2.2.2 kvantine optika 2 (fizika.ktu.2009)

8/7/2019 2.2.2 Kvantine optika 2 (Fizika.KTU.2009)

1/16

Kvantin optika Iorin is fotoefektas

Elektron spinduliavimas i kietj kn (metal,puslaidininki, dielektrik) ir skysi, absorbavus

jiems elektromagnetin spinduliavim, vadinamasioriniu fotoefektu.

(Puslaidininkiuose ir dielektrikuose gaunamas ir vidinis fotoefektas).

Iorin fotoefekt pirmkart 1887 m.pastebjo H.Hercas.

Teorin interpretacija, laikant vies elektromagnetinmis bangomis:

Elektromagnetins bangos intensyvumas I yra tiesiog proporcingas amplitudskvadratui, todl fotoefekto dsningumai turtu bti sekantys:

1. Elektronai neilks i metalo tol, kol amplitud Em (atitinkamai viesosintensyvumas) nepasieks tam tikros metalui bdingos krizins verts, pakankamosilaisvinti elektronui. Kitaip tariant, fotoefektui turt egzistuoti viesos intensyvumoslenkstis.

2. Fotoelektron energija turt bti tiesiog proporcinga viesos intensyvumui.


2/16


A.Stoletovo ir kit fizik eksperimentais nustatyti tokie iorinio fotoefekto dsningumai:

1) fotoefektui nra viesos intensyvumo slenksio;

2) fotoelektron energija nepriklauso nuo viesos intensyvumo;

3) fotoelektron maksimali energija priklauso nuo spinduliavimo danio.

Be to, kiekvienai mediagai yra savita danio riba (vadinama raudonoji riba),t.y. maesnio danio u tam tikr vr, spinduliai fotoefekto nesukelia.

Kai danis didesnis u r, fotoelektron maksimalienergija Wm yra tiesin danio funkcija.


3/16


Remdamasis fotonine viesos spinduliavimo ir sugrimo hipoteze, A.Einteinaspaaikino reikin ir jo dsnius.

(U iorinio fotoefekto dsni iaikinim 1921 m. A.Einteinas apdovanotas Nobeliopremija).

Elektronui suteikus energijos kiek, lyg A arba u j didesn, tas elektronas gali ilktii metalo, vyksta iorinis fotoefektas.

Dydis A vadinamas elektron ilaisvinimo darbu. Jis priklauso nuo metalo ries irpaviriaus bsenos.

Elektronui sugrus vien foton, kurio energija didesn u ilaisvinimo darb, jis ilksturdamas didiausi kinetin energij:

i lygtis vadinama Einteino lygtimi fotoefektui.

AhWm =


4/16


Einteino lygtis fotoefektui atitinka grafik, kurioje tiess posvyrio kampo tangentas

yra lygus Planko konstantos hskaitinei vertei.

Ilkusio elektrono kinetin energija yra lygi fotono energijos

ir ilaisvinimo darbo skirtumui.

Kai sugerto fotono energija A < , fotoefektas nevyksta.

Jis prasideda tik nuo danio r, tenkinanio lygyb:

is danis vadinamas ribiniu (raudonosios ribos daniu).

2

2mv

Wm =

AhWm =

h=

A

rhA =

h

Ar =


5/16


Iorinio fotoefekto eksperimentas patvirtina dar vien fakt, - fotosrovs dydispriklauso tik nuo viesos intensyvumo.

Fotosrovs dydis yra tiesiogiai proporcingas elektron skaiiui.

Todl, fotoefekto reikinys, kurio svarbiausi dsningumai yra:

1. Fotoelektron energija nepriklauso nuo viesos intensyvumo,

2. Fotoelektron energija priklauso tik nuo viesos danio,3. Fotoelektron skaiius priklauso tik nuo viesos intensyvumo.

yra tiesioginis foton egzistavimo rodymas.

