ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
Хвильова й квантова оптика
УРОК 10/47
Тема. Фотони. Люмінесценція
Мета уроку: дати поняття про фотон як елементарну частинку електромагнітного випромінювання; вивчити основні властивості фотона.
Тип уроку: комбінований урок.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань | 15 хв. | Самостійна робота № 11. “Квантові властивості світла. Закони фотоефекту” |
Вивчення нового матеріалу | 25 хв. | 1. Фотони. 2. Люмінесценція. 3. |
Закріплення вивченого матеріалу | 5 хв. | 1. Навчаємося розв’язувати задачі. 2. Контрольні питання |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Фотони
Термін “фотон” було уведено хіміком Г. Льюїсом 1926 року. У сучасній фізиці фотон – це переносник електромагнітної взаємодії (часто називається елементарною частинкою), фундаментальна складова світла й всіх інших форм електромагнітного випромінювання.
Фотон має нульову масу спокою, не має електричного заряду й не розпадається спонтанно у вакуумі. Оскільки фотон
Про фотон не можна сказати, що він розігнався до швидкості світла у вакуумі – він просто не може зупинитися або рухатися повільніше. Взаємодія з речовиною може стати причиною зникнення фотона (коли світло поглинається), його перетворення в інші частинки, але не гальмування.
З формули спеціальної теорії відносності для енергії частинки 
й для її імпульсу 
можна виключити швидкість частинки с й вивести співвідношення 
Отже, для частинки з нульовою масою Е = ср. Звідси одержуємо вираз для імпульсу фотона: 
Скориставшись зв’язком між частотою v й довжиною світлової хвилі (v = с/?), одержуємо p = h/?. Напрямок імпульсу фотона збігається з напрямком поширення світла.
2. Люмінесценція
Деякі речовини самі випромінюють світло після того, як їх опромінили світлом. Це явище називають люмінесценцією. г Люмінесценція – нетеплове світіння речовини, що відбувається після поглинання нею енергії збудження.
Люмінесценція виникає під дією:
– світла;
– радіоактивного й рентгенівського випромінювань;
– електричного поля;
– під час хімічних реакцій і механічних впливів.
Приклади люмінесценції – світіння гниючого дерева, деяких комах, екрана телевізора.
На явищі люмінесценції заснований найважливіший напрямок квантової електроніки, що сприяв створенню квантових генераторів світла.
Існує кілька типів люмінесценції:
– катодолюмінесценція – зумовлена бомбардуванням твердих тіл швидкими електронами;
– хемілюмінесценція – світіння, що використовує енергію хімічних реакцій;
– фотолюмінесценція – світіння під дією видимого світла й ультрафіолетового випромінювання; її різновидом є флуоресценція й фосфоресценція;
– рентгенолюмінесценція – світіння під дією рентгенівських променів;
– радіолюмінесценція – виникає внаслідок опромінення речовини гамма-випромінюванням;
– електролюмінесценція – виникає під час пропущення електричного струму через люмінофори певних типів.
Лазерна указка
3. Корпускулярно-хвильовий дуалізм
Класична фізика завжди чітко розмежовувала об’єкти, що мають хвильову природу (наприклад, світло й звук), і об’єкти, що мають дискретну корпускулярну структуру (наприклад, системи матеріальних точок). Одне з найзначніших досягнень сучасної фізики – переконання в помилковості протиставлень хвильових і квантових властивостей світла. Розглядаючи світло як потік фотонів, а фотони як кванти електромагнітного випромінювання, що мають одночасно хвильові й корпускулярні властивості, сучасна фізика змогла об’єднати, здавалося б, непримиренні теорії – хвильову й корпускулярну. У результаті виникло уявлення про корпускулярно-хвильовий дуалізм, що було покладено в основу всієї сучасної фізики.
O Корпускулярно-хвильовий дуалізм – прояв у поводженні того самого об’єкта як корпускулярних, так і хвильових властивостей.
Отже, квант світла – це не хвиля, але й не корпускула в розумінні Ньютона. Фотони – особливі мікрочастинки, енергія й імпульс яких (на відміну від звичайних матеріальних точок) виражаються через хвильові характеристики – частоту й довжину хвилі.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Як пов’язана енергія й маса в теорії відносності?
2. Чи може фотон перебувати в стані спокою в якій-небудь інерційній системі відліку?
3. Чи змінюється енергія фотона у разі переходу з одного середовища в інше?
Другий рівень
1. Порівняйте енергії фотонів, що відповідають зеленому й червоному світлу.
2. Назвіть відмітні властивості частинок речовини й частинок електромагнітного поля (фотонів).
3. Які хвильові і корпускулярні характеристики світла пов’язує формула Планка:
E = hv.
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Наведіть приклади прояву корпускулярних і хвильових властивостей світла.
2. Порівняйте енергії фотонів інфрачервоного, ультрафіолетового й рентгенівського випромінювань.
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. Знайдіть імпульс фотона видимого світла, довжина хвилі у вакуумі якого 600 нм.
2. Знайдіть імпульс фотона ультрафіолетового випромінювання частотою 1,5-1015 Гц.
3. На поверхню твердого тіла нормально падає випромінювання лазера, довжина хвилі якого 660 нм. Який імпульс передає поверхні кожний фотон, що падає?
Розгляньте два випадки:
А) поверхня чорна;
Б) поверхня дзеркальна.
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Основні властивості фотона:
1. Є частинкою електромагнітного поля.
2. Рухається зі швидкістю світла.
3. Існує тільки в русі.
4. Зупинити фотон не можна: він або рухається зі швидкістю світла, або не існує.
– Люмінесценція – нетеплове світіння речовини, що відбувається після поглинання нею енергії збудження.
– Корпускулярно-хвильовий дуалізм – прояв у поводженні того самого об’єкта як корпускулярних, так і хвильових властивостей.
Домашнє завдання
1. Підр.: § 26 (п. 4).
2. 3б.:
Рів1 № 15.2; 15.4; 15.7; 15.9.
Рів2 № 15.25; 15.26; 15.28; 15.29.
Рів3 № 15.38, 15.39.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)