Элементы квантовой оптики

1.

Учебная дисциплина ОУП.11 Физика
Тема: 7.1 Элементы квантовой оптики
Специальность: 34.02.01 Сестринское дело
Преподаватель: Зенкина О.Н.

2.

Тема
Цель
изучения
Задачи
Объекты
оценивания
Кол-во
ак.
часов
Раздел 7. Квантовая физика
7.1 Элементы
квантовой
оптики
Создать условия 1. Изучить:
Аргументированные
для личностной
ответы
на
вопросы
самореализации
а) понятие фотона; формулу
преподавателя
каждого
Планка связи энергии фотона с
Аргументированные
обучающегося в
его частотой; понятие импульс
ответы
на вопросы
процессе
фотона;
преподавателя в ходе
актуализации
дискуссии
ранее изученного
б) законы фотоэффекта;
материала
и
уравнение Эйнштейна для
освоения новой
фотоэффекта; понятие «красная»
темы,
граница фотоэффекта;
способствовать
развитию
в) понятие давление света.
личностных,
Аргументированные
2.Ознакомиться с:
учебнона вопросы
познавательных, а) явлением фотоэффекта; опытами ответы
преподавателя
в ходе
коммуникативных А.Г.Столетова; опытами
дискуссии
П.Н.Лебедева; химическим
компетенций.
действием света,
фотобиологическими процессами.
Решение задач по теме
3. Сформировать навыки решения
задач по теме: «Элементы квантовой урока
Решение
тестовых
оптики»
заданий
2 ак.
часа

3.

План занятия
№
Этап занятия / содержание занятия
Время * (указываем
время исходя из
содержания занятия)
1.
Организационный момент
3-5 минут
2.
Целеполагание
3-5 минут
3.
Актуализация опорных знаний (входной
контроль, проверка домашнего задания)
10 минут
4.
Мотивация учебной деятельности
5 минут
5.
Изучение нового материала
30- 40 минут
6.
Обобщение и систематизация
знаний/Освоение и закрепление
практических умений).
15-20 минут
7.
Подведение итогов занятия
5 минут
8.
Рефлексия.
5 минут
9
Домашнее задание (решение теста)
15 минут

4.

Содержание темы
№
Содержание темы
1.
Гипотеза Планка. Формула Планка связи энергии фотона с
его частотой.
2.
Открытие и исследование фотоэффекта. Опыты
А.Г.Столетова. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна
для фотоэффекта. «Красная» граница фотоэффекта.
3.
Давление света. Опыты П.Н.Лебедева. Энергия и импульс
фотона.
4.
Химическое действие света. Фотобиологические процессы.

5.

Критерии оценки
Устный ответ
В ответе полно раскрыто содержание учебного материала;
«5»
правильно и полно даны определения и раскрыто содержание
(Отлично)
понятий, верно использована терминология; для доказательства
использованы различные умения, выводы из наблюдений и опытов;
ответ самостоятельный.
В ответе раскрыто содержание материала, правильно даны
«4»
определения, понятия и использованы научные термины, ответ в
(Хорошо)
основном самостоятельный, но допущена неполнота определений,
не влияющая на их смысл, и/или незначительные нарушения
последовательности изложения, и/или незначительные неточности
при использовании терминологии или в выводах, ответ
самостоятельный или с незначительной помощью преподавателя.
В ответе продемонстрировано усвоение основного содержания
«3»
(Удовлетворитель учебного материала, но изложено фрагментарно, не всегда
последовательно, определения понятий недостаточно четкие, не
но)
использованы выводы и обобщения из наблюдения и опытов,
допущены существенные ошибки при их изложении, допущены
ошибки и неточности в использовании терминологии, определении
понятий.
В ответе основное содержание учебного материала не раскрыто, не
«2»
(Неудовлетворит даны ответы на вспомогательные вопросы преподавателя,
допущены грубые ошибки в определении понятий и в
ельно)
использовании терминологии

6.

Критерии оценки
Решение тестовых заданий:
«5»
(Отлично)
Количество правильных ответов составляет не менее 90% заданий.
«4»
(Хорошо)
Количество правильных ответов составляет 80% - 89% заданий.
«3»
Количество правильных ответов составляет 70% - 79% заданий.
(Удовлетворитель
но)
«2»
Количество правильных ответов составляет 69% и менее заданий.
(Неудовлетворит
ельно)

7.

