11451

КВАНТОВА ФІЗИКА

Лекция

Физика

КВАНТОВА ФІЗИКА 1. ВСТУП Закони квантової фізики квантової механіки складають фундамент вивчення будови речовини. Вони дозволили зясувати будову атомів встановити природу хімічного звязку властивості напівпровідників та ін. Квантова фізика наука про будов

Украинкский

2013-04-08

194.5 KB

7 чел.

КВАНТОВА ФІЗИКА

1. ВСТУП

Закони квантової фізики (квантової механіки) складають фундамент вивчення будови речовини. Вони дозволили з’ясувати будову атомів, встановити природу хімічного зв’язку, властивості напівпровідників та ін.

Квантова фізика – наука про будову і властивості мікрочастинок та їх
систем. Мікрочастинки: молекули, атоми, ядра, елементарні частинки.

Досягнення ХХ сторіччя основані на законах квантової фізики: ядерні реактори, надпровідність, напівпровідникова техніка).

Процеси, які описує квантова фізика, майже повністю лежать за межами наших органів чуття. Поняття позбавлені наочності.

Виникнення квантової фізики – найважливіший крок в побудові сучасної фізичної картини світу. Вона бере початок 14 грудня 1900 року коли М.Планк на засіданні Німецького фізичного товариства зробив доповідь «До теорії розподілу енергії випромінювання нормального спектра».

Квант (від лат. quantum – «скільки») – неподільна порція якої величини у фізиці. Кванти деяких полів мають спеціальні назви – квант електромагнітного поля називається фотон.

2. КВАНТОВІ ВЛАСТИВОСТІ ВИПРОМІНЮВАННЯ

2.1. Фотоефект

Фотоефект – випромінювання електронів речовиною під дією світла.

Відкритий Г.Герцем в 1887р. досліджений О.Г.Столєтовим. Досліджуючи фотоефект за допомогою пристрою (рис. 2.1), Столєтов встановив: найбільшу дію спричиняють ультрафіолетові промені, сила струму в колі зростає з збільшенням освітленості, частинки, що випромінюються під дією світла, мають негативний заряд.

В 1989р. Ленард і Томсон виміряли питомий заряд фоточастинок і встановили, що це електрони.

Унаслідок подальших досліджень була встановлена вольт-амперна характеристика залежності фотоструму від напруги (рис. 2.2). Досліди з чутливим гальванометром показали, що потік електронів від освітленого катода досягає анода і без прискорюючої напруги між ними ().

Струм у колі спостерігається тому, що з поверхні катоду вириваються електрони з швидкістю, достатньою, щоб дістатися аноду. Щоб звести фотострум до нуля, треба прикласти до електродів затримуючу напругу . Очевидно, електрони, що вилітали з катода під дією світла, дістали певну швидкість (кінетичну енергію), яку можна було визначити за величиною затримуючої напруги . При цьому кінетична енергія електрона витрачається на роботу проти сил електростатичного поля між катодом та анодом

.

При збільшенні напруги між катодом і анодом збільшується енергія електричного поля. Кількість електронів, які будуть досягати анода в одиницю часу, буде збільшуватися, а тому струм у колі буде зростати. При певному значенні напруги кількість вибитих електронів з поверхні катода за одиницю часу буде рівна кількості електронів, які досягли поверхні аноду за цей самий проміжок часу. Тому, при подальшому збільшенні напруги, струм у колі залишається постійним і називається струмом насичення. Величина струму насичення залежить від матеріалу катоду. Сила струму насичення  визначається кількістю електронів, які вилітають з поверхні катоду за одиницю часу під дією світла.

К 1905 року було встановлено, що швидкість фотоелектронів не залежить від сили світла, а залежить тільки від частоти. Цей факт класична фізика пояснити не могла. В 1905 році А.Ейнштейн пояснив механізм фотоефекту, ґрунтуючись на квантових уявленнях:

  1.  Електромагнітна хвиля випромінюється, поширюється у просторі і поглинається квантами, енергія кванта

,

де  – стала Планка,  – частота випромінювання.

  1.  Під час поглинання випромінювання один електрон може поглинути один фотон, отримавши при цьому енергію .
  2.  Якщо енергії фотона достатньо для того, щоб електрон міг виконати роботу виходу, спостерігатиметься фотоефект.

На підставі цих квантових уявлень Ейнштейн записав рівняння для фотоефекту, яке по суті є законом збереження енергії

,

де  – маса електрона,  – максимальна швидкість фотоелектрона.

