Застосування фотоефекту.

Зовнішній фотоефект — випускання електронів із поверхні металів під дією світла. Прилади, в основі принципу дії яких лежить явище фотоефекту, називаються фотоелементами. У фотоелементах енергія світла керує енергією електричного струму або перетворюється на неї.

Переваги фотоелементів: безінерційність, фотострум пропорційний світловому потоку.

Недоліки фотоелементів: слабкий струм, мала чутливість до довгохвильового випромінювання, складність у виготовленні, не використовуються в колах змінного струму.

Застосування зовнішнього фотоефекту в техніці:

а)кіно (відтворення звуку) й телебачення;

б)фототелеграф, фототелефон;

в)фотометрія (вимірювання сили світла, яскравості, освітленості);

г)керування виробничими процесами.

Внутрішній фотоефект — зміна концентрації носіїв струму в речовині та як наслідок зміна електропровідності даної речовини під дією світла. Це явище використовується у фоторезисторах — приладах, опір яких залежить від освітленості. Крім того, сконструйовані напівпровідникові, фотоелементи, які створюють ЕРС і безпосередньо перетворюють енергію випромінювання на енергію електричного струму.

Застосування внутрішнього фотоефекту в техніці:

а)при автоматичному керуванні електричними колами;

б)у колах змінного струму;

в)у фотоекспонометрах;

г)у сонячних батареях;

д)при оптичному запису і відтворенні звуку.

4.Тиск світла

1. Пояснення тиску світла з погляду електромагнітної теорії.

Припущення про існування світлового тиску було висловлене ще Дж. Кеплером, Максвелл, виходячи з хвильової теорії, пояснив природу світлового тиску та обчислив його величину. З точки зору електромагнітної теорії це явище пояснюється так: під час падіння електромагнітної хвилі на метал під дією електричної складової ( ) електрони металу будуть рухатися в напрямі, протилежному векторові . Магнітна складова електромагнітного поля ( ) діє на електрони, що рухаються, з силою Лоренца в напрямі, перпендикулярному до поверхні металу, тобто тисне на його поверхню. Це і є причиною світлового тиску.

2.Пояснення тиску світла з погляду квантової теорії світла.

Під час пояснення тиску світла з погляду квантової теорії звертаємо увагу учнів на те, що фотони, потрапляючи на поверхню тіла, або поглинаються, передаючи імпульс речовині, або відбиваються, змінюючи свій імпульс на величину . Отже, тіло, яке поглинає світло, дістає імпульс сили + , а тіло, яке цілком відбиває світло, — імпульс +2 . Отже, потік випромінювання під час нормального падіння на ділянку S буде тиснути на неї з силою F, яка дорівнює добуткові або2 на число фотонів N, які падають на тіло за одну секунду.

Для поглинаючого тіла і .

Для відбиваючого тіла і .

3. Досліди П. М. Лебедєва. Передвіщене Дж. Максвеллом існування світлового тиску було експериментально підтверджене П. М. Лебедєвим, який 1900 року виміряв тиск світла на тверді тіла, використовуючи чутливі крутильні ваги. Теорія й експеримент збіглися. Досліди Лебедєва — експериментальний доказ на підтвердження факту: фотони мають імпульс. Слід розповісти про видатну роль П. М. Лебедєва в розвитку вітчизняної та світової науки. Його роботи мають фундаментальне значення для сучасної науки. Використання таблиці й відеофільму допомагає пояснити схема будови й принцип дії установки, за допомогою якої П. М. Лебедєву вдалося вперше здійснити вимірювання світлового тиску спочатку на тверді тіла, а потім і на гази.

Закінчуємо урок розповіддю про виявлення тиску світла в природі, показуємо кадри, що зображують хвости комет, і даємо пояснення їхнього походження.

5.Хімічна дія світла.

1. Хімічна дія світла як один із проявів взаємодії світла та речовини.Фотохімічна реакція — розривання електронних зв'язків у молекулі речовини під час поглинання нею фотона, тобто поділ її на атоми під дією світла.

Наприклад, С1₂ +hv → Сl + Сl — початкова реакція розкладання молекули хлору на два атоми. Потім ідуть вторинні хімічні реакції, та відбувається ланцюгова хімічна реакція:

Сl + Н₂ → НСl + Н , Н + Сl₂ → НСl + Н і т. д.

Виходячи з фотонної структури світла, А. Ейнштейн сформулював два закони фотохімії:

1) кожний поглинений речовиною фотон викликає перетворення однієї молекули;

2) молекула вступає у фотохімічну реакцію під дією фотона лише в тому випадку, коли енергія фотона не менша за певне значення, необхідне для розриву молекулярних зв'язків (енергія активації).

2. Фотосинтез. Процес утворення під дією світла органічних речовин із неорганічних на основі Карбону дістав назву фотосинтезу.

Вуглекислий газ із повітря потрапляє в зелені листки рослин. Тут під дією світла вуглекислий газ вступає в хімічну реакцію з водою. У результаті складних процесів у рослині утворюються органічні речовини. При цьому виділяється молекулярний кисень О₂. Початковий і кінцевий етапи цього процесу записуються в такий спосіб: СО₂ + hv → CO₂^*, n CO₂^* + nН₂О → (СН₂О)_n + nO₂.

Для глюкози, наприклад, п =6 . Зірочка при CO₂ означає, що молекула вуглекислого газу, поглинувши фотон, перетворилася на активовану молекулу.

3. Фотографія. Процес одержання фотознімка складається з чотирьох операцій: фотозйомки, проявлення фотоплівки, її закріплення (фіксування) та фотодруку.

Фотозйомка— одержання дійсного зображення об'єкта у світлочутливому шарі (емульсії) фотоплівки. Фотоемульсія: желатин і дрібні зерна AgBr. Квант енергії hv відриває електрони від деяких іонів Брому, що захоплюються іонами Аргентуму. У зернах AgBr утворюються нейтральні атоми, кількість яких пропорційна освітленості плівки. Ці атоми створюють приховане зображення об'єкта зйомки.

Проявлення фотоплівки полягає ось у чому: проявник (гідрохінон або метон) відновлює бромисте срібло до вільного металевого срібла.

У процесі закріплення в розчині натрій тіосульфату Nа₂S₂O₃ відбувається видалення з фотошару всіх світлочутливих зерен солей Аргентуму, що не встигли розкластися. Закріплення завершується промиванням плівки у воді.

Фотодрук — перенесення зображення з фотоплівки на світлочутливий фотопапір. Негативне зображення з фотоплівки проектується на фотопапір, де утворюється приховане позитивне зображення. Потім цей фотопапір із зображенням проявляють, фіксують, промивають, сушать і одержують фотографію об'єкта.

6. Люмінесценція

Люмінесценція – особливий вид світіння речовин без підвищення температури – відома ще з глибокої старовини. Однак пройшло багато століть, перш ніж людині вдалось цілком розкрити її природу.

Наукову розробку цього питання починають В. В. Петров, Стоці, Беккерель.
Термін "люмінесценція" і класифікацію типів світіння вперше запропонував німецький фізик Відеманн. Однак його визначення було неповним.

Отже, люмінесценцією називають світіння атомів чи молекул, яке виникає в результаті електронного переходу в частинках речовини при їх переході із збудженого стану в не збуджений.

Класифікують явища люмінесценції за часом та методом збудження. За часом післясвітіння розрізняють два типи люмінесценції – флуоресценцію – світіння яке миттєво зникає після припинення дії джерела збудження і фосфоресценцію, світіння, продовжується певний проміжок часу.

В залежності від методу збудження розрізняють:

фотолюмінесценцію – свічення, яке виникає при поглинанні світлової енергії; катодолюмінесценцію – основану на свіченні речовин при поглинанні катодних променів (електронів);

хемілюмінесценцію – свічення, яке виникає при протіканні хімічних реакцій.
Всі люмінесціюючі речовини мають загальну назву – люмінофори.

7.Квантові генератори та їх застосування.

У 1954 р. російські вчені М. Г. Басов і О. М. Прохоров та незалежно від них у 1955 р. американський фізик Ч. Таунс створили перший квантовий підсилювач електромагнітного випромінювання в діапазоні радіохвиль так званий мазер.

