Световые кванты. Физика атома

  

Квантовая оптика на примере типичного явления – фотоэффекта – подводит нас к важнейшему выводу о квантовании энергии в микромире, в мире малых масштабов. А на этой основе формируются новые представления о строении атома.

В теме изучаются явления, которые происходят с атомами. В частности, строение атома, излучение света атомами. 

Квантовая механика (физика атома)

ОСНОВАНИЕ

                                                                                  

· Опытные факты: опыты Герца и Столетова по фотоэффекту, опыты Резерфорда и др.  · Идеализированный объект: макроскопическая система, находящаяся в равновесном состоянии · Основные понятия: атом, ядро, система, состояние, процесс и др. · Основные физические величины: сила и энергия взаимодействия

                                                                                  

 

 

					· Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. Постулаты де Бройля и . Формулы Планка-Эйнштейна для фотона  и · Законы сохранения импульса и энергии замкнутой системы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта · Принцип неопределенностей Гейзенберга · Постулаты Бора для атома · Принципы соответствия и дополнительности

 

					· Излучение и поглощение света атомами. Спектры · Объяснение фотоэффекта. Эффекта Комптона и др. · Лазеры и квантовая электроника. Фотоэлементы
	ВЫВОДЫ

 

ЯВЛЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА

 

Опыты

                                                                                                            

 

- Явление фотоэффекта - вырывание электронов из вещества под действием света.

 

МОДЕЛЬ

1. Фотон- частица электромагнитного поля;

             - существует только в движении (m₀ = 0);

Е = hv

                                    - движется со скоростью света;

                                    - энергия кванта (формула М.Планка) 

                                 h = 6,63*10^-34 Дж/с

                 2. Взаимодействие фотона с атомом вещества 

                   

hv = Авых.+ Ек

                3. Закон (уравнение) Эйнштейна                 

СЛЕДСТВИЕ

- Законы фотоэффекта

                                                        Первый закон           

                                                                               

                      Фототок насыщения пропорционален световому потоку, потоку, падающему на катод.

I н ~ Ф

                           

Третий закон                                              Второй закон                                                                         

Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности светового потока, а зависит от его частоты.                                                                                              .

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта.

                                                                                        

 

hmin = Авых.

                                                                                                         

Ek ~ ν

 

h n min =A вых

 

ПРИМЕНЕНИЕ

- Фоторезистор - Полупроводниковые фотоэлементы - Фотодиоды, светодиоды - Фотоумножитель.

Вопросы для повторения «ЯВЛЕНИЯ ФОТОЭФФЕКТА»

 

1.1 Почему в опытах Герца не видимое, а ультрафиолетовое излучение вызывало фотоэффект?

1.2 Цинковая пластинка, заряженная отрицательно, теряет свой заряд при облучении ультрафиолетовым светом. Что представляет собой это утверждение: а) гипотезу, б) явление, в) формулировку закона, г) определения понятия?

1.3 Гипотеза: Фотоэффект усилился с повышением температуры. Справедлива ли такая гипотеза? Проверьте экспериментально.

2.1 Как измениться кинетическая энергия электронов при фотоэффекте, если, не изменяя частоту, увеличить световой поток в 2 раза?  

2.2 Какие факторы определяют красную границы фотоэффекта?

2.3 Ученик, объясняя уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, сказал: «Энергия падающего света равна работе выхода электронов и кинетической энергии их движения». В чём неточность ответа?

 Какую модель тела использовал Планк при объяснении излучения?

 Можно ли фотон считать материальным объектом, если его масса равна нулю?

3.1 Начертите график зависимости Е_к( по экспериментальным данным (см. таблицу). Рекомендуемый масштаб: 10см - 10¹⁵ Гц; 2,5см - 10^-19 Дж

,1015 Гц	0,62	0,68	0,75	0,84	0,90	0,98
Ек, 10-19 Дж	0,40	0,80	1,26	1,86	2,26	2,80

Выполнить задания, используя график:

а) Найти красную границу для данного катода

б) Какой длине световой волны соответствует эта частота? 

в) В какой области спектра электромагнитных волн находится красная граница фотоэффекта для данного вещества?

г) Определить постоянную Планка.                                                                                                                                  

Экспериментальная задача.

Незаряженную металлическую пластинку освещают ультрафиолетовыми                                 лучами. Объясните результата опыта?

