КВАНТОВА ОПТИКА ( ПОЧАТОК)

УРОККВАНТОВА ОПТИКА.(ПОЧАТОК)(11 клас)КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122

КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122 СВІТЛО – ВИДИМА ЧАСТИНА ВИПРОМІНЮВАННЯ, ОДНОЧАСНО ПОТІК ЧАСТИНОК - ФОТОНІВ І ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ХВИЛЯ. Ньютон Ісаак (1643-1727)англійський фізик, основоположник корпускулярної теорії світла. Гюйгенс Христиан (1629-1695)нідерландський фізик,основоположник хвильової теорії света«Трактат про світло». Світло - електромагнітна хвиля1690 1704 «Оптика». Світло - потік частинок. Макс Планк (1858-1947)став основоположником дослідження світла як кванта енергії1900 Закон випромінювання абсолютно чорного тіла. Світло - кванти енергії1905 Альберт Ейнштейн (1874-1955) Світло поширюється у просторі як дискретні частки – фотонами. Світло поширюється у просторі як дискретні частки. Частки світла - фотони.

КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122 ОПТИКАГЕОМЕТРИЧНА (ПРОМЕНЕВА) ОПТИКАКонцепція: Світло — це промінь (лінія), вздовж якого поширюється енергія [1]. Коли працює: Коли розміри об'єктів (дзеркал, лінз) значно більші за довжину хвилі світла . Основні закони: Прямолінійне поширення, відбивання та заломлення . ХВИЛЬОВА ОПТИКАКонцепція: Світло — це електромагнітна хвиля. Коли працює: Коли розміри перешкод співрозмірні з довжиною хвилі світла. Властивості: Інтерференція (накладання хвиль), дифракція (огинання перешкод), поляризація . КВАНТОВА ОПТИКАКонцепція: Світло — це потік частинок, фотонів (квантів енергії). Коли працює: При взаємодії світла з речовиною на мікрорівні (атоми, електрони). Явища: Фотоефект, люмінесценція, тиск світла. ОПТИКА — це розділ фізики, що вивчає природу світла (електромагнітного випромінювання), його властивості, закони поширення, випромінювання та взаємодію з речовиною

КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122 ГИПОТЕЗА ПЛАНКАГІПОТЕЗА ПЛАНКА: енергія світла випромінюється та поглинається не безперервно, а окремими порціями — квантами. Відкриття М. Планка розпочалося у 1900 році з спроби вирішити проблему випромінювання «абсолютно чорного тіла», яку класична фізика не могла пояснити (так звана «ультрафіолетова катастрофа»). М. Планк припустив, що енергія випромінюється не безперервно, а окремими порціями — квантами, ввівши сталу h (стала Планка). АБСОЛЮТНО ЧОРНЕ ТІЛО (АЧТ) — це фізична ідеалізація, що повністю поглинає все електромагнітне випромінювання, яке падає на нього, незалежно від частоти та температури. Воно випромінює теплову енергію, спектр якої залежить виключно від його температури, а не від матеріалу𝑬=𝒉∙𝝂   або   𝑬=𝒉𝒄𝝀 де h=6,63∙10−34 Дж∙с (стала Планка)𝜈− частота хвилі𝜆−довжина хвиліс=𝟑∙𝟏𝟎𝟖 м с — швидкість світла ЕНЕРГІЯ ОДНОГО КВАНТА:

КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122 ФОТОНФОТОН — це фундаментальна елементарна частинка, що є квантом (найменшою неподільною частиною) електромагнітного випромінювання, зокрема світла. Основні характеристики фотона: Маса: Маса спокою фотона дорівнює нулю:  𝑚0=0 Маса рухаючого фотона:  𝑚 =h𝜈𝒄𝟐 Швидкість: Завжди рухається зі швидкістю світла у вакуумі : 𝑐=3∙108мсІмпульс : Імпульс фотона ?це величина, що характеризує механічну дію світла, пропорційна частоті випромінювання та обернено пропорційна довжині хвилі: 𝒑=𝒎𝒄=𝒉𝝂𝒄𝟐∙𝒄=𝒉𝝂𝒄=𝒉𝝀 Енергія: Визначається формулою : 𝑬=𝒎 ∙𝒄𝟐;  𝑬=𝒉∙𝝂;  𝑬=𝒉∙𝒄𝝀;  𝑬=𝒑∙𝒄, де 𝒉=𝟔,𝟔𝟑∙𝟏𝟎−𝟑𝟒 Дж∙с − стала Планка           𝝂− частота випромінювання           𝝀−довжина хвиліСпін: Фотон як безмасова частинка має лише дві проекції на напрямок руху: +1 та -1. Це відповідає правій та лівій круговій поляризації світла. Спін фотона дорівнює: 𝒔𝝓=𝟏. Заряд: Фотон є електронейтральним: 𝑞Φ=0.  

КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122 ФОТОНФОТОН — це елементарна частинка, квант електромагнітного випромінювання (світла), який не має маси спокою і рухається зі швидкістю світла. Його "життя" — це процес від випромінювання до поглинання. ОСНОВНІ ЕТАПИ ІСНУВАННЯ ФОТОНА: НАРОДЖЕННЯ (ВИНИКНЕННЯ)ЖИТТЯ (РУХ)ЗАГИБЕЛЬ (ПОГЛИНАННЯ)ФОТОНИ НАРОДЖУЮТЬСЯ внаслідок різноманітних фізичних процесів, пов'язаних із переходом матерії з більш енергетичного стану в менш енергетичний: Атомні переходи: Коли електрон в атомі переходить з вищого енергетичного рівня на нижчий, атом випромінює фотон. Теплове випромінювання: Будь-яке нагріте тіло (наприклад, Сонце або нитка розжарювання) випускає фотони. Анігіляція: При зустрічі частинки з античастинкою (наприклад, електрона і позитрона) вони зникають, перетворюючись на фотони. Розгінне,гальмівне випромінювання: При різкому прискоренні або гальмуванні зарядженої частинки (електрона). ФОТОН «НАРОДЖУЄТЬСЯ» зі швидкістю світла       с=𝟑∙𝟏𝟎𝟖 м с. Швидкість: Він не може рухатися повільніше або швидше. Час: Для самого фотона час не існує (з точки зору теорії відносності), тому для нього подорож через весь Всесвіт триває мить. Взаємодія: Під час руху фотон може відбиватися, заломлюватися, розсіюватися, але він не змінює швидкість, лише енергію (частоту). ФОТОН «ГИНЕ» , ЙОГО ЖИТТЯ ЗАКІНЧУЄТЬСЯ, він перестає існувати як окрема частинка, перетворюючи свою енергію в іншу форму (тепло, кінетична енергія електрона), коли він взаємодіє з матерією і поглинається нею. Фотоефект: Фотон поглинається електроном, передаючи йому всю свою енергію, після чого сам фотон зникає. Розрізняють зовнішній фотоефект (емісія електронів у вакуум або інше середовище) та внутрішній фотоефект (перерозподіл електронів за енергетичними рівнями всередині напівпровідника)Збудження атома: Фотон поглинається атомом, переводячи електрон на вищий рівень.

КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122 ФОТОЕФЕКТФОТОЕФЕКТ — це явище взаємодії фотонів світла з речовиною, що супроводжується випромінюванням (емісією) електронів з поверхні або в середені речовини під дією світла. ХРОНОЛОГІЯ ВІДКРИТТЯ1887 р. Генріх Герц: Німецький фізик вперше прямо виявив вплив світла на електрику, спостерігаючи, як ультрафіолетове світло полегшує виникнення іскри між електродами.1839 р. Едмон Беккерель: Французький фізик вперше спостерігав явище фотоефекту (появу напруги) при освітленні платівки хлориду срібла в електроліті.1888–1890 рр. Олександр Столєтов: Експериментально ґрунтовно дослідив фотоефект, встановив його основні закони та створив перший фотоелемент.1905 р. Альберт Ейнштейн: Пояснив фотоефект на основі квантової теорії (теоретичне обґрунтування), за що пізніше отримав Нобелівську прем'єу

КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122 ФОТОЕФЕКТ. ВИДИ ФОТОЕФЕКТУ ВНУТРІШНІЙ ФОТОЕФЕКТЦе явище, при якому під дією світла електрони перерозподіляються за енергетичними станами всередині речовини, але не вилітають назовні. ЗОВНІШНІЙ ФОТОЕФЕКТ (фотоелектронна емісія)Це явище, при якому під дією світла електрони вилітають за межі речовини у вакуум або інше середовище. Схема зовнішнього фотоефекту фотоелектронифотониh𝜈 h𝜈 h𝜈 Поверхня речовиниh𝜈=𝐴вих+𝑚⋅𝑣22  Схема внутрішнього фотоефекту в напівпровіднику. Напівпровідники при 𝑇=0𝐾 фотонh𝜈> ∆𝐸 ∆𝐸 Позитивна діркафотоелектрон∆𝐸 Зона провідності: Заборонена зона: Валентна зона : Поверхня речовини

КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122 ФОТОЕФЕКТ. ЗАКОНИ ФОТОЕФЕКТУЗакони фотоефекту (закони Столєтова) описують явище виривання електронів із поверхні речовини під дією світла. Другий закон: Максимальна кінетична енергія (і швидкість) фотоелектронів лінійно зростає із частотою падаючого світла і не залежить від його інтенсивності . Простими словами: Енергія електронів залежить від "кольору" (частоти) світла, а не від його яскравості 𝑼з𝟑 𝑰𝚽 𝑰𝚽н 0 𝑼 𝑰=𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕 𝑼з𝟐 𝑼з𝟏 𝝂𝟑 𝝂𝟐 𝝂𝟏 𝝂𝟎 𝒆∙𝑼з=𝒎⋅𝒗𝒎𝒂𝒙𝟐𝟐 Кількість фотоелектронів, що вилітають із поверхні за одиницю часу, прямо пропорційна інтенсивності світла. . Простими словами: Чим яскравіше світло, тим більше електронів воно «вибиває»Перший закон: при збільшенні інтенсивності світла струм насичення зростає, але точка початку струму (𝑼з) залишається незмінною. 𝑼з 𝑰𝚽 𝑰𝚽н𝟐 𝑰𝚽н𝟏 0 𝑼 𝝂=𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕 𝑼н  Третій закон: Для кожної речовини існує мінімальна частота (або максимальна довжина хвилі) світла, нижче якої фотоефект не відбувається взагалі. Цю межу називають "червоною межею фотоефекту"𝑼з 0 𝝂 𝝂𝟎 𝒉𝝂=𝑨вих+𝒎⋅𝒗𝟐𝟐  𝒉𝝂𝒎𝒊𝒏=𝑨вих  𝝂𝒎𝒊𝒏=𝑨вих𝒉  𝝀чер=𝒄𝒉𝑨вих  

КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122 ТИСК СВІТЛАСВІТЛОВИЙ ТИСК — це фізична дія електромагнітного випромінювання (світла) на поверхню тіла, зумовлена передачею імпульсу від фотонів. Теоретично існування світлового тиску передбачив Джеймс Клерк Максвелл у 1870-х роках, розвиваючи свою електромагнітну теорію світла Експериментально існування цього тиску вперше довів і виміряв П. М. Лебедєв у 1900-1901 роках. Адольф Бартолі у 1876 році у статті «Про рухи, спричинені світлом і теплом, і про радіометр Крукса» висунув гіпотезу: (не єдина), що світло чинить тиск на стінки.𝐩=𝑬𝒄∙𝟏+𝝆 

КУРНОСОВА Н. Ф. вчитель фізики ХЛ №122𝐩− тиск світла𝑬=𝒉∙𝝂− енергія фотонас=𝟑∙𝟏𝟎𝟖 м с− швидкість світла𝑵−кільність фотонів𝑺−площа , що освітлюєтся𝝆− коефіцієнт відбиття світладля дзеркальної поверхні: 𝝆=1для абсолютно чорного тіла: 𝝆=0 𝐩=𝑵𝒉𝝂𝑺𝒄∆𝒕∙𝟏+𝝆 , де. ТИСК СВІТЛАЯскравий приклад дії світлового тиску в природі – пиловий хвіст комети. На фотографії комети Lovejoy 2011 р. видно довгий вигнутий хвіст з частинок пилу, які відштовхуються від Сонця тиском його випромінювання (блакитний іонний хвіст спрямований прямо від Сонця під дією сонячного вітру). Японський міжпланетний зонд IKAROS з розгорнутим сонячним вітрилом (художня ілюстрація). Апарат успішно продемонстрував прискорення під дією тиску сонячних фотонів у 2010 році, проклавши шлях до майбутніх “вітрильних” космічних польотів.