А) Передумови квантової теорії

ПП.05.05.01 Квантові властивості електромагнітного випромінювання

Тема 1. Квантові властивості випромінювання.

1. Короткий історичний огляд розвитку квантової механіки.

2. Фотоелектричний ефект. Дослідження О.Г.Столєтова.

3. Квантова теорія фотоефекту.

4. Фотоелементи та їх застосування.

Короткий історичний огляд розвитку квантової механіки.

1⁰. Квантова теорія

а) Передумови квантової теорії

У кінці XIX століття виявилася неспроможність спроб створити теорію випромінювання чорного тіла на основі законів класичної фізики. З законів класичної фізики випливало, що речовина має випромінювати електромагнітні хвилі при будь-якій температурі, втрачати енергію і знижувати температуру до абсолютного нуля. Іншими словами. теплова рівновага між речовиною і випромінюванням було неможливо. Але це перебувало в суперечності з повсякденним досвідом.

Більш детально це можна пояснити наступним чином. Існує поняття абсолютно чорного тіла - тіла, що поглинає електромагнітне випромінювання будь-якої довжини хвилі. Спектр його випромінювання визначається його температурою. У природі абсолютно чорних тіл немає. Найбільш точно абсолютно чорного тіла відповідає замкнуте непрозоре порожнє тіло з отвором. Будь-який шматок речовини при нагріванні світиться і при подальшому підвищенні температури стає спочатку червоним, а потім - білим. Колір від речовини майже не залежить, для абсолютно чорного тіла він визначається виключно його температурою. Уявімо таку замкнуту порожнину, яка підтримується при постійній температурі і яка містить матеріальні тіла, здатні випускати і поглинати випромінювання. Якщо температура цих тіл в початковий момент відрізнялася від температури порожнини, то з часом система (порожнина плюс тіла) буде прагнути до термодинамічної рівноваги, що характеризується рівновагою між поглинається і вимірюється в одиницю часу енергією. Г. Кірхгоф встановив, що цей стан рівноваги характеризується певним спектральним розподілом густини енергії випромінювання, укладеного в порожнині, а також те, що функція, що визначає спектральний розподіл (функція Кірхгофа), залежить від температури порожнини і не залежить ні від розмірів порожнини або її форм, ні від властивостей вміщених у неї матеріальних тіл. Так як функція Кірхгофа універсальна, тобто однакова для будь-якого чорного тіла, то виникло припущення, що її вигляд визначається якимись положеннями термодинаміки та електродинаміки. Проте спроби такого роду виявилися неспроможними. Із закону Д. Релея випливало, що спектральна щільність енергії випромінювання повинна монотонно зростати зі збільшенням частоти, але експеримент свідчив про інше: спочатку спектральна щільність зі збільшенням частоти зростала, а потім падала. Рішення проблеми випромінювання чорного тіла вимагало принципово нового підходу. Він був знайдений М.Планком.

Планк у 1900 р. сформулював постулат, згідно з яким речовина може випускати енергію випромінювання лише кінцевими порціями, пропорційними частоті цього випромінювання. Дана концепція призвела до зміни традиційних положень, що лежать в основі класичної фізики. Існування дискретності дії вказувало на взаємозв'язок між локалізацією об'єкта в просторі та часі і його динамічним станом. Л. де Бройль підкреслював, що "з точки зору класичної фізики цей зв'язок можна вважати цілком незрозумілою і набагато більш незрозумілою за наслідками, до яких вона призводить, ніж зв'язок між просторовими змінними і часом, встановлена теорією відносності." Квантової концепції в розвитку фізики було призначено зіграти величезну роль.

Наступним кроком у розвитку квантової концепції було розширення А. Ейнштейном гіпотези Планка, що дозволило йому пояснити закономірності фотоефекту, не вкладаються в рамки класичної теорії. Сутність фотоефекту полягає в випущенні речовиною швидких електронів під дією електромагнітного випромінювання. Енергія що випускаються електронів при цьому від інтенсивності поглинається випромінювання не залежить і визначається його частотою і властивостями даної речовини, але від інтенсивності випромінювання залежить число випускаються електронів. Дати пояснення механізму звільняються електронів не вдавалося, оскільки відповідно до хвильової теорії світлова хвиля, падаючи на електрон, безперервно передає йому енергію, причому її кількість в одиницю часу має бути пропорційно інтенсивності хвилі, що падає на нього. Ейнштейн у 1905 році висловив припущення про те, що фотоефект свідчить про дискретно будову світла, тобто про те, що випромінювана електромагнітна енергія поширюється і поглинається подібно частинці (названої потім фотоном). Інтенсивність падаючого світла при цьому визначається числом світлових квантів, що падають на один квадратний сантиметр освітлюваної площини в секунду. Звідси число фотонів, які випускаються одиницею поверхні в одиницю часу повинно бути пропорційно інтенсивності освітлення. Багаторазові досліди підтвердили це пояснення Ейнштейна, причому не тільки зі світлом, але і з рентгенівськими та гамма-променями. Ефект А. Комптона, виявлений в 1923 році, дав нові докази існування фотонів - було виявлено пружне розсіяння електромагнітного випромінювання малих довжин хвиль (рентгенівського та гамма-випромінювання) на вільних електронах, яке супроводжується збільшенням довжини хвилі. Відповідно до класичної теорії, при такому розсіянні довжина хвилі не повинна змінюватися. Ефект Комптона підтвердив правильність квантових уявлень про електромагнітне випромінювання як про потік фотонів - він може розглядатися як пружне зіткнення фотона і електрона, при якому фотон передає електрону частину своєї енергії, а тому його частота зменшується, а довжина хвилі збільшується.

З'явилися і інші підтвердження фотонної концепції. Особливо плідною виявилася теорія атома Н. Бора (1913 р.), що виявила зв'язок будови матерії з існуванням квантів і встановила, що енергія внутрішньоатомних рухів може мінятися також лише стрибкоподібно. Таким чином, визнання дискретної природи світла відбулося. Але ж по суті своїй це було відродження відкинутої раніше корпускулярної концепції світла. Тому цілком природно виникли проблеми: як поєднати дискретність структури світла з хвильової теорії (тим більше, що хвильова теорія світла підтверджувалася цілим рядом експериментів), як поєднати існування кванта світла з явищем інтерференції, як явища інтерференції пояснити з позиції квантової концепції? Таким чином, виникла потреба в концепції, яка пов'язувала б корпускулярний і хвильової аспекти випромінювання.

Поиск по сайту: