11451

КВАНТОВА ФІЗИКА

Лекция

Физика

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 будов

Украинкский

2013-04-08

194.5 KB

6 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

24254. Потребности и их классификация. Процесс конкретизации потребности 49 KB
  Потребности и их классификация. Процесс конкретизации потребности. Потребности Согласно концепции маркетинга предпринимательская деятельность существует для удовлетворения нужд потребителя. Маслоу делил потребности по последовательности их удовлетворения когда потребности высшего уровня появляются после удовлетворения потребностей уровнем ниже.
24255. Роль связей с общественностью . Определения. Функции PR в обществе и организации 38 KB
  Роль связей с общественностью . 3е издание международного Вебстерского толкового словаря: PR как наука и искусство налаживания взаимного понимания и доброжелательности между личностью фирмой или учреждением и общественностью.Брум предложили следующее определение: PR это функция управления способствующая налаживанию или поддержанию взаимовыгодных связей между организацией и общественностью от которой зависит ее успех или неудача. В основном они сосредоточены на отдельном признаке или направлении деятельности специалистов в области...
24256. Этапы становления и развития PR в России и мире 27.5 KB
  мнение убежде агитация. мнение. книга Кристаллизуя общественное мнение. Задача ПР – помочь ориентироваться в обве получать правдивую инфцию и формировать собственное мнение.
24257. Особенности использования Интернет-технологий в PR 40.5 KB
  Особенности использования Интернеттехнологий в PR Первая сеть компьютеров возникла в США в начале 60х годов ХХ столетия. Этот событие принято называть днем рождения Интернет. Эту сеть стали называть глобальной сетью Интернет. Чтобы Интернет постоянно и надежно работала ее основу составляют специальные компьютерные комплексы провайдеры.
24258. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ УЧАЩИХСЯ ГИМНАЗИИ НА УРОКАХ АНГЛИЙСКОГО ЯЗЫКА И ВО ВНЕУРОЧНОЕ ВРЕМЯ 31.12 KB
  В Концепции модернизации казахстанского образования ставится задача по формированию «целостной системы универсальных знаний, умений, навыков, а также опыта самостоятельной деятельности и личной ответственности обучающихся, то есть ключевых компетенций, определяющих современное качество содержания образования».
24259. PR как профессия. Профессиональные коммуникации 35.5 KB
  При подготовке этих заявлений ПРспециалисты сами часто активно участвуют как в их разработке так и в оглашении политики компании. ПРотдел разрабатывает и публикует в средствах информации сведения о деятельности компании отвечает на вопросы журналистов готовит и размещает рекламные материалы о корпорации в целом институциональная реклама и ее отдельных подразделениях. ПРотдел поддерживает постоянные связи с государственными учреждениями местного и республиканского уровня; непосредственно участвует в разработке программ направленных на...
24260. Познание музыки как педагогическая проблема 46.17 KB
  То, что музыкальное искусство является искусством «интонируемого смысла» принимается на сегодняшний день всеми. Интонация - специфическая черта музыки, в то же время она связывает ее с другими видами искусства. Освоение учителями интонационных особенностей того или иного вида искусства позволило вести разговор с детьми языком самого искусства.
24262. Мы вправе знать, что носим (Названия одежды) 42.04 KB
  Определить источники заимствования слов со значением одежда, из каких языков они пришли в русский, выяснить происхождение слов, провести анкетирование школьников, составить буклет и краткий словарь иностранных и исконно русских слов.