Экспериментальная задача.

Измениться ли быстрота разряда электрометра, если цинковую пластинку заменить медной? После проведения опыт, а результат обосновать теоретически.

Домашнее задание:

1. Изучите самостоятельно вопрос «Практическое применение фотоэффекта». На чём основана работа вакуумных и полупроводниковых фотоэлементов? Приведите примеры применения фотоэлементов в технике. Чем принципиально отличаются фоторезисторы о фотодиодов?

 

СТРОЕНИЕ АТОМА

 

ФАКТЫ

- существование мельчайших частиц вещества

- сложное строение атома

               - открытие электрона.                              

МОДЕЛЬ

1.  1911г. Э. Резерфорд (англ.) - планетарная модель атома                                                                                                                                                                                                       

                               

               

	ПОЧЕМУ АТОМ УСТОЙЧИВ?

 

 

 

 

 2.Модель атома Бора

Первый постулат: (постулат стационарных состояний)

  атомная система может находится в особых стационарных

состояниях с определённой энергией;

в стационарных состояниях атом не излучает.

Второй постулат: (правило частот)

при переходе атома из одного стационарного состояния в другое происходит

поглощение или излучение кванта энергии. Энергия фотона равна разности энергии стационарных состояний  

	hv=En-Em

СЛЕДСТВИЕ

- Излучение света атомом водорода

 

Е = -13,6 (эВ)

n =5

n =4

n =3

 

                 n – номер орбиты

n =2         (квантовое число)

 

n =1
                   -   Лазер – оптический квантовый генератор.

Недостатки модели атома:

- не применяется для атомов гелия и атомов других веществ;

- не объясняет причину перехода атомов из одного состояния в другое.

Проблема: Построение новой модели?

Вопросы и задания по теме «СТРОЕНИЕ АТОМА»

 

1.1 Какие факты свидетельствуют о сложном строении атома?

2.1 При переходе электрона в атоме водорода из одного стационарного состояния в другое излучен свет с частотой  На сколько изменилась энергия атома водорода.

 Как объяснить, что в опыте Резерфорда некоторые α-частицы при взаимодействии с фольгой расслаиваются на большие угли?

Чем атом, находящийся в стационарном состоянии от атома в возбужденном состоянии?

Сколько квантов с различной энергией может испустить атом водорода, если электрон находится на 3-й орбите?

Какие экспериментальные доказательства служат в пользу того, что модель атома – ядерная?

Какие экспериментальные факты невозможно объяснить, исходя из ядерной модели атома Резерфорда?

Применима ли модель Бора к многоэлектронным атомам?

3.1   Изменяются ли размеры атома с ростом квантового числа n?

3.2   Может ли электрон в атоме водорода иметь энергию ?

3.3   Почему неодинаковое расстояние между уровнями в диаграмме?

3.4   Пользуясь диаграммой переходов атома водорода из высших энергетических состояний в низшие, объяснить, которая из серий переходов дает инфракрасные, ультрафиолетовые, видимые частоты излучения?

3.5   Можем ли мы увидеть излучение атома водорода, возникшее в результате перехода с четвертого энергетического уровня на первый? Есть ли это излучение на цветной вклейке учебника?

3.7 В 1890 году И.Ридберг (шведский спектроскопист) получил экспериментально формулу для частот, соответствующих спектральным линиям водорода , где R - постоянная Ридберг. R=3,27*10¹⁵с.¹; n = 3,4,5,6. Рассчитать частоты видимого излучения серии Бальмера (см. диаграмму). Какому цвету соответствуют полученные частоты излучения?

3.6   Какую энергию необходимо сообщить атому водорода, что бы его ионизировать? 

Домашнее задание

Пользуясь уравнениями: и , определить радиус первой боровской орбиты в атоме водорода и скорость обращения электрона по этой орбите.

ЛАЗЕР

ФАКТЫ

- Существование линейчатых спектров

- Создание различных источников света;

                        - Знания о спонтанном излучении атома.

ГИПОТЕЗА

 

МОДЕЛЬ

1917 г. А. Эйнштейн – вынужденное излучение

СЛЕДСТВИЕ

                                                1960 г. США Т. Мейман – первый

                                    лазер в видимом диапазоне спектра
 

1940 г. В. Фабрикант - усиление             Лазер – оптический квантовый

света за счёт индуцированного                     генератор.