У 1964 р. вони були удостоєні Нобелівської премії за фундаментальні праці в галузі квантової електроніки. У 1960 р. американський фізик Т. Мейман створив на кристалі рубіна перший квантовий генератор оптичного діапазону, названий лазером.

Рубіновий лазер складається з кристала рубіна (оксид Алюмінію АІ₂О₃ з домішками Хрому), виготовленого у формі стрижня 1 з плоскопаралельними торцями 2 (мал. 7.12).

Лазер — абревіатура слів англійського виразу «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання)

За допомогою лазерів можна досягати інтенсивності короткочасних імпульсів 10^{14 Вт}см² , що перевищує інтенсивність випромінювання Сонця в 10¹⁰ разів

Лазерне випромінювання характеризується певними властивостями, які вирізняють його серед інших джерел світла. Насамперед це вузькоспрямоване проміння з малим кутом розходження (до 10^-5рад). Внаслідок цього можлива точна локалізація променя і його вибіркова дія на атоми, іони, молекули, яка викликає фотохімічні реакції, фотодисоціацію та інші фотоелектричні явища. Ця його властивість використовується в лазерній хімії, технологіях запису інформації на лазерних дисках, лікуванні зору тощо.

Вийняткова монохроматичність і когерентність лазерного випромінювання дає змогу використовувати його в побудові стандартів частоти, спектроскопії, голографії, волоконній оптиці, в астрофізичних дослідженнях небесних тіл, тощо. Наприклад, за допомогою лазерної локації вдалося уточнити параметри руху Місяця і Венери, швидкість обертання Меркурія, наявність атмосфер у планет.

Висока сконцентрованість енергії лазерного променя дає змогу досягти значної інтенсивності випромінювання, надвисоких температур і тисків. Це використовують у зварюванні і плавленні металів, для одержання надчистих матеріалів, у лазерній хірургії, під час термоядерного синтезу тощо.

Залежно від активної речовини лазери бувають газові, рідинні, напівпровідникові та твердотілі.

З появою лазерів започатковані такі нові розділи фізики, як нелінійна оптика і голографія.

Приклади розв’язування задач

Задача 1. Скільки фотонів випромінюється за 1с лампою розжарювання, корисна потужність якої становить 60Вт, якщо середня довжина електромагнітних хвиль 662 нм?

Обрахувавши, отримаємо: .Відповідь: n = 2·10²⁰.

Задача 2. Червона межа фотоефекту для цезію дорівнює 653нм. Яку мінімальну напругу треба прикласти між катодом і анодом фотоелемента для припинення струму, якщо катод опромінюється світлом з довжиною хвилі 500нм?

Відповідь: U =0,58 В.

Задача 3. Тиск монохроматичного світла з довжиною хвилі l =0,6 мкм на чорну поверхню дорівнює 10^-7 Н/м². Скільки фотонів падає щосекунди на 1м² поверхні?

Отже,

Звідси: .

Відповідь: n = 9,05·10¹⁹с^-1.

Задача 4. Довжина хвилі електромагнітного випромінювання дорівнює 300 нм . За якої швидкості руху електрона його кінетична енергія дорівнює енергії фотона цього випромінювання ?

Розв’язання.

λ = 300 нм = 3·10-7 м Wк= εф me = 9,1·10-31 кг	Кінетична енергія електрона визначається формулою . Енергія фотона визначається формулою .
v – ?	Cтала Планка: h = 6,62ּ10-34 Джּс; швидкість світла в вакуумі: с = 3ּ108 м/с.

За умовою .

Перевіримо одиницю шуканої величини (швидкість):

Розрахуємо чисельне значення швидкості:

;

v = 1,2ּ10⁶ = 1,2 Мм/с.

Чисельне значення швидкості є цілком вірогідним, не суперечить фізичному змісту.

Відповідь: v = 1,2 Мм/с

Задача 5.Визначити максимальну швидкість υ_max фотоелектронів, які вириваються з поверхні срібла: 1) ультрафіолетовими променями з довжиною хвилі l₁ = 0,155 мкм; 2) g-променями з довжиною хвилі l₂ = 1 пм.

