Квантовая физика Учитель: Дарвишева Ирина Юрьевна

ЗАРОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось: более 200 лет существуют законы механики, теория все­ мирного тяготения; разработана МКТ; подведен прочный фундамент под термодинамику; завершена теория электромагнетизма Максвелла; открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, массы и электрического заряда). Но… 1)В конце XIX - начале XX вв. открыты: Рентгеном -х-лучи; Беккерелем - явление радиоактивности; Д. Томсоном - электрон... 2) Австрийские физики И. Стефан и Л. Больцман эксперимен­тально установили распределение энергии в спектре излучения на­гретых тел. Эксперимент не совпадал с теорией Максвелла. 3) Теория относительности А. Эйнштейна потребовала корен­ного пересмотра представлений о пространстве и времени. Класси­ческая физика не давала ответов на поставленные вопросы, что и привело к созданию современной квантовой теории.

Тепловое излучение тел Изучая закономерности теплового излучения тел, физики надеялись установить взаимосвязь между термодинамикой и оптикой. Пусть одно из тел в полости обладает свойством поглощать всю падающую на его поверхность лучистую энергию любого спектрального состава. Такое тело называют абсолютно черным. Абсолютно черных тел в природе не бывает. Хорошей моделью такого тела является небольшое отверстие в замкнутой полости. Свет, падающий через отверстие внутрь полости, после многочисленных отражений будет практически полностью поглощен стенками, и снаружи отверстие будет казаться совершенно черным. Но если полость нагрета до определенной температуры T, и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела. С увеличением температуры внутри полости будет возрастать энергия выходящего из отверстия излучения и изменяться его спектральный состав.

Несколько позднее, в 1884 году, Л. Больцман вывел эту зависимость теоретически, исходя из термодинамических соображений. Этот закон получил название закона Стефана–Больцмана. Числовое значение постоянной σ, по современным измерениям, составляет σ = 5,671·10 –8 Вт / (м 2 · К 4 )

К концу 90-х годов XIX века были выполнены тщательные экспериментальные измерения спектрального распределения излучения абсолютно черного тела, которые показали, что при каждом значении температуры T зависимость r (λ, T) имеет ярко выраженный максимум. С увеличением температуры максимум смещается в область коротких длин волн, причем произведение температуры T на длину волны λ m, соответствующую максимуму, остается постоянным: λ m T = b Оно выражает так называемый закон смещения Вина: длина волны λ m, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре T. Значение постоянной Вина b = 2,898·10 –3 м·К Решить задачу о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела в рамках существующих теорий невозможно.

Квантовая гипотеза Планка М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света: E = hν где h – так называемая постоянная Планка. h = 6,626·10 –34 Дж·с Постоянная Планка – это универсальная константа, которая в квантовой физике играет ту же роль, что и скорость света в СТО. 23 апреля 1858, 4 октября 1947) немецкий физик- теоретик, основоположник квантовой физики.

Согласно Планку излучающее тело всегда испускает энергию Е = nhv п любое целое положительное число. Формула Планка прекрасно согласуется с эксперименталь­ными данными. Формула Планка хорошо описывает спектральное распределение излучения черного тела при любых частотах. Из формулы Планка можно вывести законы Стефана–Больцмана и Вина. Идея Планка о прерывном характере процессов испускания и поглощения света оказала громадное влияние на все дальней­ шее развитие физики г. - Планк получил Нобелевскую премию за введение понятия кванта и объяснение спектра излучения абсолютно черного тела.

Явление фотоэффекта История: В 1887 г. Г. Герц обнаружил, что если направить на отрицательный электрод искрового разряд­ника ультрафиолетовое излучение, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствие освещения. Герцу не удалось дать правильного объяснения этому явлению. Опыты В. Гальвакса, и в особенности тщательные исследования А. Г. Столетова, проведенные в гг., позволили понять сущность явления, обнаруженного Герцем: оно обусловлено выбиванием под действием света от­рицательных зарядов из металлического катода разрядника. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон В дальнейшем измерения удельного заряда этих частиц пока­зали, что они представляют собой электроны. Явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света называют внешним фотоэлектрическим эф­фектом (или просто фотоэффектом), а вырванные таким образом электроны иногда называют фотоэлектронами.

Опыты по изучению фотоэффекта В своих знаменитых экспериментах Столетов использовал фотоэлемент собственной конструкции. Алекса́ндр Григо́рьевич Столе́тов (10 августа мая 1896) русский физик, заслуженный профессор Московского университета. Получил кривую намагничивания железа, систематически исследовал внешний фотоэффект ( ), открыл первый закон фотоэффекта. Исследовал газовый разряд, критическое состояние и другие явления. Основал физическую лабораторию в Московском университете.

В стеклянную колбу, из которой выкачан воздух, введены два электрода: цинковый катод K и анод A. На катод и анод подаётся напряжение, величину U которого можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром V. Катод освещается ультрафиолетовыми лучами УФ через специальное кварцевое окошко, сделанное в колбе. Ультрафиолетовое излучение выбивает с катода электроны e, которые разгоняются напряжением U(анодное напряжение ) и летят на анод. Опыты по изучению фотоэффекта Включённый в цепь миллиамперметр mA регистрирует электрический ток. Этот ток называется фототоком, а выбитые электроны, его создающие, называются фотоэлектронами. В опытах Столетова можно независимо изменять три величины: анодное напряжение, интенсивность света и его частоту.

Зависимость фототока от напряжения Меняя величину и знак анодного напряжения, можно проследить, как меняется фототок. График этой зависимости, называемый характеристикой фотоэлемента. Величина задерживающего напряжения позволяет определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов. фототок присутствует при нулевом напряжении при достаточно больших положительных значениях напряжения ток достигает своей предельной величины Iн, называемой током насыщения, и дальше возрастать перестаёт

Опытным путем установлены три закона внешнего фотоэффекта: 1. Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте). Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл. Чем больше энергии несёт излучение, тем ощутимее наблюдаемый результат. 2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. 3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота света min, при которой еще возможен внешний фотоэффект; Важнейшим свойством фотоэффекта является его безынерционность, которая не может быть объяснена с точки зрения волной теории: фотоэффект возникает сразу же при освещении поверхности тела при условии, что частота света v>v min. Законы фотоэффекта

Теория фотоэффекта

Работа выхода - это характеристика материала (табличная величина). Она показывает, какую работу должен совершить электрон, чтобы преодолеть поверхностную разность потенциалов и выйти за пределы металла. Работа выхода обычно измеряется в электронвольтах (эВ).

Уравнение Эйнштейна даёт возможность экспериментального нахождения постоянной Планка. В ходе таких опытов было получено значение h, в точности совпадающее со значением h = 6,626·10 –34 Дж·с Такое совпадение результатов двух независимых экспериментов на основе спектров теплового излучения и уравнения Эйнштейна для фотоэффекта означало, что обнаружены совершенно новые «правила игры», по которым происходит взаимодействие света и вещества. В этой области классическая физика в лице механики Ньютона и электродинамики Максвелла уступает место квантовой физике теории микромира, построение которой продолжается и сегодня.

Фотоны В результате исследования явлений, связанных с взаимодействием света и вещества (тепловое излучение и фотоэффект), физики пришли к выводу, что свет состоит из отдельных порций энергии фотонов. Излучение света, его распространение и поглощение происходит строго этими порциями. Фотоны обладают энергией и импульсом и могут обмениваться ими с частицами вещества (скажем, с электронами или атомами). При этом мы говорим о столкновении фотона и частицы. При упругом столкновении фотон меняет направление движения свет рассеивается. При неупругом столкновении фотон поглощается отдельной частицей вещества так происходит поглощение света. Фотон ведёт себя как частица и поэтому наряду с электроном, протоном, нейтроном и некоторыми другими частицами причислен к разряду элементарных частиц.

Энергия фотона

Импульс фотона

Давление света Свет оказывает давление на освещаемую поверхность. Такой вывод был сделан Максвеллом из теоретических соображений и получил экспериментальное подтверждение в знаменитых опытах П. Н. Лебедева. Если понимать свет как поток фотонов, обладающих импульсом, то можно легко объяснить давление света. Пётр Никола́евич Ле́бедев ( ) выдающийся русский физик- экспериментатор, первым подтвердивший на опыте вывод Максвелла о наличии светового давления.

Двойственная природа света (корпускулярно-волновой дуализм) 1. Явления интерференции, дифракции и поляризации света, характерные для любых волновых процессов, подтверждают, что свет имеет волновую природу, свет это электромагнитная волна. 2. Явления взаимодействия света и вещества (фотоэффект, давление света) указывают на то, что свет ведёт себя как поток отдельных частиц. Фотоны обладают энергией и импульсом, участвуют во взаимодействиях с атомами и электронами. Это доказывает, что свет имеет корпускулярную природу, свет это совокупность фотонов, мчащихся в пространстве. Свет имеет двойственную, корпускулярно- волновую природу.

Эффект Комптона Эффект Комптона – изменение длины волны падающего на вещество излучение при рассеянии его веществом (открыт А. Комптоном в 1923 г.). Исследуя рассеяние рентгеновского излучения на парафине Комптон обнаружил в спектре рассеянного излучения наряду с длиной волны падающего излучения присутствие новых, больших по величине, длины волн. В этом процессе электромагнитное излучение ведёт себя как поток отдельных частиц – корпускул (которыми в данном случае являются кванты электромагнитного поля - фотоны), что доказывает двойственную – корпускулярно-волновую – природу электромагнитного излучения. С точки зрения классической электродинамики рассеяние излучения с изменением частоты невозможно.

Волновые свойства частиц

Когда де Бройль опубликовал эту гипотезу, никаких экспериментальных доказательств её правильности не было. Только в 1927 году американские ученые Дэвиссон и Джермер подтвердили эту гипотезу опытом. Изучая рассеяние электронов на кристаллической структуре никеля, они случайно обнаружили дифракцию электронов. В этом же году Томсон и Тарковский уже специально изучали дифракцию электронов на металлической фольге. Волна де Бройля очень мала.

Фотоэффект внешний внутренний вентильный

Внутренний фотоэффект Вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками называются полупроводниками. Проводимость их зависит от температуры. Но и освещение полупровод­ников может привести к появлению в них носителей тока. Проводимость, обусловленную появ­лением дополнительных свободных зарядов, называют фотопро­ водимостью. В результате облучения полупроводника светом с достаточно большой частотой концентра­ция свободных носителей тока возрастает и электро­проводность полупроводника увеличивается. Это явление называют внутренним фотоэффектом.

Вентильный фотоэффект Вентильный фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). 1) анод 2) п-слой 3) Граничный слой 4) р-слой 5) катод Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Применение фотоэффекта Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта, называют фотоэлементами. Вакуумные фотоэлементы Полупроводниковые фотоэлементы Вентильные фотоэлементы Газонаполненные фотоэлементы

Вакуумный фотоэлемент 1- катод -тонкий слой серебра (это подложка), на который напыляют светочувствительный слой из металла 2- анод Сила фототока в вакуумных фотоэлементах мала. Для усиле­ния тока используют иногда ударную ионизацию газа. С этой целью баллон заполняют инертным газом (чаще всего аргоном) под давлением около 110 Па. За счет ударной ионизации сила тока возрастает в десятки раз. Вакуумные фотоэлементы применяются в: -схемах световой сигнализации(турникеты метро, аварийная остановка станков, само открывающиеся двери) -звуковом кино для воспроизведения звука, записанного на кинопленке - фотометрии На основе внешнего фото­эффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы

Полупроводниковые фотоэлементы Полупроводниковые фотоэлементы работают на основе внутреннего фото­эффекта. Фоторезисторы Фотодиоды фототранзисторы Простейший фоторезистор представляет собой стеклянную пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводника; на поверхности последнего укреплены токопроводящие электроды. Все это покрыто прозрачным лаком. Недостатком фоторезисторов является зависимость их свойств от температуры Фототранзи́стор оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.

Вентильные фотоэлементы Практически важным примером использования фотопроводимости являются вентильные фото­элементы с запирающим слоем. Возникновение ЭДС под действием света в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников. Используется в солнечных батареях, которые имеют КПД 1216% и применяются в искусственных спутниках Земли, при получении энергии в пустыне. Принцип действия солнечной батареи: при поглощении кванта энергии hv полупроводником освобождается дополнительная пара носителей (электрон и дырка), которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводников p-типа, а электрон в сторону полупроводников n-типа. В результате образуется в полупроводнике n-типа избыток свободных электронов, а в полупроводнике p-типа избыток дырок. Возникает разность потенциалов.

Химическое действие света I. В результате действия света в некоторых веществах происходят химические превращения – фотохимические реакции. Наиболее активными являются лучи, обладающие короткой длины волны: синие, фиолетовые, ультрафиолетовые. В некоторых случаях поглощение света вызывает разложение вещества, например, при освещении паров брома молекула Вr 2 распадается на два атома. Иногда свет инициирует процесс. Например, смесь водорода и хлора в стеклянном сосуде в темноте может храниться долго без изменений. Но стоит выставить сосуд на солнечный свет, как происходит немедленное соединение обоих газов в хлористый водород, сопровождаемое взрывом. Длительное химическое действие света мы наблюдаем при выцветании красок, которое состоит чаще всего в окислении красящего вещества. Краски обесцвечиваются только в течении того времени, пока они подвергаются воздействию света. (выцветают бумага, волосы). Реакции замещения у алканов с галогенами инициируются квантом света в начале реакции, а затем взаимодействие идёт по цепному механизму. Например, хлорирование метана идет в 4 стадии: Сначала разрывается ковалентная связь в молекуле хлора … СН 4 + Сl 2 СН 3 Сl СН 2 Сl 2 СНСl 3 ССl 4 Окисление кислородом воздуха раствора иодида калия.

Химическое действие света II. 1)Химические реакции под действием света происходят в зелёных листьях деревьев и травы, в иглах хвои, во многих микроорганизмах. В зелёном листе под действием Солнца происходят необходимый для всей жизни на Земле процесс фотосинтеза. 2)Энергия света в энергию нервных импульсов. В палочках и колбочках сетчатки глаза вследствие фотохимических реакций с участием зрительных пигментов (пурпура) формируются нервные импульсы, передающиеся в головной мозг, где происходит их трансформация в зрительные образы. 3)Под действием ультрафиолетового излучения образуется озон.

Химическое действие света III. Квантовая природа света проявляется и в действии света на фотоплёнку и фотобумагу. Фотопластинка покрыта чувствительным слоем из маленьких кристаллов бромида серебра АgBr, вкраплённых в желатин. Под действием кванта света электрон отрывается от отдельных ионов брома и захватывается ионами серебра образуется небольшое число нейтральных атомов серебра (пластинка чернеет на свету). Таким образом, при фотографировании на плёнке образуется скрытое изображение объекта. Процесс получения фотографии состоит из нескольких этапов: съемка – это получение с помощью объектива на светочувствительном слое фотоплёнки действительного изображения фотографируемого объекта. Под действием света небольшая часть засвеченных молекул бромистого серебра распадается на атомы брома и серебра. Атомы серебра образуют крошечные группки по 2-3 штуки, неразличимые даже в микроскоп. При правильной экспозиции число таких группок пропорционально освещённости. Полученное изображение называют скрытым. проявление фотоплёнки – это химическая обработка. В процессе которой скрытое изображение превращается в явное. Суть в том, что под действием реактивов (гидрохинон, метол) происходит дальнейшее выделение серебра там, где оно уже началось, но теперь выпавшие атомы серебра объединяются в крупные зёрна. После проявления на фотоплёнке получается хорошо заметное негативное изображение.

Исходя из фотонной структуры света, А. Эйнштейн сформулировал следующие два закона: 1. Каждый поглощенный веществом фотон вызывает превра­ щение одной молекулы. Это основной закон фотохимии, имею­щий квантовое происхождение. 2. Молекула вступает в фотохимическую реакцию под дей­ ствием фотона лишь в том случае, когда энергия фотона не меньше определенного значения, необходимого для разрыва молекулярных связей (энергии диссоциации). Если энергия фо­тона меньше этой энергии, то реакция не произойдет. Если же энергия фотона больше энергии диссоциации, то избыток энергии содержится в продуктах распада молекул, т. е. в активных радикалах. Граница фотохимической реакции по энергии фотона полностью аналогична красной границе фотоэффекта. На основе этого закона можно легко объяснить, почему, например, фотобумага нечувствительна к красному и инфракрасному свету. Для фотографирования в инфракрасном свете создается спе­циальная фотопленка, где в светочувствительный слой вносятся определенные добавки активаторы, снижающие энергетический порог фотохимической реакции. Фотохимические законы

Задачи Формула, связывающая изменение кинетической энергии частицы с работой силы со стороны электрического поля: Работа силы связана с напряженностью поля и пройденным путем: Отсюда Ответ: В данной задаче уравнение Эйнштейна имеет вид: Отсюда следует, что начальная скорость вылетевшего электрона

При об­лу­че­нии ме­тал­ли­че­ской пла­стин­ки кван­та­ми света с энер­ги­ей 3 эВ из нее вы­би­ва­ют­ся элек­тро­ны, ко­то­рые про­хо­дят уско­ря­ю­щую раз­ ность по­тен­ци­а­лов U=5B. Ка­ко­ва ра­бо­та вы­хо­да, если мак­си­маль­ная энер­гия уско­рен­ных элек­тро­нов равна удво­ен­ной энер­гии фо­то­нов, вы­ би­ва­ю­щих их из ме­тал­ла?

этапа Со­дер­жа­ние этапа ре­ше­ния Чертёж, гра­фик, фор­ му­ла Оцен­ка этапа в бал­лах 1 За­пи­са­но урав­не­ние Эйн­штей­на для фо­то­ эф­фек­та: За­пи­са­но усло­вие связи крас­ной гра­ни­цы фо­то­эф­фек­та и ра­бо­ты вы­хо­да: 1 2 За­пи­са­но вы­ра­же­ние для за­пи­ра­ю­ще­го на­ пря­же­ния усло­вие ра­вен­ства мак­си­маль­ ной ки­не­ти­че­ской энер­гии элек­тро­на и по­ тен­ци­аль­ной энер­гии элек­тро­на в элек­тро­ ста­ти­че­ском поле: 1 3 Ре­ше­на си­сте­ма урав­не­ний и по­лу­чен ответ в ал­геб­ра­и­че­ской форме:Под­став­ле­ны зна­ че­ния кон­стант и па­ра­мет­ров и по­лу­чен ответ в чис­ло­вой форме: 1 Мак­си­маль­ный балл 3

1. Какой частоты свет следует направить на поверхность платины, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была равна 3000 км/с? Работа выхода электронов из платины Дж. 2. Найдите скорость фотоэлектронов, вылетевших из цинка, при освещении его ультрафиолетовым светом с длиной волны 300 нм, если работа выхода электрона из цинка равна 6,4· Дж. 3. Какова наименьшая частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект, если работа выхода электрона из металла 3,3· Дж? 4. Какой должна быть длина волны ультрафиолетового света, падающего на поверхность цинка, чтобы скорость вылетающих фотоэлектронов составляла 1000 км/с? Работа выхода электронов из цинка 6,4· Дж. 5. Какова кинетическая энергия и скорость фотоэлектрона, вылетевшего из натрия при облучении его ультрафиолетовым светом с длиной волны 200 нм? Работа выхода электрона из натрия 4· Дж.

6. Электрон выходит из цезия с кинетической энергией 3,2· Дж. Какова максимальная длина волны света, вызывающего фотоэффект, если работа выхода равна 2,88· Дж? 7. Найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, вырванных с катода, если запирающее напряжение равно 1,5 В. 8. Какова максимальная скорость фотоэлектронов, если фототок прекращается при запирающем напряжении 0,8 В? 9. К вакуумному фотоэлементу, у которого катод выполнен из цезия, приложено запирающее напряжение 2 В. При какой длине волны падающего на катод света появится фототок? 10. Какое запирающее напряжение надо подать на вакуумный фотоэлемент, чтобы электроны, вырванные ультрафиолетовым светом с длиной волны 100 нм из вольфрамового катода, не могли создать ток в цепи?