Зародження квантової теорії - Хвильова та квантова оптика - ЕЛЕКТРОДИНАМІКА - ВСІ УРОКИ ФІЗИКИ 11

2-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

5. Хвильова та квантова оптика

УРОК 14/72

Тема. Зародження квантової теорії

Мета уроку: ознайомити учнів із історією зародження квантової теорії.

Тип уроку: вивчення нового матеріалу.

Вивчення нового матеріалу

1. Суперечності між теорією та досвідом.

2. Гіпотеза Планка.

Закріплення вивченого матеріалу

1. Якісні питання.

2. Вчимося вирішувати завдання.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Однією із проблем, з якою фізики зіткнулися наприкінці ХІХ століття, було встановлення закономірностей випромінювання абсолютно чорного тіла.

Ø Абсолютно чорне тіло - це фізична модель тіла, що повністю поглинає будь-яке випромінювання, що падає на нього.

Експериментально було отримано розподіл енергії у спектрі випромінювання чорного тіла. Однак аналітичний вигляд відповідної до цього графіка функції W = f (λ) нікому не був відомий.

Понад те, всі спроби вчених отримати експериментально цю функцію закінчувалися невдачею.

Щоб досягти згоди між теорією та досвідом, треба було прийняти, що світло випромінюється та поглинається окремими порціями (квантами). Це означало, що світло має властивості як хвиль, а й частинок.

Світло випромінюється і поглинається речовиною не безперервно, а окремими порціями – квантами.

Причому енергія такого кванта визначалася величиною E = hv де h - Постійна Планка.

За сучасними даними h = 6,63 · 10-34 Дж с.

Проте на той час був прямих експериментальних доказів існування квантів випромінювання. В результаті ідею Планка більшість фізиків сприйняли як «спритний фокус», що не мав серйозних наукових підстав.

Після відкриття Планка почала розвиватися нова, найсучасніша і найглибша фізична теорія - квантова теорія. Розвиток її не завершено й донині.

Планк спочатку вирішив, що світло лише випромінюється квантами, але поширюється і поглинається безперервно. Ситуація докорінно змінилася, коли Альберт Ейнштейн дійшов висновку, що монохроматичне випромінювання поводиться так, ніби складається з N = W/hv незалежних один від одного квантів енергії завбільшки hv кожен. Ейнштейн припустив, що справа не просто в квантах енергії, а в реальних частках, з яких складається електромагнітне випромінювання. Пізніше частинки світла (кванти світла) почали називати фотонами.

Фотони мають такі властивості:

1. Фотон є електрично нейтральною частинкою; його заряд дорівнює нулю.

2. Швидкість руху фотона залежить від вибору системи відліку і завжди дорівнює швидкості світла у вакуумі.

3. Енергія фотона пропорційна частоті електромагнітного випромінювання, квантом якого є: E = hv .

4. Імпульс фотона дорівнює:

5. Маса фотона дорівнює нулю.

Остання властивість стосується лише окремого фотона, а світло загалом (як потік фотонів) має масу. Наприклад, для системи з двох фотонів, що мають однакову енергію і летять під кутом один до одного, масу визначають співвідношенням:

6. Фотони випромінюються під час: переходів частинок речовини зі збудженого стану до стану з меншою енергією; прискорення заряджених частинок; розпаду деяких частинок; анігіляції. Під час поглинання світла речовиною фотон передає всю енергію частинкам речовини.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Наведіть приклади абсолютно чорних тіл.

2. Як пов'язана енергія кванта та частота випромінювання?

3. Яку мікрочастинку називають фотоном?

1. Які факти свідчать про наявність у світла корпускулярних властивостей?

2. У чому сутність квантових уявлень про поширення та поглинання світла?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Як змінюється енергія фотона зі збільшенням довжини хвилі світла?

2. Що нового вніс Ейнштейн у розвиток квантових уявлень проти гіпотезою Планка?

2). Вчимося вирішувати завдання

1. Визначте енергію кванта видимого світла довжиною хвилі 500 нм.

2. Скільки фотонів за секунду випромінює волосок електричної лампи розжарювання потужністю 100 В, якщо на випромінювання світла витрачається 4,4 % електричної енергії? Довжину хвилі випромінювання вважайте рівною 600 нм.

Рішення. Оскільки кожен фотон має енергію E то сумарна енергія N фотонів дорівнює W = EN , а потужність випромінювання Ркорисн = W / t , де t - час, за яке лампа випускає N фотонів. Корисну потужність можна знайти із співвідношення:

Оскільки енергія фотона дорівнює то

З формули ККД маємо: звідки:

Перевіривши одиниці величин та підставивши числові значення, отримуємо N = 1,3 · 1019.

3. Чутливість сітківки ока до жовтого світла становить 3,33 · 10-18 Вт. Скільки фотонів має щомиті поглинати сітківка, щоб виникло зорове відчуття? Довжину хвилі прийміть 600 нм.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОКУ

• Абсолютно чорне тіло – це фізична модель тіла, яке повністю поглинає будь-яке випромінювання, що падає на нього.

• Світло випромінюється та поглинається речовиною не безперервно, а окремими порціями – квантами.

1) заряд дорівнює нулю;

2) рухається зі швидкістю світла у вакуумі;

3) енергія фотона: E = hv.

4) імпульс фотона:

---