Гипотеза Планка о квантах.
Гипотеза Планка — является предположением того, что атомы испускают электромагнитную энергию (свет) отдельными порциями — квантами, а не непрерывно.
Гипотеза Планка — является предположением того, что атомы испускают электромагнитную энергию (свет) отдельными порциями — квантами, а не непрерывно.
Энергия каждой порции является пропорциональной частоте излучения:
где h = 6,63 • 10 -34 Дж • с — является постоянной Планка,
v — является частотой света.
Эта формула является второй из простых великих формул физики (первая — это формула Эйнштейна, которая связывает энергию покоя тела с его массой). Квантовая теория начала развиваться после открытия Планка.
Постоянная Планка (квант действия) — является фундаментальной физической константой, была введена М. Планком в 1900 году. Самое точное значение постоянной Планка h = 6,626176(36) • 10 34 Дж • с.
Однако, чаще всего пользуются постоянной Дж • с, также называемой постоянной Планка.
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
Интерференция света. Электромагнитная природа света
На данном уроке рассматривается становление теории о природе света и его двойственной природе. Дается определение таким понятиям, как свет, интерференция света, фотон, а также рассматривается принцип дополнительности Н. Бора.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.
2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ
Конспект урока «Интерференция света. Электромагнитная природа света»
Я видел сон: прохладный гаснул день,
От дома длинная ложилась тень,
Луна, взойдя на небе голубом,
Играла в стеклах радужным огнем.
Михаил Юрьевич Лермонтов
В данной теме речь пойдёт об интерференции света.
С давних пор существовало два взгляда на природу света. Одни ученые считали, что свет представляет собой волну, другие рассматривали свет как поток частиц (корпускул). Но до начала XIX в. не было достаточно веских доказательств ни в пользу волновых, ни в пользу корпускулярных представлений.
В 1802 году английский ученый Томас Юнг поставил опыт по сложению пучков света от двух источников. Опыт Юнга был достаточно прост. Он взял источник света, коим служила ярко освещенная щель, от которой фронт волны падает на две узкие равноудаленные щели, параллельные источнику. Эти две щели становились источником вторичных сферических когерентных волн. В результате проведенного опыта Юнг получил не меняющуюся во времени картину, состоящую из чередующихся светлых и темных полос. Он смог дать правильное толкование результатов опыта, объяснив возникновение полос интерференцией света.
Ранее рассматривалась интерференция звуковых волн. Напомним, в чем заключается это явление. При наложении двух когерентных волн (т. е. волн с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз) образуется так называемая интерференционная картина, т. е. не меняющаяся со временем картина распределения амплитуд колебаний в пространстве. Это значит, что в одних точках пространства колебания всегда происходят с максимальной амплитудой. Это те точки, в которые колебания от обоих источников в любой момент времени приходят в одинаковых фазах и поэтому всегда усиливают друг друга.
В других точках колебания происходят с минимальной амплитудой. Эти точки расположены по отношению к источникам так, что к ним колебания всегда приходят в противоположных фазах, ослабляя друг друга (а при равных амплитудах колебаний волны в любой момент времени полностью гасят друг друга).
Поскольку явление интерференции присуще только волновым (т. е. периодическим) процессам, то опыт Юнга явился неопровержимым доказательством того, что свет обладает волновыми свойствами. Юнг не только доказал, что свет — это волна, но и измерил длину световой волны.
Оказалось, что свету разных цветов соответствуют разные интервалы длин волн. Самые большие значения длин волн у красного света: от 760 нм до 620 нм.
Поскольку частота колебаний в волне обратно пропорциональна длине волны, то красному цвету соответствуют наименьшие по сравнению с другими цветами частоты.
Длины волн убывают (а частоты возрастают) в следующей последовательности цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
Существует мнемоническая фраза, используемая для запоминания основных цветов видимого спектра светового излучения. В этой фразе начальная буква каждого слова соответствует начальной букве названия определённого цвета:
Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан.
