Произходът на квантовата теория - Вълнова и квантова оптика - ЕЛЕКТРОДИНАМИКА - ВСИЧКИ УРОЦИ ПО ФИЗИКА 11
Семестър 2
ЕЛЕКТРОДИНАМИКА
5. Вълнова и квантова оптика
УРОК 14/72
Тема. Раждането на квантовата теория
Целта на урока: да запознае учениците с историята на възникването на квантовата теория.
Вид на урока: урок за изучаване на нов материал.
Учене на нов материал
1. Противоречия между теория и опит.
2. Хипотезата на Планк.
Затвърдяване на изучения материал
1. Качествени въпроси.
2. Научаване за решаване на проблеми.
ИЗУЧЕТЕ НОВ МАТЕРИАЛ
Един от проблемите, пред които са изправени физиците в края на 19 век, е установяването на законите за излъчване на напълно черно тяло.
Ø Черното тяло е физически модел на тяло, което напълно абсорбира всякаква радиация, падаща върху него.
Експериментално е получено разпределението на енергията в спектъра на излъчване на черно тяло. Никой обаче не знаеше аналитичната форма на съответстващата преди това графика на функцията Wλ = f (λ).
Освен това всички опити на учените да получат тази функция експериментално завършиха с неуспех.
За да се постигне съгласие между теорията и опита, беше необходимо да се приеме, че светлината се излъчва и абсорбира на отделни порции (кванти). Това означаваше, че светлината притежава свойствата не само на вълни, но и на частици.
Светлината се излъчва и поглъща от материята не непрекъснато, а на отделни порции - кванти.
Освен това енергията на такъв квант се определя от стойността E = hv, където h е константата на Планк.
По съвременни данни h = 6,63 · 10-34 J s.
По това време обаче нямаше преки експериментални доказателства за съществуването на радиационни кванти. В резултат на това идеята на Планк се възприема от повечето физици като "хитър трик", който няма сериозна научна основа.
След откриването на Планк започва да се развива нова, най-модерна и дълбока физична теория – квантовата теория. Разработката му не е завършена и до днес.
Планк първо смята, че светлината се излъчва само в кванти, но се разпространява и абсорбира непрекъснато. Ситуацията се промени радикално, когато Алберт Айнщайн стигна до заключението, че монохроматичното излъчване се държи така, сякаш се състои от N = W / hv независими енергийни кванти от hv всеки. Айнщайн предполага, че не става въпрос само за енергийни кванти, а за реалните частици, които съставляват всяко електромагнитно излъчване. По-късно светлинните частици (светлинните кванти) са наречени фотони.
Фотоните имат следните свойства:
1. Фотонът е електрически неутрална частица; зарядът му е нула.
2. Скоростта на фотона не зависи от избора на отправна система и винаги е равна на скоростта на светлината във вакуум.
3. Енергията на фотона е пропорционална на честотата на електромагнитното излъчване, чийто квант е той: E = hv.
4. Импулсът на фотона е равен на:
5. Масата на фотона е нула.
Последното свойство се отнася само за един фотон, докато светлината като цяло (като поток от фотони) има маса. Например, за система от два фотона, които имат еднаква енергия и летят под ъгъл θ един спрямо друг, масата се определя от връзката:
6. Фотони се излъчват при: преминаване на частиците на материята от възбудено състояние в състояние с по-ниска енергия; ускорение на заредени частици; разпадането на някои частици; анихилация. По време на поглъщането на светлина от вещество, фотонът напълно прехвърля цялата енергия на частиците на веществото.
ВЪПРОС КЪМ УЧЕНИЦИТЕ ПО ВРЕМЕ НА ПРЕДСТАВЯНЕТО НА НОВ МАТЕРИАЛ
1. Дайте примери за абсолютно черни тела.
2. Как са свързани квантовата енергия и честотата на излъчване?
3. Коя микрочастица се нарича фотон?
1. Какви факти свидетелстват за наличието на корпускулярни свойства на светлината?
2. Каква е същността на квантовите идеи за разпространението и поглъщането на светлината?
КОНФИГУРАЦИЯ НА ИЗУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛ
1. Как се променя енергията на фотона с увеличаване на дължината на вълната на светлината?
2. Какви нови неща е донесъл Айнщайн в развитието на квантовите концепции в сравнение с хипотезата на Планк?
2). Да се научим да решаваме проблеми
1. Определете енергията на квант видима светлина с дължина на вълната 500 nm.
2. Колко фотона в секунда излъчва косъм от 100 V електрическа лампа с нажежаема жичка, ако 4,4% от електрическата енергия се изразходва за излъчване на светлина? Считайте, че дължината на вълната на излъчване е 600 nm.
Решения. Тъй като всеки фотон има енергия E, то общата енергия на N фотона е равна на W = EN, а мощността на излъчване Рcorisn = W / t, където t е времето, през което лампата излъчва N фотона. Полезната мощност може да се намери от съотношението:
Тъй като енергията на фотона е
От формулата за ефективност имаме: от където:
След проверка на единиците за величини и заместване на числовите стойности получаваме N = 1,3 1019.
3. Чувствителността на ретината към жълта светлина е 3,33 10-18 W. Колко фотона трябва да се абсорбират от ретината всяка секунда, за да има зрително усещане? Вземете дължината на вълната равна на 600 nm.
КАКВО НАУЧИХМЕ В УРОКА
• Черното тяло е физически модел на тяло, което напълно абсорбира всякаква радиация, падаща върху него.
• Светлината се излъчва и поглъща от материята не непрекъснато, а на отделни порции – кванти.
1) зарядът е нула;
2) се движи със скоростта на светлината във вакуум;
3) фотонна енергия: E = hv.
4) импулс на фотон: