рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Световые кванты

Световые кванты - раздел Биология, Квантовая физика как новый этап изучения природы Световые Кванты. Квантовым Законам Подчиняется Поведение Всех Микрочастиц. Но...

Световые кванты. Квантовым законам подчиняется поведение всех микрочастиц. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света. В развитии представлений о при¬роде света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тща¬тельно исследованного выдающимся русским физиком Александром Гри¬горьевичем Столетовым.

Явле¬ние это получило название фотоэф¬фекта. Фотоэффектом называют вырыва¬ние электронов из вещества под дей¬ствием света. Свет вырывает элек¬троны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электро¬ны отталкиваются от нее и электро¬метр разряжается. При положитель¬ном же заряде пластины вырван¬ные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не из¬меняется. Однако, когда на пути света по¬ставлено обыкновенное стекло, отри- цательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения.

Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе несложный факт нельзя объяс¬нить на основе волновой теории све¬та. Непонятно, почему световые вол¬ны малой частоты не могут вырывать электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, ве¬лика сила, действующая на элект¬роны. При изменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающее напряжение, как показали опыты, не меняется.

Это означает, что не меняется кинети¬ческая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со сто¬роны электромагнитного поля свето¬вой волны и тем большая энергия, казалось бы, должна передаваться электронам. На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света.

Максимальная кине¬тическая энергия фотоэлектронов ли¬нейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если частота света меньше опре¬деленной для данного вещества ми¬нимальной частоты Vmin, то фото¬эффект не происходит. Законы фотоэффекта просты по форме. Но зависимость кинетической энергии электронов от частоты вы¬глядит загадочно. Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, соглас¬но которым свет—это электромаг¬нитная волна, непрерывно распреде¬ленная в пространстве, оказались безрезультатными.

Нельзя было по¬нять, почему энергия фотоэлектро¬нов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает элект¬роны. Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, раз¬вившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В эксперименталь¬ных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельны¬ми порциями.

Энергия Е каждой порции излу¬чения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональ¬на частоте: E=hv, где h — постоянная Планка. Из того что свет, как показал Планк, излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура са¬мого света. Ведь и минеральную воду продают в бутылках, но от¬сюда совсем не следует, что вода имеет прерывистую структуру и со¬стоит из неделимых частей.

Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энер¬гии E=hv сохраняет свою инди¬видуальность и в дальнейшем. По¬глотиться может только вся порция целиком. Кинетическую энергию фотоэлек¬трона можно найти, применив закон сохранения энергии. Это уравнение объясняет основ¬ные факты, касающиеся фотоэффек¬та. Интенсивность света, по Эйн¬штейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в свето¬вом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из ме¬талла.

Скорость же электронов со¬гласно определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от рода металла и состоя¬ния его поверхности. От интенсив¬ности света она не зависит. Для каждого вещества фото¬эффект наблюдается лишь в том слу¬чае, если частота v света больше минимального значения Ведь чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетиче¬ской энергии, нужно совершить рабо¬ту выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы: . Предельную частоту, называ¬ют красной границей фотоэффекта.

Для цинка красной границе соот¬ветствует длина волны м (ультрафиолетовое излу¬чение). Именно этим объясняется опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи. Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. Поэто¬му в опыте ис¬пользовалась цинковая пластина. У щелочных металлов работа вы¬хода, напротив, меньше, а длина вол¬ны, соответствующая красной границе, больше.

Пользуясь уравнением Эйнштей¬на можно найти постоянную Планка h. Для этого нужно экспе¬риментально определить частоту све¬та v, работу выхода А и измерить кинетическую энергию фотоэлектро¬нов. Такого рода измерения и рас¬четы дают Дж.с. Точ¬но такое же значение было найдено Планком при теоретическом изуче¬нии совершенно другого явления — теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полу¬ченных различными методами, под¬тверждает правильность предполо¬жения о прерывистом характере из¬лучения и поглощения света ве¬ществом. Уравнение Эйнштейна, не¬смотря на свою простоту, объясняет основные закономерности фотоэф¬фекта.