O viesa yra tam tikros energijos foton srautas.

viesos intensyvumas priklauso ne nuo elektromagnetins bangos amplituds, onuo foton skaiiaus erdvs trio vienete (koncentracijos).

h=


6/16

Kvantin optika Fotonas

Fotonas elektromagnetins energijos kvantas, dalel, pasiyminti ir banginmis irkorpuskulinmis savybmis.

Vieno fotono energija yra lygi:

Fotono momentin fotografija.Realiame fotone bang skaiius yra iki 105.

Foton srauto intensyvumas priklauso nuo viesos altinio.

M.Plankas kvantavo tik spinduliuojanio osciliatoriaus energij.

A.Einteinas kvantuoja pat elektromagnetin spinduliavim, laikydamas j fotonsrautu.

viesos absorbcijai irgi bdingas kvantinis pobdis, elektronas, sveikaudamas sufotonu, gali j absorbuoti. iuo atveju fotonas visikai sugeriamas.

Taigi galima sakyti, kad foton teorikai atrado A.Einteinas.

h=


7/16


Kitos fotono korpuskulins charakteristikos:

Fotonas vakuume ir mediagoje juda greiiu c.Eksperimentikai nustatytas faktas, kad viesos greitis mediagoje maesnis neguvakuume, aikinamas taip: mediagoje greiiu csklindantis fotonas sugeriamas ir vlispinduliuojamas.

Dl to lilgio keli mediagoje jis sklinda ilgesn laiko tarp tnegu vakuume, ir viesos

greitis yra maesnis u c.

Mediagos dalels (elektronai, protonai, neutronai ir kt.) visada juda greiiu maesniu

u c, arba esti rimties bsenoje.

Fotonas egzistuoja visada juddamas tik viesos greiiu c.

Rimties bsenos fotonai neegzistuoja.


8/16


Foton srautas, veikdamas mediagos paviri j slegia.

viesos slg eksperimentikai atrado P.N. Lebedevas 1900 m.

I kvantins optikos pozicij viesos slgis aikinamas fotono impulso egzistavimu.

Fotonas, kaip ir kiekviena dalel, apibdinamas impulsu (judesio kiekiu).

Fotono impulsas gaunamas, panaudojus Einteino mass ir energijos sryio dsnir Planko vest elektromagnetins energijos kvanto (fotono) iraik:

ios lygybs skaitikl ir vardikl padalij i 2, gauname:

Arba vektorikai:

Taigi foton, kaip ir kiekvien dalel, galima apibdinti energija ir impulsu, o viesa

kvantinje optikoje laikoma tam tikros energijos daleli srautu.

hmc ==2

h

c

h

c

mcp ===

2

kh

p ==

2/

2/

kp

=


9/16


Bendras foton perduotas impulsas mediagos paviriui ireikiamas:

- paviriaus atspindio koeficientas.

Komet uodegos atsiradimas priartjus prie Sauls, aikinama Sauls vjo slgio

poveikiu.

c

hNRP

)1( +=

R


10/16


Fotono impulso egzistavimas rodo, kad fotonas turi mas.

Taiau, skirtingai nei kitos elementariosios dalels, fotonas juda viesos greiiu.Objekt, judani artimu viesos greiiui mas i reliatyvumo teorijos ireikiama:

Kadangi fotono greitis yra c, jei jis turt rimties mas, jo reliatyvistin mas bt lygibegalybei.

I to seka, kad fotono rimties mas yra lygi nuliui.

Fotono mas ireikiama i jo impulso:

2c

h

m

=

2

2

0

1 c

v

mm

=


11/16

Kvantin optika Daugiafotoninis fotoefektas

Iki iol laikms prielaidos, kad elektronas sugeria tik vien foton.

iuo metu sukurti galingi impulsiniai lazeriai, spinduliuojantys labai didelio tankiofoton sraut.

Tuomet vienas elektronas gali sveikauti su keliais fotonais ir juos sugerti is efektasvadinamas daugiafotoniniu fotoefektu.

Jau eksperimentuojama su keturi ir daugiau foton absorbcija.

iuo atveju Einteino lygtis uraoma itaip:

5,4,3,2, == nAnhWm


12/16

Kvantin optika Vakuuminiai ir dujiniai fotoelementai

Fotoefektas naudojamas vakuuminiuose ir dujiniuosefotoelementuose.

Fotoelemento katodas padengtas mediaga,kuriai bdingas maas elektron ilaisvinimo darbas.

Regimajai spektro sriiai geriausiai tinka arminiai metalai, ypa cezis.

Tok fotoelement iki keli imtj mm Hgslgio pripildius argono ar neono,

gaunamas dujinis fotoelementas.

Fotoelektronai jonizuoja dujas, taip generuojami nauji krvininkai, todl dujiniaifotoelementai jautresni u vakuuminius, taiau jie inertiki ir auktesniems kaip10 kHzdaniams nenaudojami.


13/16

Kvantin optika Fotoelektrinis daugintuvas

Iorinis fotoefektas taikomas fotoelektriniame daugintuve.

I fotokatodo 1 viesos ilaisvinti elektronai greitinamielektrinio lauko ir paeiliui nukreipiami vis naujus antrinsemisijos katodus 2, vadinamus emiteriais, arba dinodais.

J pavirius padengtas mediaga, kuriai bdinga didel antrini elektron emisija.

Kiekvienas pirminis elektronas i dinodo imua kelet elektron.

Taip daugel kart sustiprintas elektron srautas patenka j kolektori 3.

Fotoelektroniniai daugintuvai naudojami labai silpniems viesos signalams aptikti, jintensyvumui matuoti.

Jie taikomi viesos matavimo technikoje, kosminiuose tyrimuose.


14/16

Kvantin optika Komptono reikinys

Spinduliavimo kvantin prigimt parodo ir A.Komptono 1922 m. atlikti bandymai, tiriantmonochromatini rentgeno spinduli (v~1018 Hz) sklaid, kai jie skverbsi pro lengvas

mediagas, pavyzdiui grafit, parafin ir pan.

Pagal klasikin elektrodinamik rentgeno spinduliai yra tam tikro ilgio elektromagnetins bangos.

J periodikai kintanio elektrinio lauko veikiami mediagos elektronai virpa lauko

daniu, todl jie turt spinduliuoti to paties danio, taigi ir to paties ilgio , bangas.

Todl isklaidyt rentgeno spinduli bangos ilgis turt bti nepakits.

Taiau A.Komptono bandymai parod: tarp isklaidyt spinduli, be pradinio ilgio bang, buvo ir didesnio ilgio ' rentgeno spinduli.

is reikinys pavadintas Komptono reikiniu.

U jo atradim A.Komptonas 1927 m. apdovanotas Nobelio premija.


15/16

Kvantin optika Komptono reikinys

A.Komptonas nustat, kad: bangos ilgio padidjimas='- nepriklauso nuo krintani spinduli bangos ilgio

bei juos sklaidanios mediagos, o priklauso tik nuospinduli sklaidos kampo .

- pastovus dydis vadinamas elektrono Komptono bangos ilgiu.

Komptono reikinys paaikinamas tik remiantis kvantiniais vaizdiniais, t.y. Rentgenospindulius laikant foton srautu.

is reikinys yra foton tampraus susidrimo su mediagos laisvaisiais elektronaispasekm.

Komptono lygtis isiveda naudojant reliatyvistin dinamik, laikant foton ir elektrondalelmis, patirianiomis tamprj susidrim.


16/16

Kvantin optika Atvirkias Komptono reikinys

Kai elektromagnetinius spindulius sklaido labai didels energijos elektronai, posusidrimo foton energija ir impulsas gali padidti elektrono energijos ir impulsosskaita.

Tuomet isklaidyto spinduliavimo danis padidja, o bangos ilgis sumaja.

is reikinys vadinamas atvirktiniu Komptono reikiniu.

2.2.2 kvantine optika 2 (fizika.ktu.2009)

Documents