Розв’язок. Максимальну швидкість фотоелектронів можна визначити з рівняння Ейнштейна для фотоефекта e = А + Т_max, (1)

де e – енергія фотонів, які падають на поверхню металу;

А – робота виходу;

Т_max, - максимальна кінетична енергія фотоелектронів.

Енергія фотона обчислюється також за формулою e = hc / l, (2)

де h – постійна Планка;

с – швидкість світла у вакуумі;

l – довжина хвилі.

Кінетична енергія електрона може бути виражена або класичною формулою (3)

або релятивістською , (4)

в залежності від того, яка швидкість надається фотоелектрону. Швидкість фотоелектрона залежить від енергії фотона, який спричиняє фотоефект: якщо енергія e фотона набагато менша за енергію спокою Е₀ електрона, то можна застосувати формулу (3), якщо ж e зрівнянна за величиною з Е₀, то обчислення за формулою (3) приведе до помилки, тому треба скористатися формулою (4).

1.Обчислимо енергію фотона ультрафіолетових променів за формулою (2):

або

Одержана енергія фотона (8 еВ) набагато менша за енергію спокою електрона (0,51 МеВ). Отже, для даного випадку кінетична енергія фотоелектрона у формулі (1) може бути виражена класичною формулою (3):

звідки (5)

Випишемо числові значення величин: e₁ = 1,28 × 10^-18 Дж (обчислено вище), А = 4,7 еВ = 4,7 × 1,6 × 10^-19 Дж = 0,75 × 10^-18 Дж , m₀ = 9,11 × 10^-31 кг.

Підставивши числові значення у формулу (5) знайдемо

2. Обчислимо енергію фотона g-променів:

або

Робота виходу електрона (А = 4,7 еВ) мала у порівнянні з енергією фотона

(e₂ = 1,24 МеВ), тому можна прийняти що максимальна кінетична енергія електрона дорівнює енергії фотона: Т_max = e₂ = 1,24 МеВ. Так як у даному випадку кінетична енергія електрона більша його енергії спокою, то для обчислення швидкості електрона слід взяти релятивістську формулу кінетичної енергії (4). З цієї формули знайдемо

Помітивши, що υ = cb i T_max = e₂ одержимо

Підставимо числові значення величин і обчислимо:

Тема 3.Спеціальна теорія відносності.

1. Принцип відносності Галілея. На початку уроку необхідно на конкретних прикладах звернути увагу учнів на відносність деяких понять: «праве» й «ліве»; «верх» і «низ»; «одночасність двох подій».

Корисним буде фрагментарний перегляд відеофільму «Системи відліку» . Аналіз кожного фрагмента при цьому необхідно доповнити інформацією про особливості та межі застосовності класичної механіки.

На підставі викладеного, вище можна нагадати учням принцип відносності Галілея (або класичної фізики), який стверджує, що закони механіки залишаються незмінними в усіх інерціальних системах відліку: ніякими механічними дослідами всередині системи неможливо встановити, перебуває інерціальна система у спокої чи рухається рівномірно й прямолінійно.

Звідси випливає, що закони Ньютона мають один і той самий вигляд у всіх інерціальних системах відліку. При цьому якщо тіло рухається відносно інерціальної системи зі швидкістю , а сама система рухається зі швидкістю й відносно нерухомої системи, то швидкість тіла відносно нерухомої системи відліку дорівнює: .

Це співвідношення називається законом додавання швидкостей Галілея (або класичним законом додавання швидкостей).

2.Передумови теорії відносності. Принцип відносності класичної фізики правильно описує звичайні механічні явища, але є незастосовним до електромагнітних явищ.

Досліди Майкельсона — Морлі. Свого часу, скориставшись аналогією між явищами поширення звуку й світла, фізики ввели поняття спеціального середовища, так званого «ефіру», в якому світло поширюється у такий самий спосіб, як і звук у повітрі . Подібно до того, як у системі відліку, що рухається відносно повітря, виникає вітер, під час руху відносно ефіру має бути виявлений «ефірний вітер» .

