ГРУППА 206. ФИЗИКА. ТЕМА «Квантовые свойства света"»

 Здравствуйте, ребята! Сегодня приступаем к изучению квантовой физики.

 Квантовая гипотеза Планка

 В физике не все явления и объекты наблюдаются непосредственно. Например, электрическое поле. То, что мы наблюдаем, – это взаимодействие тел, а уже по взаимодействию тел мы судим об электрическом заряде, об электрическом поле, которое вокруг него создается. Если мы не можем что-то наблюдать непосредственно, мы можем судить об этом по его проявлениям. Луч света мы тоже не видим, пока в него что-то не попадет: мошка, дым, стена. Сравните, как вы видите солнечный свет в комнате с чистым воздухом –только в виде солнечных зайчиков на полу и мебели  (то, что на пути луча попадаются молекулы воздуха, трудно заметить невооруженным глазом), и в пыльной комнате –в виде явных лучей .

 При исследовании света по его взаимодействию с веществом было обнаружено его очень интересное свойство: световая энергия излучается и поглощается порциями, которые называются квантами. Непривычно слышать? Но в природе это свойство встречается не так уж и редко, мы этого даже не замечаем. Об этом мы сегодня и поговорим

.Дискретность и непрерывность. Есть вещи, которые мы можем пересчитать в штуках, как пальцы на руке, ручки на столе, автомобили... Есть один автомобиль, а есть два, среднего быть не может, пол-автомобиля – это уже груда запчастей. Так вот,

карандаши, автомобили, все предметы, которые являются отдельными и которые мы можем посчитать, дискретны.

В отличие от них попробуйте сосчитать воду: одна, две... Вода непрерывна, ее можно лить струёй, которую всегда можно прервать.

А непрерывен ли сахар? На первый взгляд, да. Его, как и воду, можно взять ложкой сколько угодно. А если присмотреться поближе? Сахар состоит из кристалликов-песчинок, которые мы можем пересчитать Получается, если в сахарнице много сахара и мы его берем оттуда ложкой, нас не интересуют отдельные кристаллики и мы считаем его непрерывным.

 А для муравья, который несет один или два кристаллика, и для нас, наблюдающих за этим через лупу, сахар дискретен. Выбор модели зависит от решаемой задачи. Вы хорошо понимаете, что такое дискретность и непрерывность, когда покупаете одни продукты поштучно, а другие – на развес.

Уже давно никого не удивишь тем, что вещества состоят из отдельных атомов и молекул. И также нельзя взять полмолекулы воды. То же самое мы знаем об электрическом заряде: заряд тела может принимать значения только кратные заряду электрона или протона, потому что это элементарные носители заряда.

Всё непрерывное на каком-то уровне изучения становится дискретным, вопрос только – на каком.

 Квантовая гипотеза Планка

 До этого дискретность, или квантованность, замечали у вещества. Макс Планк впервые указал на то, что этим свойством обладает и энергия. Планк предположил, что энергия света дискретна, а одна порция энергии пропорциональна частоте света. Он это сделал при решении задачи о тепловом излучении. Нам не хватает знаний, чтобы разобраться в этой задаче, но ее Планк  решил, и главное, что его предположение подтвердилось экспериментально.

Гипотеза Планка заключается в следующем: энергия колеблющихся молекул и атомов принимает не любые, а только некоторые определенные значения. Значит, при излучении энергия излучающих молекул и атомов изменяется скачками. Соответственно, свет излучается не непрерывно, а некоторыми порциями, которые Планк назвал квантами .Гипотеза Планка была доказана открытием и объяснением фотоэффекта: это явление испускания электронов веществом под действием света или другого электромагнитного излучения. Это происходит так: энергия одного кванта передается одному электрону

Она идет на то, чтобы вырвать электрон из вещества, а оставшаяся энергия идет на разгон электрона, переходит в его кинетическую энергию. И вот что заметили: чем больше частота света, тем сильнее разгоняются электроны.

Значит, энергия одного кванта излучения пропорциональна частоте излучения.

Планк так и принял: Е = hv

где E –энергия кванта излучения в джоулях, ν – частота излучения в герцах.

Полученный при согласовании экспериментальных данных с теорией коэффициент пропорциональности, равный   h = 6,63 10^-34 Дж с , был назван постоянной Планка.

Удивительно, что мы говорим: «свет проявляет свойства потока частиц», а энергию этих частиц связываем с частотой –характеристикой волны, не частицы. То есть мы не говорим, что свет является потоком частиц, мы просто применяем модель, лишь бы она помогла нам описать явление. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Явление фотоэффекта стало подтверждением квантовой гипотезы, здесь квантовая модель хорошо работает.

        Как волна может выбить электрон из вещества – непонятно. И уж тем более непонятно, почему излучение с одной частотой выбивает электрон, а с другой частотой – нет. И как энергия излучения распределяется по электронам: излучение сообщит большую энергию одному электрону или меньшую – двум? Используя квантовую модель, мы легко во всем разберемся: один поглощенный квант световой энергии (фотон) – может вырвать из вещества только один фотоэлектрон. Если кванта световой энергии для этого недостаточно, электрон не выбивается, а остается в веществе .Лишняя энергия передаётся электрону в виде кинетической энергии его движения после выхода из вещества. А сколько будет таких квантов, столько и электронов подвергнутся их воздействию.

У нас будет отдельный урок, посвященный фотоэффекту, и тогда мы поговорим о нем более подробно, но уже сейчас нам будет понятно уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

А теперь обобщим всё, что вы прочли

Квантовая гипотеза Планка: излучение электромагнитных волн атомами и молекулами вещества происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. отдельными порциями – квантами. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте излучения:

Е = hv,

где h = 6,62 • 10^–34 (Дж • с) – постоянная Планка.

Фотон – это квант света, представляющий из себя электрически нейтральную частицу, которая не имеет массы покоя, а существует только при движении ее со скоростью света в вакууме с = 3 • 10⁸ м/с.

Свойства фотона

• 1) Фотон - частица электромагнитного излучения (квант электромагнитного поля).
•  
• 2) Фотон, будучи квантом электромагнитного поля, существует только в движении. Он либо движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, либо не существует. Остановить, замедлить и ускорить фотон нельзя, как нельзя увеличить или уменьшить скорость света в вакууме.
• 3) Эти частицы сравнительно легко могут зарождаться (излучаться) и исчезать (поглощаться). Фотоны неделимы. Когда атом испускает или поглощает свет, то это испускание и поглощение происходит только целыми фотонами. Поглощенный фотон прекращает свое самостоятельное существование, а его энергия превращается в какой-либо другой вид энергии.

         4) Фотон обладает определенной энергией, массой и импульсом

Энергия и импульс фотона выражаются через волновые физические характеристики – частоту и длину волны:

Е_Ф = hV,

р_Ф = (h • v) / c = h / λ

Для фотона как для релятивистской частицы выполняется закон взаимосвязи массы и энергии:

Е = m • с²                                                                  

ЗАДАНИЕ:

Внимательно прочтите текст и составьте краткий конспект.

Решите задачи:

1. Чему равна энергия фотона, соответствующая световой волне с частотой 6,3 10¹⁴ Гц?

2. Два источника света излучают волны, длины которых λ₁ =3,75∙ 10^-7 м

и λ₂  = 7,5 10^-7 м. Чему равно отношение импульсов р₁ / р₂ фотонов, излучаемых первым и вторым источниками?