ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Волновая и квантовая оптика

УРОК 10/47

Тема. Фотоны. Люминесценция

Цель урока: дать понятие о фотон как элементарную частицу электромагнитного излучения; изучить основные свойства фотона.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Фотоны

Термин «фотон» был введен химиком Г. Льюисом в 1926 году. В современной физике фотон - это переносчик электромагнитного взаимодействия (часто называется элементарной частицей), фундаментальная составляющая света и всех других форм электромагнитного излучения.

Фотон имеет нулевую массу покоя, не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме. Поскольку фотон - безмасова частица, он движется в вакууме со скоростью света в вакууме.

Про фотон нельзя сказать, что он разогнался до скорости света в вакууме - он просто не может остановиться или двигаться медленнее. Взаимодействие с веществом может стать причиной исчезновения фотона (когда свет поглощается), его превращение в другие частицы, но не торможения.

Из формулы специальной теории относительности для энергии частицы и ее импульса можно исключить скорость частицы с и вывести соотношение

Следовательно, для частицы с нулевой массой Е = ср. Отсюда получаем выражение для импульса фотона:

Воспользовавшись связью между частотой v и длиной световой волны (v = с/λ), получаем p = h/λ. Направление импульса фотона совпадает с направлением распространения света.

2. Люминесценция

Некоторые вещества сами излучают свет после того, как их опромінили светом. Это явление называют люмінесценцією. г Люминесценция - нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения.

Люминесценция возникает под действием:

· света;

· радиоактивного и рентгеновского излучений;

· электрического поля;

· во время химических реакций и механических воздействий.

Примеры люминесценции - свечение гниющего дерева, некоторых насекомых, экрана телевизора.

На явлении люминесценции основан важнейшее направление квантовой электроники, способствовал созданию квантовых генераторов света.

Существует несколько типов люминесценции:

· катодолюмінесценція - обусловлена твердых тел бомбардировкой быстрыми электронами;

· хемилюминесценция - свечение, использующее энергию химических реакций;

· фотолюминесценция - свечение под действием видимого света и ультрафиолетового излучения; ее разновидностью является флуоресценция и фосфоресценция;

· рентгенолюмінесценція - свечение под действием рентгеновских лучей;

· радіолюмінесценція - возникает вследствие облучения вещества гамма-излучением;

· электролюминесценция - возникает во время пропускания электрического тока через люминофоры определенных типов.

Лазерная указка

3. Корпускулярно-волновой дуализм

Классическая физика всегда четко разграничивало объекты, имеющие волновую природу (например, свет и звук), и объекты, имеющие дискретную корпускулярную структуру (например, системы материальных точек). Одно из самых значительных достижений современной физики - убеждение в ошибочности противопоставлений волновых и квантовых свойств света. Рассматривая свет как поток фотонов, а фотоны как кванты электромагнитного излучения, имеющих одновременно волновые и корпускулярные свойства, современная физика смогла объединить, казалось бы, непримиримые теории - волновую и корпускулярную. В результате возникло представление о корпускулярно-волновой дуализм, что было положено в основу всей современной физики.

Ø Корпускулярно-волновой дуализм - проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

Следовательно, квант света - это не волна, но и не корпускула в понимании Ньютона. Фотоны - особые микрочастицы, энергия и импульс которых (в отличие от обычных материальных точек) выражаются через волновые характеристики - частоту и длину волны.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как связана энергия и масса в теории относительности?

2. Или фотон может находиться в состоянии покоя в какой-либо инерционной системе отсчета?

3. Меняется энергия фотона при переходе из одной среды в другую?

Второй уровень

1. Сравните энергии фотонов, соответствующие зеленому и красному свету.

2. Назовите отличительные свойства частиц вещества и частиц электромагнитного поля (фотонов).

3. Какие волновые и корпускулярные характеристики света связывает формула Планка:

E = hv.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Приведите примеры проявления корпускулярных и волновых свойств света.

2. Сравните энергии фотонов инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

2). Учимся решать задачи

1. Найдите импульс фотона видимого света, длина волны в вакууме которого 600 нм.

2. Найдите импульс фотона ультрафиолетового излучения частотой 1,5·1015 Гц.

3. На поверхность твердого тела нормально падает излучение лазера, длина волны которого 660 нм. Какой импульс передает поверхности каждый фотон, что падает?

Рассмотрите два случая:

а) поверхность черная;

б) поверхность зеркальная.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

· Основные свойства фотона:

1. Является частицей электромагнитного поля.

2. Движется со скоростью света.

3. Существует только в движении.

4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью света, либо не существует.

· Люминесценция - нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения.

· Корпускулярно-волновой дуализм - проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

Домашнее задание

1. Подр.: § 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.