Якщо енергія кванта , фотоефект буде спостерігатись. Якщо ж , електрон не може покинути поверхню металу і фотоефект не спостерігається. У випадку  фотоефект починається і тому частота  називається червона границя фотоефекту.

Описаний фотоефект називають зовнішнім фотоефектом тому, що електрони висилаються з металу назовні. Крім нього в напівпровідниках існує внутрішній фотоефект. Зовнішній фотоефект застосовується в кіно для відтворення звуку, у фототелеграфії, в фотометрії (для вимірювання сили світла, яскравості, освітленості), а також для управління виробничими процесами. Фотоелемент, в якому використовується зовнішній фотоефект показано на рис. 2.3.

2.2 Тиск світла

Вперше думку про тиск світла висловив Кеплер в 1619р. спостерігаючи комети. Він вважав причиною зміщення кометних хвостів у напрямі від сонця тиск світла, проте пояснити цього явища не зміг. В 1873р. Максвелл дав теорію тиску світла в рамках своєї класичної електродинаміки.

Вперше виміряти тиск світла вдалося російському вченому П.М.Лебедєву. Схема досліду Лебедєва зображена на рис. 2.4. Вплив конвекційних потоків повітря був виключений Лебедєвим шляхом створення в балоні досить високого вакууму. Однак ще існує так званий радіометричний ефект. Причина його полягає в тому, що темна пластинка нагрівається в результаті поглинання падаючого на нього світла, причому температури освітленої і задньої поверхонь пластинок не однакові. При ударі об більш нагріту світлом передню поверхню пластинки молекули збільшують свою енергію й відскакують із більшими швидкостями, ніж молекули, що відбиваються від задньої поверхні. Тому молекули повітря створюють тиск на темну поверхню пластинки, що додається до тиску світла.

Світловий тиск дуже малий. Наприклад, тиск сонячних променів на 1м2 чорної поверхні становить .

Лебедєв виключив вплив радіометричного ефекту, використавши у своїх дослідах дуже тонкі пластинки різної товщини від 0,01 до 0,1 мм.

Якщо розглядати світло як потік фотонів, то частинки при ударі об тіло повинні передавати йому імпульс, іншими словами – чинити тиск. Формула для тиску світла має вигляд

,

де  – коефіцієнт відбивання світла (),  – швидкість світла,
– енергія, яка падає на одиницю площі за одиницю часу .

У 1899 році П. М. Лебедєв підтвердив теоретичний прогноз Максвелла про тиск світла на тверді тіла, а в 1907 році – і на гази. Це дослідження стало важливою віхою в науці про електромагнітні явища. Одному з видних фізиків того часу Вільяму Томсону належать слова: «Я все життя воював з Максвеллом, не визнаючи його світлового тиску, і ось Лебедєв змусив мене здатися перед його дослідами».

Відкриття тиску світла експериментально підтверджує наявність імпульсу у фотона.

2.3 Гальмівне рентгенівське випромінювання

У 1895 році німецький фізик Вільгельм Рентген, досліджуючи катодні промені в газорозрядній трубці, помітив, що люмінесцентний екран, розташований коло трубки світиться. Досліджуючи це явище більш ретельно, Рентген встановив, що свічення екрану викликає невидиме випромінювання, яке було названо X-променями.

Подальші дослідження показали, що рентгенівські промені мають надзвичайно високу проникну здатність. Сьогодні відомо, рентгенівські промені це електромагнітні хвилі в діапазоні 0,001-100 нм. Існує два види рентгенівського випромінювання: гальмівне та характеристичне. Для гальмівного спектр має суцільний характер, тоді як характеристичне випромінювання має лінійчатий спектр.

Рентгенівські промені виникають під час гальмування електронів речовиною антикатода (рис. 2.5). Спектр цих променів суцільний як спектр білого світла. Тому рентгенівське випромінювання називають білим, або гальмівним. Гальмівне рентгенівське випромінювання має важливу особливість – воно обмежене з боку малих довжин хвиль межею , яка називається короткохвильова границя.

Класична фізика не може обґрунтувати існування короткохвильової границі рентгенівського спектра. Її існування можна пояснити тільки на підставі квантової теорії. Максимальна енергія рентгенівського кванта , який виникає за рахунок енергії електрона, не може перевищувати кінетичної енергії   електрона. Тоді можна записати рівняння

,  ,  .

Остання формула повністю відповідає експериментальним даним.

