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

80240. Поняття і сутність менеджменту. Менеджмент як вид професійної діяльності 6.35 MB
  Важко дати єдине абсолютно чітке та повне визначення поняття «менеджмент». Функції, сфери, рівні менеджменту та ситуації у яких вони реалізуються значно різняться між собою. Щоб з’ясувати сутність менеджменту на нього треба подивитись з різних точок зору
80241. Розвиток науки управління. Ранні теорії менеджменту 1.78 MB
  Розвиток науки управління. Остаточно ідея управління як наукової дисципліни професії та галузі досліджень сформувалася у США. Навпаки на першому етапі до середини ХХ століття наука управління розвивалася одразу за кількома відносно самостійним напрямкам або як кажуть підходам до управління кожний з яких концентрував увагу на різних аспектах менеджменту. Класична теорія підхід менеджменту включає дві школи: а школу наукового управління...
80242. Прийняття управлінських рішень. Методи творчого пошуку альтернатив 6.79 MB
  Прийняття управлінських рішень. Основи теорії прийняття рішень. Процес прийняття рішень. Основи теорії прийняття рішень У науковій літературі зустрічається як розширене так і вузьке розуміння процесу прийняття рішень в управлінні.
80243. Методи обґрунтування управлінських рішень 5.47 MB
  Методи обґрунтування управлінських рішень. Відповідно до цього способу всі методи обґрунтування управлінських рішень поділяються на кількісні та якісні. Кількісні методи або методи дослідження операцій застосовують коли фактори що впливають на вибір рішення можна кількісно визначити та оцінити. Якісні методи використовують тоді коли фактори що визначають прийняття рішення не можна кількісно охарактеризувати або вони взагалі не піддаються кількісному вимірюванню.
80244. Рынок и его инфраструктура 94.5 KB
  Рынок и его инфраструктура План 1. Сущность функции и структура рынка Объединенное понятие рынок как место массовой куплипродажи товаров лишь частичного отражает содержание которое вкладывается в понятие рынок экономической науки и хозяйственной практикой. Рынок в широком смысле объединяет в себе несколько понятий. Вовторых рынок есть вся совокупность процессов торговли актов куплипродажи который характеризуется такими признаками как вид продаваемых товаров объем продаж способ торговли уровень цен.
80245. Основы саморегулирования рыночной экономики 134 KB
  Объективные факторы: экономические: базовый уровень развития производства; объём реальных потребностей и уровень их удовлетворения; средний уровень денежных доходов населения; рыночные цены; уровень цен товаровзаменителейи взаимодополняемых товаров; принципы распределения доходов; условия предоставления кредитов качество товара. Он отражает причинноследственную связь между изменением цены и изменением величины спроса. Рост цены при прочих неизменных условиях вызывает снижение спроса что способствует разрешению противоречия...
80246. Экономическая роль государства в рыночной экономике 74.5 KB
  Необходимость и сущность государственного регулирования рыночной экономики. Формы государственного регулирования рыночной экономики. Необходимость и сущность государственного регулирования рыночной экономики. Государственное регулирование экономики сложилось не сразу.
80247. Доходы и их распределение. Заработная плата 81.5 KB
  Марксистская теория исходит из того что новая стоимость товара созданная трудом наемных работников проходя через сферу обращения в ходе конкурентной борьбы распределяется и перераспределяется принимая различные формы: заработной платы наемных работников; прибыль капиталистов; процентов ссудных капиталистов банкиров; ренты владельцев земли и других природных факторов объектов добывающей промышленности и строительства. Объективное распределение доходов зависит от того что вновь созданная стоимость слагается из необходимого продукта...
80248. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЦЕН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МОДЕЛИ РЫНКА 55.5 KB
  Рынок совершенной конкуренции: характерные черты и механизм ценообразования. Особенности рынка несовершенной конкуренции. Механизм рыночных цен позволяет стимулировать рациональное использование ограниченных и редких ресурсов добиваться эффективного хозяйствования решать триаду экономических проблем: что как и для кого производить На решение этих проблем направлен и механизм конкуренции. Монополия вырастая из конкуренции на определенном этапе своего развития уничтожает конкуренцию но рыночная конкуренция как известно неотъемлемый...