с помощью крутильных весов.

Опыт. 9.1 Измерение Давление света с помощью крутильных весов.

Схема установки и её описание:

 

.

Рис 9. 1 Схема крутильных весов, использованных П.Н. Лебедевым для измерения давления света. Н – серебряная нить, С – стержень с укреплёнными на нём дисками-крылышками (К).

Ход работы:

В стеклянном сосуде, в котором создавали вакуум, на серебряной нити (Н) подвешивали тонкий стержень (С) с закрепленными на нём белыми и чёрными тонкими дисками-крылышками (К) толщиной 0,1 – 0,01 мм и диаметром 5 мм, сделанными из металла или слюды. Так как давление света на белые диски больше, чем на чёрные, то крутильные весы поворачивались, и по их углу поворота можно было судить о величине этого давления. Давление света в солнечный день составляет около 4^.10^-6 Па, что согласуется с величиной, которую можно вывести, исходя из теории электромагнитного поля Максвелла.

Вывод: Вычислив давление света в солнечный день, напрашивается вывод, что давление света в солнечный день составляет около 4^.10^-6 Па, что согласуется с величиной, которую можно вывести, исходя из теории электромагнитного поля Максвелла.

Пусть свет падает перпендикулярно на зеркальную поверхность тела, полностью отражающую фотоны. При отражении модуль импульса фотона сохраняется, а направление его вектора изменяется на противоположное. Поэтому при отражении фотон передает зеркальной поверхности импульс, равный 2 h / c. Если на 1 м² зеркальной поверхности перпендикулярно ей в течение 1 с падает n фотонов, то оказываемое этим потоком света давление составит 2nh / c.

Если свет, падающий на поверхность тела, не отражается от него (абсолютно чёрное тело), то в результате неупругого соударения фотон отдаёт весь свой импульс телу. Поэтому давление потока света, перпендикулярно падающего на поверхность абсолютно чёрного тела, будет равно nh / c, т.е. в два раза меньше, чем его давление на зеркальную поверхность

Приходим к выводу, что если свет, падающий на поверхность не отражается от него, то давление потока света, перпендикулярно падающего на поверхность абсолютно чёрного тела будет в два раза меньше, чем его давление на зеркальную поверхность.

Лекция 10. Фотоэффект.

10.1 Явление фотоэффект.

10.2 Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

10.3 Законы внешнего фотоэффекта.

Явление фотоэффекта.

Опыт 10.1.Фотоэффект.

Рис 10. 1

Оборудование:

1. Электрометр

2. Свеча

3. Эбонитовая палочка.

Ход работы:

Поднесём палочку к электрометру, палочка заряжена. Поднесём палочку к свече, а потом к электрометру, палочка нейтральна. Направим на цинковую пластинку электрометра поток ультрафиолетовых лучей. Рассмотрим два случая:

1. заряжаем электрометр отрицательно при освещении пластинки ультрафиолетовыми лучами. Видим, что наблюдается нейтрализация заряда.

2. заряжаем положительно направляем поток ультрафиолетовых лучей на пластинку разряд электрометра. Видим, почти не наблюдается

Вывод: результаты опытов позволяют предположить, что ультрафиолетовые лучи выбивают электроны из заряженной пластины Явление вырывания электронов ультрафиолетовым светом называется внешним фотоэффектом.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Фотоэффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества. Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны -фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.