излучения,                                                 Типы лазеров:

1954 г. Н. Басов, А Прохоров,                 - газовые,

Ч. Таунс - метод инверсной                    - полупроводниковые,

заселённости уровней.                                 - твердотельные,

Трёхуровневая система                         - газодинамические.

             Устройство рубинового лазера                                                                               

                                                                  

Свойства излучения                               1 - рубиновый стержень                            

- монохромотичность                              2 - ксеноновая газоразрядная

- когерентность                                           лампа

- узконаправленность                             3,4 - зеркала резонансные

- большая мощность                                

ПРИМЕНЕНИЕ

                                                                - лазерная обработка металла

                                          - лазерная связь

- квантовая электроника                                - лазерная светолокация

                                                                          - лазерное оружие

нелинейная голография                    - медицина

                                                                          - геодезия

                                                                          - управление термояд. синтезом

                                                                          - звука, видеоизображения  

Вопросы и задания по теме «ЛАЗЕР»

1.1 Является ли спонтанное излучение когерентным?

2.1   Какие возможны процессы взаимодействия атома с фотоном?

3.1 Как достигается перенаселенность 2-го энергетического уровня? При каком условии в веществе может возникнуть инверсная заселенность энергетических уровней?

3.2   Почему зеркала с торцов рубинового лазера называют резонансными?

3.3  С какой целью в активную среду рубинового лазера добавляют в качестве примеси 0,05% хрома?

3.2  Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения.

Какое свойство лазерного излучения позволило произвести локацию Венеры, Марсы, Юпитера и др. планет? Какое свойство лазерного излучения позволяет прошивать отверстия в сверхтвердых металлах и алмазах?

3.3 В геодезии расстояние измеряют светодальномером по промежутку времени Δt, в течение которого лазерный луч проходит расстояние в прямом и обратном направлениях после отражения. Каково измеряемое расстояние Δt =180 мкс?

3.4 Почему зеркала по торцам рубинового стержня в лазере называют резонансными?

 

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

 

           В начале XX века был открыт новый физический объект – атомное ядро. Уже в опытах Резерфорда было зафиксировано, что в центре атома есть сравнительно небольшая положительно заряженная область – ядро. Её размеры порядка 10^-14–10^{-15 м, что в тысячи раз меньше размеров атома. Перед физиками встала научная проблема: каково строение атомного ядра? Каковы его свойства?}

     Раз атом нейтрален, то заряд ядра атома равен заряду электронов оболочки атома. Но как положительный зарядядра образуется?   В 1919 г. Резерфорд экспериментально открыл новую частицу –протон. Его заряд оказался по модулю равным заряду электрона, а масса 1,7·10^{-27 кг. В ядерной физике часто используют специальную единицу массы – атомную единицу массы а.е.м., которая равна 1/ 12 массы изотопа углерода , т.е. примерно 1 а.е.м. = 1,7·10-27 кг. Тогда получается, что масса протона равна примерно 1 а.е.м.}

     Знание некоторых количественных характеристик ядра привело к научной проблеме. Так, масса ядра атома гелия 4 а.е.м, значит, там находится 4 протона, а заряд всего  + 2 е по числу электронов. Для разрешения противоречия ученые предложили несколько гипотез. В одной из них предлагалось, что ядро атома состоит из четырех протонов и двух электронов. С этого начались многочисленные теоретические и экспериментальные исследования ядер атомов. В конечном итоге возникла ядерная энергетика.

 

 

Физика атомного ядра

ОСНОВАНИЕ

                                                                                  

· Опытные факты: опыты Резерфорда, радиоактивность и др.  · Идеализированный объект: протонно-нейтронная модель ядра атома · Основные понятия: ядро атома, состав ядра, нуклоны, дефект масс и др. · Основные физические величины: ядерные силы, энергия связи, постоянная Планка, скорость света

                                                                              

 

						· Модели строения ядра атома · Квантово-релятивистская модель взаимодействия нуклонов · Закон радиоактивного распада · Законы сохранения массового числа, импульса и энергии замкнутой системы частиц · Принцип неопределенностей Гейзенберга · Формула взаимосвязи массы и энергии · Принципы соответствия и дополнительности
	ВЫВОДЫ
								· Деление атомных ядер. Ядерные реакции · Открытие новых элементов · Получение радиоактивных элементов · Ядерная энергетика. Ядерное оружие