Дослід із виявлення «ефірного вітру» був поставлений 1881 року американськими вченими А. Майкельсоном та Е. Морлі. У цьому досліді порівнювалися швидкості світла в напрямі руху Землі та в перпендикулярному напрямі. Експерименти було поставлено в різний час доби та в різні пори року, але з незмінне негативним результатом: рух Землі відносно ефіру виявити не вдалося. Цей дослід мав вирішальне значення для теорії відносності й образно охарактеризований як найбільший із усіх негативних результатів в історії науки.

3. Постулати теорії відносності. Щоб правильно пояснити досліди А. Майкельсона й Е. Морлі, необхідно було відмовитися від звичних уявлень про простір і час. А. Ейнштейн стверджував, що законом природи є повна рівноправність усіх інерціальних систем відліку відносно не тільки механічних, а й електромагнітних процесів. Немає ніякої різниці між станом спокою та рівномірним прямолінійним рухом. Принцип відносності — головний постулат теорії Ейнштейна.

Перший постулат Ейнштейна: усі явища природи в усіх іперціальних системах відліку (ІСВ) проходять однаковим чином і описуються однаковими рівняннями.

Другий постулат затверджує сталість швидкості світла в усіх ІСВ: швидкість світла у вакуумі — величина абсолютна, інваріантна відносно всіх ІСВ, не залежить від швидкості руху джерела чи приймача сигналу.

4. Релятивістський закон додавання швидкостей.Як узгодити твердження про незалежність швидкості світла від руху джерела з алгебраїчним додаванням звичайних швидкостей у механіці? Ейнштейн показав, що звичайна формула механіки для додавання швидкостей неправильна й має змінитися. Релятивістський закон додавання швидкостей має вигляд

.

При ця формула переходить у відому формулу перетворення Галілея для швидкості. Дійсно, при і .

Якщо одна зі швидкостей дорівнює швидкості світла, наприклад , то

.

Цей результат демонструє той факт, що рух системи відліку не впливає на швидкість поширення в ній світла. Величина с відіграє роль гранично великої швидкості для будь-яких тіл або матеріальних сигналів.

4. Відносність довжини тіла та проміжків часу.

На основі декількох довільних припущень, які згодом було замінено постулатами Ейнштейна, Лоренц порахував, що довжина провідника в рухомої системі відліку l=l_{0 ,}де с — швидкість світла.

Нехай інтервал часу між двома подіями в інерціальній системі) К дорівнює t₀ . Тоді інтервал t між цими подіями в системі відліку К', яка рухається зі швидкістю υ, виражається так:

.

У системі відліку, відносно якої _tгодинник рухається, час (інтервал часу) більший, ніж у тій, де він нерухомий.

5. Залежність маси від швидкості.

У механіці Ньютона припускалося, що маса тіла має одне й те саме значення в різних ІСВ. Розглянемо, як буде рухатися за цього припущення тіло під дією сталої сили. Нехай при t₀ =0 , початкова швидкість υ_о = 0, тоді основний закон динаміки набуде вигляду: , звідки . За припущення про сталість сили й маси швидкість тіла прямо пропорційна часу дії сили. А це означає, що у разі достатньо тривалого впливу сталої сили на тіло швидкість його руху зростає необмежене. Цей результат протирічить теорії відносності.

Таким чином, нам варто перетворити основний закон динаміки так, щоб висновки з нього узгоджувалися з висновками теорії відносності. Для цього необхідно вважати, що маса тіла різна в різних системах відліку:

, де т₀ — маса спокою.

6. Взаємозв'язок маси й енергії.

За допомогою теорії відносності Ейнштейн установив чудову за своєю простотою й узагальненістю формулу зв'язку між енергією й масою:

.

Зцієї формули випливає, що тіло має енергію й за швидкості, яка дорівнює нулю. Це енергія спокою: Е₀=m₀c².

Ця формула приводить до приголомшуючого висновку: в тілах навіть дуже малої маси прихована колосальна енергія.

