1.Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Под фотоэффектом понимают изменение энергетического состояния электронов в веществе под действием электромагнитного излучения. Фотоэффект подразделяется на внутренний и внешний. Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости. Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения. Внешним фотоэффектом  называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Законы фотоэффекта. 1) Существует граничная частота, ниже которой для данного материала катода фотоэффект отсутствует независимо от плотности энергии светового потока (интенсивности) и продолжительности облучения. Значение этой граничной частоты названо красной границей фотоэффекта и это значение зависит только от материала катода. 2) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте излучения и не зависит от плотности светового потока излучения. 3) При фиксированной частоте излучения число электронов, выбиваемых из катода в единицу времени прямо пропорционально плотности светового потока энергии. ИЛИ: Ток насыщения прямо пропорционален интенсивности облучения . - уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. A – работа выхода, – максимальная кинетическая энергия фотонов. 2.Эффект Комптона. Эффект Комптона  заключается в том, что при рассеянии фотонов на свободных электронах в спектре рассеянного излучения возникает компонента с длиной волны большей, чем длина волны падающего излучения, и смещение длины волны, названное комптоновским смещением (зависит от угла рассеяния: ). Комптоновская длина волны – величина (м).Формула Комптона: ), где .Отличие комптоновского рассеяния на свободных электронах и протонах.Так как , то при увеличении массы частицы фотон будет приобретать всё меньшее изменение импульса. Так для протона , поэтому и изменение длины волны фотона при рассеянии на протоне будет в 2000 раз меньшим.

3. Свойства фотонов. Флуктуации интенсивности светового потока. 1) Фотон – минимальная порция энергии электромагнитной волны, прямо пропорциональная её частоте. . 2) Фотон – частица, которая не имеет массы покоя, существует только при движении и в вакууме. 3) , где m – масса движущейся частицы. Тогда импульс фотона , где k – волновое число. . . 4) Фотон обладает собственным моментом количества движения – спином.

Флуктуации интенсивности светового потока. Измерение слабых световых потоков показывают, что световой поток нельзя считать непрерывным, т.е. число фотонов в световом потоке не постоянно, а испытывает флуктуации.

Это подтверждается опытами Вавилова.

С вет от источника И проходит через отверстие в диске D и попадает в фильтр Ф, который пропускает лишь волны с определенной длинной волны. Затем, пройдя через коллиматор свет попадает в глаз. Кроме того, на пути света поставлен фильтр, с помощью которого меняется интенсивность света. Диск вращается и создается последовательность вспышек длительностью 0,1с с интервалами 0,9с между вспышками. Когда испытуемый видит вспышку, он отмечает её на хронографе, на этой же ленте отмечаются периоды прохождения отверстия диска перед глазом наблюдателя.

Результатом стало то, что в некоторых вспышках число фотонов было ниже порога чувствительности (испытуемый не замечал вспышек), а в некоторых выше.

4. Поляризация фотонов. Интерференция фотонов.Поляризация фотонов. Для микрочастицы нет понятия траектории. Для решения вопроса поляризации фотонов необходимо представить фотон как единый и неделимый физический объект, обладающий волновыми свойствами и определенной энергией и импульсом. Но согласно квантовой теории он не характеризуется определенным пространственным и временным распределением. Попытка отнести понятие поляризации к отдельному фотону противоречит принципу неделимости частиц, т.к. становится невозможным определить круговую и линейную поляризацию. Для устранения этого противоречия в квантовой механике вводится понятие состояния. В данном случае, состояние движения фотона. . . . Такой подход предполагает для описания состояния эллиптической поляризации наличие пар фотонов, причем с жестко связанными временными характеристиками. Квантовая механика вводит понятие суперпозиции состояний - микрообъект одновременно может находиться в 2 состояниях. При описании опытов по интерференции нельзя приписать фазу фотону. Интерференция фотонов. Интерференцию необходимо описать как явление, происходящее при наличии лишь одного фотона. Движение отдельного фотона в интерференционных опытах не зависит от наличия других. Фотон интерферирует сам с собой. Для экспериментальной проверки утверждения, что возникновение интерференционной картины не обусловлено одновременным участием в процессе большого числа фотонов, были поставлены многие интерференционные опыты с очень малыми интенсивностями света, когда можно было быть уверенным, что одновременно в образовании интерференционной картины участвует не более одного фотона и, следовательно, интерференционная картина образуется последовательным попаданием на экран отдельных фотонов. Фотон интерферирует сам с собой.

5. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. Методы исследования дифракции: способы Лауэ, Брэгга и Дебая-Шерера. Когда размеры препятствия гораздо больше длины волны, дифракцию можно обнаружить на значительном удалении от препятствия. Если же длина волны соизмерима с размерами препятствия, то дифракцию можно наблюдать в непосредственной близости от препятствия. Длина волны рентгеновского излучения составляет 1 – 0,001 нм. Поэтому, для удобства изучения рассматривают дифракцию рентгеновского излучения на кристаллах. Кристаллами называется упорядоченная структура, в узлах которой находятся молекулы, атомы, ионы или электроны. (5). Формула (5) называется условием Вульфа – Брэгга Метод Лауэ (1912 г.) относится к группе методов, где угол падения луча на кристалл постоянен, но изменяется длина падающей волны. Его суть заключается в том, что на кристалл ориентированный под определённым углом по отношению к лучу, падает пучок непрерывного излучения. Для излучения с некоторой длиной волны выполнится условие Вульфа – Брэгга. По интерференционной картине и геометрии опыта легко вычислить длину этой волны, а значит и период кристаллической решётки. Метод Брэгга рентгеноструктурного анализа. Данный метод заключается в том, что монокристалл облучается монохроматическим рентгеновским излучением. При этом кристалл вращается вокруг оси кристаллографической зоны, перпендикулярной падающему пучку света так, что различные плоскости кристалла становятся последовательно в положение, соответствующее условию Вульфа – Брэгга. Метод Брэгга используется, в основном, для анализа сложных кристаллических структур. Метод Дебая-Шерера рентгеноструктурного анализа. В этом методе поликристалл или мелкий порошок из монокристаллических зёрен освещался монохроматическим излучением. Среди множества произвольно ориентированных монокристаллов всегда будут существовать такие, для которых будет выполнено условие Вульфа – Брэгга. Зная интерференционную картину, длину падающей волны и геометрию опыта, можно сделать заключение о строении кристалла.

6. Понятие волн де Бройля. Уравнения де Бройля. В 1927 г. Луи де Бройль высказал предположение, что каждой движущейся частицы, мы можем поставить в соответствие некоторую длину волны. Для волны де Бройля, как и для любой другой электромагнитной волны, мы можем записать: . С другой стороны, для импульса: ; , где - волновой вектор. Но для волнового вектора мы можем записать: , т. о. ; . Из последней формулы следует выражение для волны де Бройля: . Изменяя приложенную разгоняющую разность потенциалов, мы изменяем длину волны де Бройля. Когда выполняется условие Вульфа – Брэгга, возникает максимум. - уравнения де-Бройля связывают корпускулярные и волновые свойства любых частиц.

7. Эксперименты по волновой природе элементарных частиц. Е сли пучок электронов обладает волновыми свойствами, то можно ожидать, что их отражение от кристалла будет иметь такой же интерференционный характер, как у рентгеновских лучей.

Полярная диаграмма рассеивания электронов (зависимость пучка электронов от угла падения θ): рис 2. В результате получили, что экспериментальная длина волны равна 0,167 нм, что хорошо совпадает с найденной по формуле де-Бройля (0,165 нм). Совпадение настолько хорошее, что полученный результат следует признать убедительным подтверждением гипотезы де-Бройля.

2.Опыты Томсона и Тартаковского

В этих опытах пучок электронов пропускался через поликристаллическую фольгу. Как и в случае рентгеновского излучения, на фотопластинке, расположенной за фольгой, наблюдалась система дифракционных колец. Сходство обеих картин поразительно. Подозрение, что система этих колец порождается не электронами, а вторичным рентгеновским излучением, возникающим в результате падения электронов на фольгу, легко рассеивается, если на пути рассеянных электронов создать магнитное поле. Оно не влияет на рентгеновское излучение. Проверка показала, что интерференционная картина сразк же искажалась. Это значит, что мы имеем дело с электронами. Г. Томсон осуществлял опыты с быстрыми электронами (десятка кэВ), П.С. Тартаковский – со сравнительно медленными электронами (до 1,7 кэВ)

3.Опыты с нейтронами и молекулами

Для успешного наблюдения дифракции волн на кристаллах необходимо, чтобы длина волны этих волн была сравнима с расстояниями между узлами кристаллической решётки. Поэтому для наблюдения дифракции тяжёлых частиц необходимо пользоваться частицами с достаточно малыми скоростями. Соостветствующие опыты по дифракции нейтронов и молекул при отражении от кристаллов были проделаны и также полностью подтвердили гипотезу де-Бройля в применении и к тяжёлым частицам.

Благодаря этому было экспериментально доказано, что волновые свойства являются универсальным свойством всех частиц. Они не обусловлены какими-то особенностями внутреннего строения той или иной частицы, а отражают их общий закон движения.

4.Опыты с одиночными электронами

В. Фабрикант, Л. Биберман и Н. Сушкин в 1949 г. Осуществили опыты, в которых применялись столь слабые пучки электронов, что каждый электрон проходил через кристалл заведомо поодиночке, и каждый рассеянный электрон регистрировался фотопластинкой.