Критерии оценки
Письменный ответ на бумажном или электронном носителе
«5»
(Отлично)
В ответе полно раскрыто содержание учебного материала;
правильно и полно даны определения и раскрыто содержание
понятий, верно использована терминология.
«4»
(Хорошо)
В ответе раскрыто содержание материала, правильно даны
определения, понятия и использованы научные термины, но
допущена неполнота определений, не влияющая на их смысл,
и/или незначительные нарушения последовательности изложения,
и/или
незначительные
неточности
при
использовании
терминологии или в выводах.
«3»
В ответе продемонстрировано усвоение основного содержания
(Удовлетворитель учебного материала, но изложено фрагментарно, не всегда
последовательно, определения понятий недостаточно четкие, не
но)
использованы выводы и обобщения, допущены существенные
ошибки при их изложении, допущены ошибки и неточности в
использовании терминологии, определении понятий.
«2»
В ответе основное содержание учебного материала не раскрыто, не
(Неудовлетворит даны ответы на вспомогательные вопросы преподавателя,
допущены грубые ошибки в определении понятий и в
ельно)
использовании терминологии.

8.

7.1 Элементы квантовой оптики
1. Гипотеза Планка. Формула Планка связи энергии
фотона с его частотой
• Гипотеза Планка
Тела, нагретые до достаточно высокой температуры
приобретают способность светиться, излучая ЭМ
волны.
Тепловое излучение – ЭМ излучение, испускаемое
нагретыми телами за счёт своей внутренней
энергии.
При решении задачи о тепловом излучении
стало ясно, что полученные с помощью
классической электродинамики результаты
расходятся с экспериментом.
Согласно теории Максвелла, колеблющиеся
заряды испускают ЭМ волны. Тогда излучение
нагретых тел может быть объяснено колебаниями
электрических зарядов в молекулах вещества.

9.

Тогда плотность излучаемой энергии
должна расти, если растёт - частота.
Однако, опыт показывал, что наоборот,
при больших плотность энергии
становится малой (см. рис.1 справа).
Уменьшение спектральной
плотности излучения при больших
частотах, необъяснимое с точки зрения
теории Максвелла в истории физики
было названо ультрафиолетовой
катастрофой в конце XIX В.
В 1900 г. Решение этой задачи было
получено Максом Планком, который
предположил, что энергия излучения
и его частота связаны друг с другом.
При этом излучение ЭМ волн атомами
и молекулами вещества происходит
Макс Планк
(1858-1947)
Рис.1.
Распределение
энергии излучения
по частотам
(спектральная
плотность
интенсивности
излучения)

10.

не непрерывно, а дискретно, т.е. отдельными
порциями – квантами. Энергия излучения кванта
прямо пропорциональна частоте излучения:
E h
(1)
E энергия кванта света, Дж
34
h 6,62 10 Дж с постоянная Планка
частота излучения, Гц

11.

Теория теплового излучения, разработанная Планком
прекрасно согласовывалась с экспериментом.
После открытия Планка начала развиваться
новая, самая современная и глубокая физическая
теория - квантовая физика, которая развивается
и по сей день.
• Явление внешнего фотоэффекта
В 1897 Г.Герц открыл явление электризации
металлических поверхностей при их освещении.
Это явление получило название фотоэффекта.
Явление вырывания электронов из твёрдых
и жидких веществ под действием света называется
фотоэффектом.
Для обнаружения фотоэффекта на опыте
используют электроскоп с присоединённой к нему
цинковой пластиной.

12.

Если зарядить пластину положительно,
то её освещение не влияет на быстроту
разрядки электроскопа.
Если зарядить пластину отрицательно,
то световой пучок от дуги разряжает
электроскоп очень быстро.
Рис.2. Опыт
с электроскопом
с присоединённой
к нему цинковой
пластиной
по обнаружению
фотоэффекта
Объяснение такое: свет вырывает
электроны с поверхности пластины.
Если пластина заряжена отрицательно,
то вылетевшие с поверхности
электроны отталкиваются от неё
и электроскоп разряжается.
При положительном заряде пластины
вырванные светом электроны
притягиваются к пластине и снова
оседают на ней. Поэтому заряд
пластины не меняется.

13.