Справді, маса 1 г пов'язана з енергією:

E = 1г·(3·10⁸м/с)²= 10^-3 кг·9·10¹⁶м²/с² = 9·10¹³ Дж.

Легко підрахувати, що для виділення такої ж кількості енергії потрібно спалити, наприклад, 2·10⁶ кг бензину.

Всякій зміні енергії в будь-якому процесі відповідає певна зміна маси:

.

Релятивістська механіка

Сучасну фізику поділяють на такі три розділи:

1. класичну механіку (вивчає рухи макротіл і мікротіл з малими швидкостями);

2. релятивістську механіку (вивчає рух макротіл з великими швидкостями);

3. квантову механіку (вивчає рух мікротіл з великими швидкостями).

Теорія відносності А. Ейнштейна - одна з основ сучасної фізики, яка вивчає взаємозв'язок властивостей простору і часу (просторових і часових характеристик матерії) у гравітаційному полі і якщо його немає. Її поділяють на загальну теорію відносності простору і часу та спеціальну теорію відносності, без врахування гравітаційного поля.

Теорія відносності заперечує існування введених ще в XVII ст. Ньютоном понять абсолютного простору і часу, які ні з чим не взаємодіють і є змінними. Ейнштейн розширив принцип відносності про тотожність механічних явищ в інерціальних системах на всю фізику, тобто, що всі фізичні явища - магнітні, електричні, атомно-ядерні - однаково відбуваються в будь-якій ІСВ.Це твердження називають принципом відносності Ейнштейна. Він лежить в основі теорії відносності; де його називають першим постулатом теорії відносності.

Спираючись на безліч дослідів, проведених в різний час різними вченими, Ейнштейн сформулював другий постулат теорії відносності: швидкість світла у вакуумі є однаковою в усіх інерціальних системах і не залежить ні від швидкості джерела, ні від швидкості приймача.

Швидкість світла у вакуумі виявилась граничнодопустимою для будь-якого матеріального тіла, а це означає, що ніяке матеріальне тіло не може рухатись зі швидкістю, більшою за швидкість світла у вакуумі.

Теорія відносності та її постулати повністю змінили погляди на характеристики простору і часу. Були сформульовані основні висновки теорії відносності:

1) явища, які є одночасними в одній системі відліку, можуть виявитись неодночасними в іншій;

2) довжина тіла, час і маса залежать від швидкості тіла.

Розглянемо ще один висновок теорії відносності, який на разі, можливо, викликає найбільший інтерес: зв'язок між масою і енергією. Між енергією і масою є зв'язок, що випливає із закону збереження енергії і того факту, що маса тіла залежить від швидкості його руху.

Із часом Ейнштейн зробив важливий висновок: тіло має величезну енергію завдяки тому, що воно має масу. Зв'язок між масою і енергією згідно з теорією відносності визначають за формулою

E = mc²

Для розв'язування задач важливо пам'ятати формулу для визначення кінетичної енергії:

E_k = E –E₀

Положення теорії відносності і формули підтверджуються точно встановленими експериментами. Більшість з нведених формул перетворюються у звичні співвідношення механіки Ньютона, якщо швидкість світла в них вважати нескінченно великою. Тому механіка Ньютона - це наближений варіант спеціальної теорії відносності для руху з невеликими порівняно зі швидкостю світла швидкостями.

Фізику великих швидкостей називають релятивістською.

Рекомендована література

1. Сиротюк В.Д. Фізика; підручник для 11 класів загальноосвітніх навчальних закладів (рівень стандарту), 2010

2. Дмитрієва В.Ф. Фізика. Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів 1-2 рівнів акредитації, 2008

3. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. – К.: Высшая школа, 1983

5.Сборник задач и вопросов по физике для средних специальных учебных заведений ( под редакцией Р.А.Гладковой), 1988

6. Кирик Л.А. Фізика 11 клас. Запитання , задачі, тести (рівень стандарту), 2010

7. Кирик Л.А. Фізика 11 клас. Різнорівневі самостійні та тематичні контрольні роботи (рівень стандарту), 2010

8. Збірник різнорівневих завдань для державної підсумкової атестації з фізики