Таким образом, в начале XIX в. опытным путем была подтверждена справедливость волновых взглядов на природу света. В то время ни о каких волнах, кроме механических, ученые еще не знали. Поэтому считали, что свет, подобно звуку, представляет собой механическую упругую волну.
Известно, что упругие волны могут возникать только в веществе, поскольку именно частицы вещества совершают упругие колебания, распространяющиеся в пространстве. Значит, если свет — это упругая волна, то для его распространения нужна среда.
Однако свет от звезд доходит до нас через такие области космического пространства, где нет вещества. Учитывая этот факт, сторонники волновых воззрений на природу света выдвинули гипотезу о том, что все мировое пространство заполнено некой невидимой упругой средой, которую они назвали светоносным эфиром. Считалось, что именно в этом эфире и распространяется свет.
В то же время предположение о существовании светоносного эфира порождало много противоречий и спорных вопросов. Так, например, в конце второго десятилетия XIX века было выяснено, что свет является поперечной волной. Известно, что упругие поперечные волны могут возникать только в твердых телах. Получалось, что светоносный эфир представляет собой твердое тело.
В связи с этим возникал вопрос о том, как планеты и другие небесные тела могут двигаться сквозь твердый эфир, не испытывая при этом никакого сопротивления?
Только к концу 19 века физика накопила достаточно много экспериментальных данных, свидетельствующих о взаимосвязи световых, электрических и магнитных явлений. Это позволило в 70-х годах 19 века Джеймсу Максвеллу создать электромагнитную теорию поля. Он доказал, что в природе должны существовать электромагнитные волны. Максвелл рассчитал скорость распространения электромагнитных волн в вакууме и среде. Совпадение значения скорости распространения электромагнитных волн со скоростью света привело Максвелла к мысли о том, что свет — это электромагнитные волны. Окончательно электромагнитная теория утвердилась после обнаружения Петром Николаевичем Лебедевым давления света на тела, расположенные на пути его распространения.
Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнитную теорию света. Согласно этой теории свет — это электромагнитная волна определенного оптического диапазона, с частотой от трёх на десять в девятой до трёх на десять в девятнадцатой степени Герц.
В то же время по мере развития физики к концу XIX в. был открыт целый ряд экспериментальных фактов, которые можно было объяснить только на основе корпускулярных представлений о свете, т. е. рассматривая его как поток частиц.
В 1900 году немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Причем энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:
Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка.
В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул идею о том, что электромагнитные волны можно рассматривать как поток квантов излучения.
В настоящее время квант электромагнитного излучения называют также фотоном. Фотон (от греческого photos — свет) — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения. Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.
Таким образом, при распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом — корпускулярные.
В 1927 году немецкий физик Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности: для полного понимания природы света необходимо учитывать как волновые, так и корпускулярные свойства света: они взаимно дополняют друг друга.
Однако для объяснения какого-либо эксперимента следует использовать либо волновые, либо корпускулярные представления о природе света, но не те и другие одновременно.
Поэтому в настоящее время признана справедливой как волновая, так и корпускулярная теория. Обе эти теории, дополняют друг друга.
Основные выводы:
– Интерференция света — это наложение световых когерентных волн, в результате которого наблюдается устойчивая во времени картина чередования максимумов и минимумов интенсивности света.
– Свет — это электромагнитная волна определенного оптического диапазона, с частотой от 3· 10 9 до 3 · 10 19 Герц.
– Фотон — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения.
– Принцип дополнительности Нильса Бора гласит, что для полного понимания природы света необходимо учитывать как волновые, так и корпускулярные свойства света: они взаимно дополняют друг друга.
– Однако следует помнить, что для объяснения какого-либо эксперимента следует использовать либо волновые, либо корпускулярные представления о природе света, но не те и другие одновременно.