PAGE  4

Рис. 2.6

Рис. 2.5

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

1

2

3

Рис. 2.4

Рис. 2.3

Іо

EMBED Equation.DSMT4

EMBED Equation.DSMT4

U

0

Uз

Рис. 2.2

Рис. 2.1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46116. Лингвистические и психологические основы методики развития речи детей. Задачи, принципы и направления работы по развитию речи 13.5 KB
  Лингвистические и психологические основы методики развития речи детей. Задачи принципы и направления работы по развитию речи. деятельности по формированию речи у детей дошкольного возраста. Задачи работы по развитию речи направления работы : Воспитание ЗКР.
46117. Значение изобразительной деятельности в воспитании детей и коррекции у них речевых нарушений 14 KB
  Включение речи в познавательные процессы восприятие представление воображение без которых не может развиваться изобразительная деятельность оказывает положительное влияние на развитие личности ребенка. В свою очередь хорошо организованные занятия рисованием представляют сильное средство развития речи.Развитие речи в процессе изобразительной деятельности осуществляется в нескольких направлениях: вопервых происходит обогащение словаря вовторых осуществляется становление и развитие речи как средства общения втретьих совершенствуется...
46118. Психологические и лингвистические основы теорий речевой деятельности. Язык, речь, речевая деятельность 13.5 KB
  Язык речь речевая деятельность. предмет речевая деятельность как целое и закономерности ее комплексного моделирования. Речевая деятельность акт. Речевая деятельность имеет предметное содержание определенную структурную организациювнешнюю и внутреннюю подчиняется общефункционнальным психическим механизмамвнимание память Язык = речь Щерба: троякий аспект языкового явления эксперимент в языкознании: сам процесс речевой деятельностипроцесс; языковая системакод; языковой материал.
46119. Современные принципы анализа высших психических функций. Речь в системе психических процессов. Модели порождения речевого высказывания 10.5 KB
  Стахостическая модель Миллер Хомский опирается на идею вероятности появления единицы на основе уже использованной. Модель Чарльза Осгуда Модель Хомского трансформирования. Модель Миллера Модель Т.
46120. Методика логопедического обследования ребёнка с фонетико-фонематическим недоразвитием речи 15.5 KB
  Обследование детей осуществляет логопед Логопедическое обследование ребёнка с ФФН проходит в несколько этапов: Подготовительный. Основной непосредственно обследование. Само обследование: артикуляционный аппарат и артикуляционная моторика; звукопроизношение; фонематическое восприятие обследование дифференциации звуков и сформированность навыков анализа и синтеза обследование слоговой структуры слова.
46121. Методика логопедического обследования ребёнка с общим недоразвитием речи 24.5 KB
  Методика логопедического обследования ребёнка с общим недоразвитием речи. Необходим анализ взаимодействия между процессом овладения звуковой стороной речи развитием лексического запаса и грамматического строя. Важно определить соотношение развития экспрессивной и импрессивной речи ребенка; выявить компенсирующую роль сохранных звеньев речевойспособности; сопоставить уровень развития языковых средств с актуальным их использованием в речевом общении. Важно выяснить в каком возрасте появились первые слова и каково количественное соотношение...
46122. Методика логопедического обследования заикающегося ребёнка 17 KB
  Из беседы с родителями логопед выясняет наиболее значимые события происшедшие в семье ОБО ВСЕМВСПОМИНАЙ После уточнения сведений о ребенке проводится обследование речи заикающегося и внеречевых процессов оказывающих непосредственное влияние на его речевую деятельность. Проводится исследование его общительности моторики подражательности импрессивной и экспрессивной речи игровой учебной производственной деятельности особенности личности заикающегося.Для исследования речи детей используются картинки книжки со стихами...
46123. Методика логопедического обследования при нарушениях письменной речи 25.5 KB
  Цель обследования: выявление этиологии симптоматики нарушений чтения и письма. Обследование письма. Нарушение письма у детей это особые специфические затруднения которые обусловлены системным недоразвитием определенных сторон речевой деятельности ребенка которое у детей достигших школьного возраста при нормальных умственных способностях и слухе проявляется прежде всего в недостаточной сформированности представлений о звуковом и морфологическом составе слова. Общие методические рекомендации обследованию письма у детей...
46124. Технология развития общей, мелкой моторики рук у детей с нарушениями речи 16 KB
  Коррекция особенностей моторного развития детей направлена на нормализацию мышечного тонуса исправление неправильных поз развитие статической выносливости равновесия упорядоченного темпа движений синхронного взаимодействия между движениями и речью запоминание серии двигательных актов воспитание быстроты реакции на словесные инструкции развитие тонких двигательных координаций необходимых для полноценного становления навыков письма. Этому служат следующие упражнения: сжимать резиновую грушу или теннисный мячик; разгибать и...