Фотоны. Физика. 11 класс.

Комментарии преподавателя

Кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­вой ду­а­лизм. Фо­то­ны

За­ко­ны фо­то­эф­фек­та Сто­ле­то­ва и урав­не­ние Эйн­штей­на для фо­то­эф­фек­та не остав­ля­ли со­мне­ний в пре­ры­ви­стом ха­рак­те­ре из­лу­че­ния и по­гло­ще­ния света ве­ще­ством.

При ис­пус­ка­нии и по­гло­ще­нии свет ведет себя по­доб­но по­то­ку ча­стиц с энер­ги­ей E=h*ϑ. Пор­ция света ока­за­лась очень по­хо­жей на ча­сти­цу.

Свой­ства света, об­на­ру­жен­ные при из­лу­че­нии и по­гло­ще­нии, – кор­пус­ку­ляр­ные.

све­то­вая ча­сти­ца = фотон = квант элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (Рис. 1)

Рис. 1

Со­глас­но тео­рии от­но­си­тель­но­сти, энер­гия все­гда свя­за­на с мас­сой со­от­но­ше­ни­ем (Рис. 2):

Рис. 2

где m – масса фо­то­на

Фотон лишен массы покоя, то есть он не су­ще­ству­ет в со­сто­я­нии покоя и при рож­де­нии сразу имеет ско­рость света.

Масса дви­жу­ще­го­ся фо­то­на (Рис. 3):

Рис. 3

По из­вест­ной массе и ско­ро­сти фо­то­на можно найти его им­пульс (Рис. 4):

Рис. 4

Через длину волны, им­пульс фо­то­на (Рис. 5):

Рис. 5

Им­пульс фо­то­на на­прав­лен по све­то­во­му лучу.

В со­вре­мен­ной фи­зи­ке фотон рас­смат­ри­ва­ет­ся как одна из эле­мен­тар­ных ча­стиц. Чем боль­ше ча­сто­та, тем боль­ше энер­гия и им­пульс фо­то­на, тем от­чет­ли­вее вы­ра­же­ны кор­пус­ку­ляр­ные свой­ства света.

Энер­гия фо­то­нов ви­ди­мо­го из­лу­че­ния очень незна­чи­тель­на. На­при­мер, фо­то­ны, со­от­вет­ству­ю­щие зе­ле­но­му цвету, об­ла­да­ют энер­ги­ей E=4*10-19 Дж.

Сер­гей Ива­но­вич Ва­ви­лов уста­но­вил, что че­ло­ве­че­ский глаз – это тон­чай­ший из при­бо­ров, он спо­со­бен ре­а­ги­ро­вать на раз­ли­чия осве­щен­но­сти, из­ме­ря­е­мые еди­нич­ны­ми кван­та­ми.

Уче­ные были вы­нуж­де­ны вве­сти пред­став­ле­ния о свете как о по­то­ке ча­стиц. Но ин­тер­фе­рен­ция и ди­фрак­ция света опре­де­лен­но го­во­рят о на­ли­чии у света вол­но­вых свойств.

Свет об­ла­да­ет ду­а­лиз­мом.

Ду­а­лизм – двой­ствен­ность свойств.

Встал во­прос о том, что, может быть, все эле­мен­тар­ные ча­сти­цы об­ла­да­ют не толь­ко кор­пус­ку­ляр­ны­ми свой­ства­ми, но и вол­но­вы­ми. Эту мысль вы­ска­зал фран­цуз­ский уче­ный Луи де Бройль.

Пред­по­ло­жив, что с рас­про­стра­не­ни­ем ча­стиц свя­за­но рас­про­стра­не­ние неко­то­рых волн, де Бройль сумел найти длину этих волн. Связь длины волны с им­пуль­сом ча­сти­цы ока­за­лась точно такой же, как и у фо­то­нов.

Длина волны де Брой­ля (Рис. 6):

Рис. 6

Пред­ска­зан­ные де Брой­лем вол­но­вые свой­ства ча­стиц впо­след­ствии были об­на­ру­же­ны экс­пе­ри­мен­таль­но.

