Эффект Комптона, свойства фотона, электронный микроскоп и оптический микроскоп
Преобразование массы (m) в энергию (E) связано с соотношением Эйнштейна (E = mc²), которое является научной основой ядерной бомбы, где было обнаружено, что деление ядра связано с потерей очень небольшой массы и изменением в очень большую энергию, поскольку квадрат скорости света очень велик (c² = 9 × 10 16 м² / с²).
Эффект Комптона
Когда фотон (от рентгеновских или γ-лучей) падает на свободный электрон , частота фотона уменьшается, и фотон меняет свое направление. Скорость электрона увеличивается, и он меняет свое направление, и это явление называется «эффектом Комптона».
Это наблюдение не может быть объяснено классической теорией света, но может быть объяснено на основе гипотезы Планка о том, что электромагнитное излучение состоит из фотонов, которые могут сталкиваться с электронами при столкновении бильярдных шаров (упругое столкновение).
Сумма импульса фотона и электрона до столкновения = сумма импульса фотона и электрона после столкновения (закон обмена импульсом)
Сумма энергии фотона и электрона до столкновения = сумма энергии фотона и электрона после столкновения (закон сохранения энергии)
Мы находим, что эффект Комптона доказывает свойства частиц света, мы заключаем, что фотон движется как частица, имеющая массу и скорость (линейный импульс), а также электрон, что доказывает частичную природу света, что классическая физика не могла объяснить. это и не могло быть объяснено, кроме как допущением существования фотона.
Свойства фотона
- Это квант энергии (h ν), ее значение зависит от частоты (ν): E = h ν = hc / λ).
- Во время движения он имеет массу (м): m = E / c² = h ν / c² = h / λ c
- Он движется в пространстве со скоростью света (c).
- Когда фотон прекращает свое движение, его масса превращается в энергию, полученную телом, которое останавливает его.
- Он имеет линейный импульс (P L): P L = mc = E / c = h ν / c = h / λ
- Он имеет дуализм волна-частица, поэтому применяются два закона сохранения массы и энергии.
Электрон представляет собой частицу с отрицательным зарядом и имеет волновую природу. Он может ускоряться (увеличивая свою скорость) электрическим полем, он имеет линейный импульс P L = mv = h / λ, когда он останавливается, он сохраняет свою массу. и теряет кинетическую энергию. Имеет массу во время движения и покоя (m e = 9,1 × 10 −31 кг).
Фотон — это квант энергии (hν), который не имеет заряда и имеет природу частицы, он не может быть ускорен и имеет постоянную скорость в пространстве (3 × 10 8 м / с), он имеет линейный импульс P L = mc = E / c = hν / c = h / λ, Когда фотон останавливается и останавливается, его масса превращается в энергию (E = m c²). Он имеет массу только во время движения m = E / c² = hν / c² = h / λc.
Уменьшение силы, возникающей из-за падения пучка фотонов на поверхность
Когда луч света с частотой (ν) падает на поверхность, он отражает:
- Импульс падающего фотона = mc
- Импульс отраженного фотона = — mc
- Изменение количества движения за счет его отражения = 2 mc = 2 h ν / c
Если пучок фотонов падает на определенную поверхность со скоростью (φ L ) (фотон / сек), то каждый фотон падает на поверхность и, отражаясь обратно, претерпевает изменение линейного импульса.
Скорость изменения импульса пучка фотонов = 2 mc φ L = 2 φ L h ν / c, что равно силе, приложенной пучком фотонов к поверхности:
F = 2 φ L h ν / c
P w = h ν φ L
Где: (P w ) — мощность падающего на поверхность света в ваттах.
∴ F = 2 P w / c
Связь между длиной волны фотона и его импульсом
λ = c / ν, умножив числитель и знаменатель на постоянную Планка (h):
λ = hc / h ν
λ = h / (h ν / c), P L = h ν / c
λ = h / P L
Итак, длина волны фотона равна отношению постоянной Планка к импульсу фотона.
Макроскопические и микроскопические модели света
Когда фотоны падают на поверхность, тогда, если длина волны фотонов (λ) близка к межмолекулярным расстояниям, тогда фотоны проникают через атомы, и это то, что происходит в случае рентгеновских лучей. В этом случае применяется модель микроскопических частиц света.