При этом оказалось, что отдельные электроны попадали в различн точки фотопластинки совершенно беспорядочным на первый взгляд образом (рис а). Между тем, при достаточно длительной экспозиции на фотопластинке возникала дифракционная картина (рис. Б), абсолютно идентичная картине дифракции от электронного пучка.

8. Законы излучения абсолютно черного тела, формула Планка .Черным называется тело, поглощательная способность которого равна 1 (А_ω=1). . Законы излучения абсолютно-чёрного тела.1-й закон Кирхгофа. Равновесная спектральная объёмная плотность излучения w_ω зависит только от температуры и не зависит от свойств тел в адиабатической оболочке и свойств самой оболочки: w_ω= w_ω(T) . 2-й закон Кирхгофа. В состоянии термодинамического равновесия поглощённая за одну секунду участком поверхности тела энергия излучения, должна быть равна энергии излучённой за одну секунду тем же участком поверхности: . Чем больше тело поглощает, тем больше будет излучать.В 1900 г. Максом Планком была получена формула, описывающая зависимость на всём диапазоне частот. Он исходил из предположения, что осциллятор не может обладать любой энергией, а лишь дискретным набором энергий, пропорциональных некоторой минимальной энергии E₁. Он поставил в соответствие каждой моде свой гармонический осциллятор: , где n – номер энергетического уровня. Слагаемое 1/2 получается с учётом энергии вакуума. Средняя энергия, приходящаяся на один осциллятор . Объёмная спектральная плотность энергии: . . Полученная формула называется формулой Планка и описывает излучение абсолютно чёрного тела во всём диапазоне частот.

9. Экспериментальные подтверждения дискретной структуры атомных состояний. Опыты Франка-Герца. Атомные спектры.

Е сли состояние атомных систем дискретно, а кинетическую энергию свободных электронов мы можем менять непрерывно, то при взаимодействии электронов с атомами, атомы могут поглощать энергию лишь строго определёнными порциями.

опыты Франка и Герца Трубка заполнялась газом (ртутью) при давлении 1 мм.рт.ст., в нее помещали анод, катод и сетку. Между катодом и сеткой создавалось ускоряющее напряжение, а между анодом и сеткой – небольшое задерживающее напряжение примерно 3,5В. Испущенные катодом электроны ускорялись до сетки, а проходя ее, сталкивались с атомами ртути. Если энергия электронов после столкновения была достаточна, они долетали до анода и регистрировались гальванометром. В результате было обнаружено, что при напряжении кратном 4,9 В появлялись резкие спады тока, т.е. атомы ртути переходили в возбужденное состояние, испускали фотоны и возвращались в основное. Опыты Ф-Г показали, что атом может поглощать энергию лишь дискр.порциями, энергия которых равна разности между энергиями уровней.

Спектральные серии водорода — набор спектральных серий, составляющих спектр атома водорода. Поскольку водород наиболее простой атом, его спектральные серии наиболее изучены. АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ, оптич. спектры, получающиеся при испускании или поглощении электромагн. излучения свободными или слабо связаннымиатомами (напр., в газах или парах). Являются линейчатыми, т.е. состоят из отдельных спектральных линий, характеризуемых частотой излучения v, к-рая соответствует квантовому переходу между уровнями энергии E_i и E_k атома согласно соотношению: hv = E_i-E_k где h-постоянная Планка. Спектральные линии можно характеризовать также длиной волны = c/v (с - скорость света), волновым числом = v/c и энергией фотона hv. 

10. Опыты Резерфорда, планетарная модель атома, заряд ядра, распределение зарядов в атоме.Резерфорд изучал движение тяжёлых положительно заряженных частиц в поле, создаваемом атомом. . Узкий пучок α – частиц из источника излучения падала на тонкую золотую фольгу. За фольгой находилась поверхность, покрытая веществом, способным сцинтиллировать. α – частицы пролетали сквозь фольгу и падали на сцинтиллятор. Сцинтиллятор на короткое время начинал светиться в точке падения α – частиц. За этими вспышками как раз и наблюдали. Если бы взаимодействия частиц с веществом не было, то вспышки наблюдались бы все в одном и том же месте. Тем не менее, большинство частиц отклонялись от направления своего первоначального движения . В то же время не было частиц, которые притягивались бы. Это навело Резерфорда на мысль, что в атоме должен находиться мощный силовой центр, который заставляет отклоняться частицы на большие углы, причём, так как заряд α – частицы считался положительным, этот силовой центр также должен быть положительным. Редкость отскакивания частицы на угол более 90° говорила о том, что центр должен быть точечным. Результаты опытов Резерфорда.1) - формула Резерфорда. 2) Косвенно подтвердилось уравнение , которое было выведено исходя из соображений планетарного строения атома, что и утвердило главенствующее положение этой теории. Если известно сечение рассеяния , то с помощью формул и можно вычислить зарядовое число z. Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.