На­блю­да­ет­ся ди­фрак­ция и ин­тер­фе­рен­ция элек­тро­нов и дру­гих ча­стиц. Кар­ти­на, ко­то­рая по­лу­ча­ет­ся при ди­фрак­ции и ин­тер­фе­рен­ции элек­тро­нов, пол­но­стью сов­па­да­ет с кар­ти­ной све­то­вых волн (Рис. 7).

Рис. 7

Ди­фрак­ция и ин­тер­фе­рен­ция элек­тро­нов и дру­гих ча­стиц на­блю­да­ет­ся на кри­стал­лах. Здесь мы видим кар­ти­ну, по­доб­ную той, что по­лу­ча­ет­ся при ди­фрак­ции рент­ге­нов­ских лучей (Рис. 8).

Рис. 8

Все эти свой­ства мик­ро­объ­ек­тов опи­сы­ва­ют­ся кван­то­вой ме­ха­ни­кой, так как ме­ха­ни­ка Нью­то­на в боль­шин­стве слу­ча­ев здесь ока­зы­ва­ет­ся непри­ме­ни­мой.

Кван­то­вая фи­зи­ка поз­во­ля­ет опре­де­лять раз­лич­ные ха­рак­те­ри­сти­ки эле­мен­тар­ных ча­стиц.

Рас­смот­рим несколь­ко задач.

За­да­ча №1

Опре­де­ли­те длину волны из­лу­че­ния, энер­гия фо­то­нов ко­то­ро­го равна энер­гии покоя элек­тро­на (Рис. 9).

m – масса элек­тро­на

c – ско­рость света

h – по­сто­ян­ная План­ка

λ – длина волны фо­то­на

Рис. 9

За­да­ча №2

Каков им­пульс фо­то­на, энер­гия ко­то­ро­го равна 3 эВ (Рис. 10)?

Рис. 10

За­да­ча №3

При какой ско­ро­сти элек­тро­ны будут иметь энер­гию, рав­ную энер­гии фо­то­нов уль­тра­фи­о­ле­то­во­го света с дли­ной волны 200 нм (Рис. 11)?

Рис. 11

Ответ: ско­рость элек­тро­на равна 1480 км/c.

Фо­то­ны – ча­сти­цы, ко­то­рые ис­пус­ка­ют­ся ис­точ­ни­ка­ми света.

За­да­ча №4

Опре­де­лить сред­нюю длину волны из­лу­че­ния, если ис­точ­ник света мощ­но­стью 100 Вт ис­пус­ка­ет 5*1020 фо­то­нов каж­дую се­кун­ду (Рис. 12).

Рис. 12

Ответ: длина волны из­лу­че­ния – 0,99 мкм.

В опы­тах Сер­гея Ива­но­ви­ча Ва­ви­ло­ва было уста­нов­ле­но, что че­ло­ве­че­ский глаз спо­со­бен ре­а­ги­ро­вать на раз­ли­чие осве­щен­но­стей, из­ме­ря­е­мое еди­нич­ны­ми фо­то­на­ми.

За­да­ча №5

Тре­ни­ро­ван­ный глаз, дли­тель­но на­хо­дя­щий­ся в тем­но­те, вос­при­ни­ма­ет свет с дли­ной волны 0,5 мкм при мощ­но­сти

2,1*10-17 Вт. Верх­ний пре­дел мощ­но­сти, вос­при­ни­ма­е­мый без­бо­лез­нен­но гла­зом, – 2*10-5 Вт. Сколь­ко фо­то­нов по­па­дет в каж­дом слу­чае на сет­чат­ку глаза за 1 с (Рис. 13–15)?

Рис. 13

Рис. 14

Рис. 15

К занятию прикреплен файл  «Это интересно!». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.
Использованные источники:

• http://interneturok.ru/ru/school/physics/11-klass/
• http://www.youtube.com/watch?v=n0CGE9fVLyk
• http://www.youtube.com/watch?v=Dd8riC5kp4g
• http://www.youtube.com/watch?v=yG28TDj4fKE
   

Файлы