Определение энергии фотонов в видимой части спектра

Всем материальным объектам присуща двойственность, называемая корпускулярно- волновым дуализмом,т.е.их поведение, в зависимости от ситуации может описываться как свойствами частиц, так и волн. Первоначально считалось, что корпускулярно-волновым дуализмом обладает только свет, но впоследствии было доказано, что двойственность присуща и электронам, протонам и другим элементарным частицам материи в форме вещества. Эти свойства микрообъектов изучаются квантовой электродинамикой.

Согласно классической теории, свет – это электромагнитные волны, т.е. совместно распространяющиеся в пространстве и во времени колебания электрического и магнитного полей. При этом векторы напряженности этих полей и колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Скорость с распространения электромагнитных волн в вакууме составляет м/с.

Путь, который волна проходит за время равное периоду колебаний векторов Т, называется длиной волныλ:

λ = с·Т. (3.1)

Величина ν = 1/Т, называется частотой колебаниявекторов и . Если Т измеряется в секундах, то единица измерения частоты – герц (Гц). Из формулы (3.1) следует, что

ν = с/λ. (3.2)

Электромагнитные волны в принципе могут иметь любую частоту (или длину волны) от 0 до бесконечности. Распределение электромагнитных волн по частотам или по длинам волн называется спектром электромагнитных волн.В табл. 3.1 представлены основные диапазоны электромагнитных волн. Следует отметить, что границы диапазонов излучения не являются резкими и приведены условно.

Таблица 3.1. Спектр электромагнитных волн

Длины волн в метрах	Название диапазона
-	Радиоволны
	ИК - излучение
	Видимый свет
	УФ – излучение, мягкое рентгеновское излучение
-	Рентген, γ - излучение
-	γ - излучение

Существует целый ряд явлений, которые могут быть объяснены только волновой природой электромагнитного излучения. К ним относятся, например, интерференция и дифракция, дисперсия. С помощью волновой теории объясняются законы отражения и преломления света.

С другой, корпускулярной, точки зрения свет рассматривают как поток частиц фотонов – квантов электромагнитного излучения,которые обладают энергией, массой и импульсом (количеством движения).

Фотон –особая частица с массой покоя равной нулю. Это означает, что его нельзя остановить, он существует только в движении, а движется фотон со скоростью, равной скорости света с.

Энергия одного фотона равна:

ε = hν, (3.3)

где h – постоянная Планка, h = 6,62· Дж ·с;

ν – частота света.

Корпускулярной природой света объясняется, например, внешний фотоэлектрический эффект. Явление фотоэффекта состоит в том, что свет, падая на поверхность металла, выбивает из него электроны.

А. Эйнштейн создал теорию фотоэффекта, предположив, что фотон, попадая на поверхность металла, полностью передает свою энергию электрону. Именно благодаря этой энергии электрон и вылетает из металла. Кроме того, с помощью фотонной теории объясняются законы взаимодействия света с веществом: поглощение и рассеяние света электронами; люминесценция; излучение и поглощение света атомами.

Таким образом, свет обладает двойственностью свойств – квантовые и волновые свойства взаимно дополняют друг друга и характеризуют взаимосвязь закономерностей распространения света и его взаимодействия с веществом.

С практической точки зрения белым светом принято называть видимый диапазон электромагнитных волн: (400-720)· м = (400-720) нм.

Спектральные интервалы излучений и диапазоны энергий фотонов в электрон-вольтах (эВ) приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Цвет	Диапазон длин волн в нм	Диапазон энергий фотонов в эВ
Красный	625-470	1,68-1,98
Оранжевый	590-625	1,98-2,10
Желтый	565-590	2,10-2,19
Зеленый	500-565	2,19-2,48
Голубой	485-500	2,48-2,56
Синий	440-485	2,56-2,82
Фиолетовый	380-440	2,82-3,26

Целью настоящей работы является расчет энергии фотона по измеренной длине волны.

На экране компьютера представлен непрерывный (сплошной) спектр испускания от некоторого источника излучения. Человеческий глаз воспринимает в качестве определенного цвета фактически целый интервал длин волн сплошного спектра. Участок цвета в настоящей работе указывается преподавателем. Задача студента состоит в том, чтобы рассчитать среднюю энергию фотона «заданного цвета» и погрешность к этой величине.

Порядок выполнения работы

1. Щелкните мышкой на значке «Определение энергии фотона» на рабочем столе компьютера. На экране появится спектр видимого света со шкалой и металлический брусок.

2. Определите цену деления шкалы спектра.

3. По заданию преподавателя наведите курсор на данный Вам цвет спектра и щелкните клавишей мышки.

4. Запишите в таблицу длину волны фотона.

5. Определите 4 раза длину волны фотона для данного Вам цвета вблизи первого измерения, записывая результаты в таблицу измерений.

6. Рассчитайте по формуле (3.3) энергию фотона для каждого измерения.

7. Вычислите доверительную погрешность по алгоритму прямых многократных измерений (считая значения энергии фотона невоспроизводимыми косвенными измерениями).

8. Окончательно запишите результаты расчетов в виде:

ε = (ε ± Δε) Дж.

9. Перевести энергию фотонов в эВ ( Дж) и сопоставить с теоретическими значениями, приведенными в табл. 3.2.

номер измерения	λ, м	ε, Дж	Δε, Дж	(Δε)², Дж²

Таблица 3.3.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается смысл термина «корпускулярно-волновой дуализм»?

2. Что такое электромагнитные волны?

3. Какие явления подтверждают волновую природу света?

4. Какие явления свидетельствуют о корпускулярной природе света?

5. Что такое фотоны?

Лабораторная работа № 4