Фотон. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
В этом видеоуроке мы расскажем, что называется фотоном. Рассмотрим основные свойства, которыми обладает фотон. Получим уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. А также, используя уравнение Эйнштейна, объясним экспериментальные законы фотоэффекта.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.
2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ
Конспект урока «Фотон. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта»
Изучая опыты Александра Григорьевича Столетова, мы с вами смогли сформулировать три основных закона внешнего фотоэффекта. Однако все попытки экспериментально объяснить наблюдаемые зависимости на основе законов электродинамики Максвелла, согласно которым свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределённая в пространстве, оказались безрезультатными. Было абсолютно не ясно, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при достаточно малой длине волны свет вырывает электроны.
Для того, чтобы убрать возникшие противоречия, немецкий учёный Макс Планк выдвинул гипотезу, согласно которой атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. При этом энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:
Фундаментальная постоянная, входящая в это уравнение, была названа постоянной Планка, хотя сам Планк называл её «таинственным послом из реального мира»:
Из гипотезы Планка следовало, что отдельный осциллятор может обладать не любой энергией, а лишь энергией, кратной hν. Таким образом, впервые появилась идея о квантовании энергии.
Развивая идеи Макса Планка, Альберт Эйнштейн в 1905 году для объяснения экспериментальных законов внешнего фотоэффекта выдвинул гипотезу о дискретности самого электромагнитного излучения: свет излучается, поглощается и распространяется в виде отдельных порций (квантов).
По гипотезе Эйнштейна, монохроматическое электромагнитное излучение частотой v обладает не только волновыми свойствами, но и свойствами, характерными для потока частиц. Каждая такая частица движется со скоростью света и несёт квант энергии. В 1928 году американский физик Артур Комптон предложил называть эти частицы фотонами, что в переводе с древнегреческого означало «свет».
Энергию фотона можно выразить и через длину волны, используя соответствующее соотношение:
Так же энергию фотона часто выражают и через циклическую частоту. При этом в формуле для энергии фотона в качестве коэффициента пропорциональности вместо постоянной Планка используют величину
Читается она как «Аш с чертой», и называется постоянной Дира́ка:
На одном из прошлых уроков мы с вами показали, что частица, движущаяся со скоростью, близкой к скорости света, обладает релятивистским импульсом, который связан с энергией частицы выражением, представленным на экране:
Если учесть, что фотон распространяется со скоростью света, то его импульс можно определить по одному из следующих уравнений:
Отсюда получаем, что энергию фотона можно определить, как произведение его импульса и скорости света:
Теперь вспомним, как связаны между собой энергия и импульс релятивистской частицы:
При подстановке в эту формулу энергии фотона находим, что масса фотона (а точнее, масса покоя фотона) равна нулю.
Оказывается, что фотон — это удивительная частица, которая обладает энергией, импульсом, но вследствие того, что скорость его движения всегда равна скорости распространения света, его масса покоя равна нулю. Напомним, что такие частицы называют безмассовыми.
Следовательно, фотон существует лишь пока он движется. Но несмотря на это, фотон является самой распространённой по численности частицей во Вселенной. На один нуклон (то есть на одно атомное ядро) приходится не менее 20 миллиардов фотонов.
Обобщив выше сказанное мы можем выделить следующие свойства фотона:
· существует только в движении;
· является безмассовой частицей;
· модуль его скорости движения равен модулю скорости распространения света в вакууме во всех ИСО;
· его энергия пропорциональна частоте соответствующего электромагнитного излучения;
· модуль импульса фотона равен отношению его энергии к модулю скорости.
Таким образом, при освещении электрода электромагнитным излучением происходит взаимодействие фотонов с электронами вещества. Если энергия фотона достаточно велика, то какой-либо из электронов после поглощения фотона может получить энергию, достаточную для того, чтобы покинуть облучаемое тело. Электроны, покинувшие образец, имеют некоторую скорость, поэтому даже при отсутствии напряжения между электродами сила фототока не равна нулю.
Для того чтобы покинуть вещество, электрон должен совершить работу против сил связи электрона с атомами вещества. Она называется работой выхода. Для металлов эта работа связана с преодолением сил взаимодействия электронов с положительно заряженными ионами кристаллической решётки, которые удерживают электрон в веществе. Работа выхода для металлов обычно составляет несколько электронвольт.
Электронвольт — это энергия, которую приобретёт частица с зарядом, равным элементарному, при перемещении между двумя точками с ускоряющей разностью потенциалов 1 В:
1 эВ =1,6 ∙ 10 –19 Дж.
Оставшаяся часть энергии поглощённого кванта составляет кинетическую энергию освободившегося электрона. Наибольшей кинетической энергией будут обладать те электроны, которые поглотят кванты света вблизи поверхности металла и вылетят из него, не успев потерять энергию при столкновениях с другими частицами в металле.
На основе закона сохранения энергии можно записать следующее уравнение для фотоэлектрона:
Это соотношение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Теперь, познакомившись с фотоном и уравнением Эйнштейна, можно приступить к объяснению экспериментальных законов фотоэффекта.
Итак, первый закон фотоэффекта утверждает, что сила фототока насыщения пропорциональна общему числу фотоэлектронов, покидающих поверхность металла за единицу времени. Число же таких фотоэлектронов пропорционально числу фотонов, падающих на поверхность за это же время. Обратите внимание, что именно пропорционально, а не равно, так как часть квантов света поглощается кристаллической решёткой, и их энергия переходит во внутреннюю энергию металла (он нагревается). Поэтому логично, что при увеличении интенсивности падающего света бо́льшее количество фотонов будут взаимодействовать с веществом. А это приводит к росту числа фотоэлектронов, покидающих поверхность металла.
Второй закон фотоэффекта говорит нам о том, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте падающего на катод излучения и не зависит от интенсивности этого излучения.
И действительно, фотоэлектрон вырывается из катода за счёт действия одного кванта падающего излучения (одного фотона). Поэтому кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от полной энергии волны, а от энергии одного кванта, которая, как мы помним, линейно зависит от частоты излучения. При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов возрастает линейно, как следует из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта:
И, наконец, третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует минимальная частота света, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.
Действительно, если частота падающего излучения меньше граничной частоты, при которой энергия кванта света равна работе выхода (hvmin = Aвых), то испускания электронов не происходит.
Из этого соотношения легко найти красную границу фотоэффекта:
Так как h — это постоянная величина, то из формулы следует, что красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода электронов (иными словами, определяется только строением металла и состоянием его поверхности).
Используя соотношение между длиной волны и её частотой, можно получить формулу для определения длины волны излучения, соответствующей красной границе фотоэффекта:
Для закрепления нового материала решим с вами такую задачу. Определите задерживающее напряжение между электродами фотоэлемента при освещении его светом с длиной волны 200 нм, если работа выхода электронов из металла равна 4 эВ.
В заключение отметим, что явление фотоэффекта нашло широкое применение не только в технике, но и в нашей с вами повседневной жизни. Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта, называют фотоэлементами.
Фотоэлементами оборудуются многие автоматические станки на производстве, для прерывания их работы в чрезвычайных ситуациях (например, при попадании руки человека в рабочую зонe пресса). Фотоэлементы применяются для выдвигания преграды в турникете метро, автоматического включение освещения на улицах, включения воды в кране и сушилки для рук. Их используют и в военном деле в самонаводящихся снарядах, для сигнализации и локации невидимыми лучами. С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на киноплёнке. Фотоэлементы нашли применение и в сортировке массовых изделий по размерам и окраске. Их широко применяют при производстве солнечных батарей, устанавливаемых на космических спутниках.
Как видим, явление фотоэффекта, открытое более 120 лет назад Генрихом Герцем, широко вошло в нашу повседневную жизнь и подарило множество замечательных приборов и открытий.