Эйнштейн был удостоен Но¬белевской премии за работы по тео¬рии фотоэффекта. В современной физике фотон рас¬сматривается как одна их элемен¬тарных частиц. Таблица элементар¬ных частиц уже многие десятки лет начинается с фотона. Энергия и импульс фотона. При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энер¬гией E=hv, зависящей от частоты.

Порция света оказалась неожидан¬но очень похожей на то, что принято называть частицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называют корпускуляр¬ными. Сама же световая частица была названа фотоном или квантом электромагнитного излучения. Фотон подобно частицам обла¬дает определенной порцией энергии hv. Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через цикли¬ческую частоту. Согласно теории относительности энергия всегда связана с массой соотношением. Так как энер¬гия фотона равна hv, то, следова¬тельно, его масса m получается рав¬ной Фотон лишен массы покоя то, т. е. он не существует в состоянии покоя, и при рождении сразу имеет скорость с. Масса, определяемая формулой,—это масса движу¬щегося фотона.

Направлен импульс фотона по световому лучу. Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем от¬четливее выражены корпускулярные свойства света. Из-за того что по¬стоянная Планка мала, энергия фо¬тонов видимого излучения крайне незначительна.

Фотоны, соответ¬ствующие зеленому свету, имеют энергию 4-10~19 Дж. Тем не менее в замечательных опытах С. И. Вавилова было уста¬новлено, что человеческий глаз, этот тончайший из “приборов”, способен реагировать на различие освещен-ностей, измеряемое единичными квантами. Ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Может показаться, что это возврат к корпускулярной теории Ньютона. Однако нельзя за¬бывать, что интерференция и ди¬фракция света вполне определенно говорят о наличии у света волновых свойств.

Свет обладает своеобраз¬ным дуализмом (двойственностью) свойств. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпус¬кулярные. Все это, конечно, странно и непривычно. Мы не в состоянии пред¬ставить себе наглядно, как же это может быть. Но тем не менее это факт. Мы лишены возможности пред¬ставлять себе наглядно в полной мере процессы в микромире, так как они совершенно отличны от тех макро¬скопических явлений, которые люди наблюдали на протяжении миллио¬нов лет и основные законы кото¬рых были сформулированы к концу XIX века. С течением времени двойствен¬ность свойств была открыта у элек¬тронов и других элементарных час¬тиц. Электрон, в частности, наряду с корпускулярными свойствами обла¬дает также и волновыми.

Наблю¬дается дифракция и интерференция электронов. Эти необычные свойства микро¬объектов описываются с помощью квантовой механики — современной теории движения микрочастиц.

Ме¬ханика Ньютона оказывается здесь в большинстве случаев непримени¬мой. Но изучение квантовой ме¬ханики выходит за рамки школьного курса физики. Фотон—элементарная частица, лишенная массы покоя и электри¬ческого заряда, но обладающая энергией и импульсом. Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами. Поглоще¬ние и излучение электромагнитной энергии отдельными порциями — проявление корпускулярных свойств электромагнитного поля. Корпускулярно-волновой дуа¬лизм — общее свойство материи, про¬являющееся на микроскопическом уровне.

IV.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Квантовая физика как новый этап изучения природы

Многократно про¬веренные законы электромагнетизма Максвелла неожиданно “забасто¬вали”, когда их попытались приме¬нить к проблеме излучения… II. Возникновение квантовой теории Электродинамика Максвелла приводила к… Энергия Е каждой порции прямо пропорцио¬нальна частоте v излучения: E=hv. Коэффициент пропорциональности h получил…

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Световые кванты

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Возникновение квантовой теории
Возникновение квантовой теории. Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному вы¬воду, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромаг¬нитных волн,

Атомная физика
Атомная физика. Английский физик Эрнест Резерфорд исследовал рассеяние а-частиц десять тысяч раз меньшее по разме-веществом и открыл в 1911 г. атомное ядро - массивное образование. Не сразу ученые

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги