2-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

5. Волновая и квантовая оптика

УРОК 14/72

Тема. Зарождение квантовой теории

Цель урока: ознакомить учащихся с историей зарождения квантовой теории.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Противоречия между теорией и опытом

Одной из проблем, с которой физики столкнулись в конце XIX века, было установление закономерностей излучения абсолютно черного тела.

Ø Абсолютно черное тело - это физическая модель тела, полностью поглощающего любое падающее на него излучение.

Экспериментально было получено распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Однако аналитический вид соответствующей до этого графика функции Wλ = f(λ) никому не был известен.

Более того, все попытки ученых получить экспериментально эту функцию заканчивались неудачей.

2. Гипотеза Планка

Чтобы достичь согласия между теорией и опытом, надо было принять, что свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами). Это означало, что свет имеет свойства не только волн, но и частиц.

14 декабря 1900 г. немецкий физик Макс Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом, посвященным проблеме распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Предложенное им решение проблемы стало первым шагом в создании современной физики микромира.

Свет излучается и поглощается веществом не непрерывно, а отдельными порциями - квантами.

Причем энергия такого кванта определялась величиной E = hv, где h - постоянная Планка.

По современным данным h = 6,63 · 10-34 Дж·с.

Однако в то время не было прямых экспериментальных доказательств существования квантов излучения. В результате идею Планка большинство физиков восприняли как «ловкий фокус», что не имел серьезных научных оснований.

После открытия Планка начала развиваться новая, самая современная и глубокая физическая теория - квантовая теория. Развитие ее не завершено и по сей день.

3. Фотоны

Планк сначала решил, что свет только излучается квантами, но распространяется и поглощается непрерывно. Ситуация коренным образом изменилась, когда Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что монохроматическое излучение ведет себя так, будто состоит из N = W/hv независимых друг от друга квантов энергии величиной hv каждый. Эйнштейн предположил, что дело не просто в квантах энергии, а в реальных частицах, из которых состоит любое электромагнитное излучение. Позже частицы света (кванты света) стали называть фотонами.

Фотоны имеют такие свойства:

1. Фотон является электрически нейтральной частицей; его заряд равен нулю.

2. Скорость движения фотона не зависит от выбора системы отсчета и всегда равна скорости света в вакууме.

3. Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является: E = hv.

4. Импульс фотона равен:

5. Масса фотона равна нулю.

Последнее свойство касается только отдельного фотона, а свет в целом (как поток фотонов) имеет массу. Например, для системы из двух фотонов, имеющих одинаковую энергию и летят под углом θ друг к другу, массу определяют соотношением:

6. Фотоны излучаются во время: переходов частиц вещества из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией; ускорение заряженных частиц; распада некоторых частиц; аннигиляции. Во время поглощения света веществом фотон вполне передает всю энергию частицам вещества.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Приведите примеры абсолютно черных тел.

2. Как связана энергия кванта и частота излучения?

3. Которую мікрочастинку называют фотоном?

Второй уровень

1. Какие факты свидетельствуют о наличии у света корпускулярных свойств?

2. В чем сущность квантовых представлений о распространение и поглощение света?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Как изменяется энергия фотона при увеличении длины волны света?

2. Что нового внес Эйнштейн в развитие квантовых представлений по сравнению с гипотезой Планка?

2). Учимся решать задачи

1. Определите энергию кванта видимого света длиной волны 500 нм.

2. Сколько фотонов за секунду излучает волосок электрической лампы накаливания мощностью 100 В, если на излучение света затрачивается 4,4 % электрической энергии? Длину волны излучения считайте равной 600 нм.

Решения. Поскольку каждый фотон имеет энергию E, то суммарная энергия N фотонов равна W = EN, а мощность излучения Ркорисн = W/t, где t - время, за которое лампа испускает N фотонов. Полезную мощность можно найти из соотношения:

Поскольку энергия фотона равна то

Из формулы КПД имеем: откуда:

Проверив единицы величин и подставив числовые значения, получаем N = 1,3 · 1019.

3. Чувствительность сетчатки глаза к желтому свету составляет 3,33 · 10-18 Вт. Сколько фотонов должно ежесекундно поглощать сетчатка, чтобы возникло зрительное ощущение? Длину волны примите равной 600 нм.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Абсолютно черное тело - это физическая модель тела, которое полностью поглощает любое излучение, падающее на него.

• Свет излучается и поглощается веществом не непрерывно, а отдельными порциями - квантами.

• Свойства фотонов:

1) заряд равен нулю;

2) движется со скоростью света в вакууме;

3) энергия фотона: E = hv.

4) импульс фотона:

5) масса фотона равна нулю.

Домашнее задание

Подр-1: § 47; подр-2: § 23 (п. 1).