Когда фотоны падают на поверхность, тогда, если длина волны фотонов (λ) намного больше, чем межмолекулярные расстояния, то фотоны относятся к этой поверхности как к сплошной поверхности и отражаются от нее. В этом случае применяется макроскопическая волновая модель света.
Таким образом, макроскопическая модель и микроскопическая модель когерентны друг другу, а значит, волновые и частичные свойства фотонов также смежны.
Сравнение микроскопической модели и макроскопической модели для света
Модель частиц света (микроскопическая) применяется, когда препятствие размером с атом или электрон преграждает путь фотонам. Она изучает отдельный фотон отдельно, поскольку шар радиуса равен длине волны (λ) и колеблется с частотой (ν).
Волновая модель света (макроскопическая) применяется, когда препятствие размером намного больше длины волны преграждает путь фотонам, она изучает поток фотонов в целом в виде волны, имеющей магнитное поле и электрическую поля, перпендикулярные друг другу и направлению их распространения.
Волновые свойства частицы
Де-Бройль доказал, что, поскольку волны имеют частичную природу, частицы имеют волновую природу, так что движущаяся частица сопровождается волной, длина волны которой может быть вычислена следующим образом:
λ = c / ν
λ = h / P L
λ = ч / мВ
Уравнение Де-Бройля для частиц: длина волны, сопровождающей движущуюся частицу, равна отношению постоянной Планка к импульсу частицы.
Факторы, влияющие на длину волны, связывающую движущуюся частицу
- Масса частицы (м) (обратно пропорциональна).
- Скорость частицы (v) (обратно пропорциональна).
Итак, волновая природа для света и электронов следующая:
Волновая природа света
- Свет — это огромная группа фотонов, которая имеет связанную волну, описывающую его поведение при распространении, отражении , преломлении , интерференции и дифракции .
- Кажется, что отдельный фотон несет генетические рецепты волны (те же свойства, что и группа фотонов) с точки зрения частоты, длины волны и скорости.
Волновая природа электронов
- Пучок электронов — это огромная группа электронов, которая имеет связанную волну, которая описывает его поведение.
- Кажется, что электрон несет в себе все генетические рецепты (те же характеристики группы электронов) с точки зрения массы, заряда, вращения вокруг себя (перекрывающийся спин) и количества движения.
- Волна, которая сопровождает движущийся электрон, имеет частоту, скорость, длину волны и характеристики распространения, отражения, преломления, интерференции и дифракции.
Ясно, что мы можем использовать электронный луч так же, как и световой луч. Это основа электронного микроскопа .
Электронный микроскоп
Чтобы сформировать увеличенное изображение небольших объектов, необходимо, чтобы длина волны, используемой в фотографии, была меньше размеров конфигурируемого тела, а длина волны нормального света имела ограниченные размеры, чтобы оптический микроскоп мог ‘ t использоваться для обнаружения очень мелких объектов, например вирусов.
Волновая природа электрона
Ускорение пучка электронов, высвобождаемых под действием большой разности потенциалов (V), и скорость высвобождаемых электронов можно определить из соотношения:
KE = ½ м e v² = e V
Мы можем вычислить длину волны, которая связывает движение электрона , используя уравнение Де-Бройля: λ = h / mv
Таким образом, при увеличении разности потенциалов между катодом и анодом в электронном микроскопе его кинетическая энергия увеличивает скорость электрона (v), длина волны (λ) волны, которая связывает электрон, уменьшается, пока не станет меньше, чем размер тела, поэтому формируется увеличенное изображение.
Итак, электронный микроскоп рассматривается из инструментов, которые зависят от дуальности волна-частица для электронов . Оптический микроскоп и электронный микроскоп похожи в разных областях, как:
Оптический микроскоп : Используемый луч представляет собой луч света. Используемые линзы представляют собой стеклянные линзы, которые концентрируют свет на теле и увеличивают его, разрешающая способность низкая, сила увеличения ограничена, так как не удается различить мелкие детали.
Электронный микроскоп : Используемый луч представляет собой электронный луч с длиной волны короче длины волны светового луча в 1000 раз. Используемые линзы представляют собой электронные (магнитные) линзы для фокусировки электронного луча на теле, чтобы увеличить его, разрешающая способность высокая, как у Электрон может нести высокую кинетическую энергию и, следовательно, очень короткую длину волны (λ), поэтому он может обнаруживать очень маленькие объекты, которые не видит нормальный свет, мощность увеличения очень высока, поэтому он может различать мелкие детали.