Однако, если на пути пучка света поставить
обыкновенное стекло, то отрицательно заряженная
пластина не будет терять электроны, какова бы ни была
интенсивность излучения.
Т.к. именно УФ лучи поглощает стекло, то из этого
опыта→что именно УФ участок спектра, т.е. волна
с большой частотой вызывает фотоэффект.
Это простой факт нельзя объяснить с помощью
волновой теории света. Непонятно, почему волны
малой частоты не могут вырывать электроны?
Ведь интенсивность (амплитуда) этих волн велика, а
значит велика и энергия излучения.
Позднее А.Г. Столетов (1839-1896) установил
основные положения закона фотоэффекта.

14.

Александр
Григорьевич
Столетов
(1839-1896)
Рис. 3. Фотоэлемент Столетова: в стеклянный баллон, из которого
выкачан воздух помещают два электрода: катод и анод. На катод
падает свет через кварцевое стёклышко, прозрачное для УФ излучения.
Напряжение можно менять с помощью реостата. На электроды подают
напряжение, которое меряется вольтметром. Под действием света,
катод испускает электроны и между катодом и анодом начинает течь
электрический ток. Если напряжение увеличивать, то сила тока будет
возрастать до некоторого максимального значения, называемого
фототоком насыщения.

15.

Рис. 4. Фототок
насыщения
Экспериментально удалось
установить, что число
электронов, вырываемых светом
с поверхности металла за 1 с при
токе насыщения
пропорционально поглощаемой
за это время энергии световой
волны→
I закон фотоэффекта: Фототок насыщения прямо
пропорционален падающему световому потоку.
Если поменять полярность источника, то при
некотором задерживающем напряжении U З обратной
полярности сила тока станет равной нулю, т.е.
электрическое поле тормозит все вырванные
электроны до полной остановки и возвращает их
на электрод.

16.

Задерживающее напряжение зависит от максимальной
кинетической энергии, которую имеют вырванные
электроны:
2
mV
e U З
2
(2)
mV 2
кинетическая энергия электронов, Дж
2
U З запирающее напряжение, В
e 1,6 10 19 заряд электрона, Кл
Из опытов→при изменении интенсивности падающего
света запирающее напряжение не меняется→не
меняется кинетическая энергия EК. Опыты показали, что
E К зависит только от - частоты падающего света.

17.

II закон фотоэффекта: Максимальная кинетическая
энергия фотоэлектронов EК max прямо пропорциональна
частоте падающего на катод излучения и не зависит
от интенсивности излучения.
Если частота света min , где min - минимальная
частота, определённая для данного вещества, то
фотоэффект не происходит.
Электродинамика Максвелла не могла объяснить,
почему E К зависит только от частоты и почему лишь
при достаточно малой частоте min , свет вырывает
электроны.
1905 г.: А.Эйнштейн развил идеи Планка и дал
объяснение фотоэффекту.

18.

Эйнштейн предложил следующий механизм
фотоэффекта:
Электрон поглощает квант света и получает всю его
энергию E h (квант при этом исчезает). Часть
полученной энергии расходуется на вырывание
электрона из металла и называется работой выхода Aвых .
Остаток энергии кванта переходит в кинетическую
2
mV
энергию выбитого светом электрона: EK max
.
2
По закону сохранения энергии можно записать:
Уравнение
Эйнштейна для
фотоэффекта
m V
h
Aвых
2
2
m
(3)

19.

В формуле (3):
Aвых - работа выхода (минимальная порция энергии,
которую нужно сообщить электрону, чтобы он покинул
металл, (Дж);
h - энергия порции света, (Дж);
2
mVmax
2
- максимальная кинетическая энергия электрона,
(Дж).
Формула (3) справедлива для электронов,
находящихся у поверхности металла. Если электрон
находится в глубине металла, то часть поглощённой
энергии теряется вследствие неизбежных
столкновений электрона в веществе.
Уравнение Эйнштейна объясняет основные
факты, касающиеся фотоэффекта.

20.

Интенсивность света пропорциональна числу
квантов (порций) энергии в световом пучке
и определяет число электронов вырванных из металла.
Скорость электронов Vmax определяется только
частотой света и работой выхода Aвых , зависящей
от типа металла и состояния его поверхности.
Фотоэффект не может иметь места, если энергия
кванта света меньше, чем работа выхода. Отсюда
получаем уравнение для минимальной частоты света,
при которой возможен фотоэффект:
h min Aвых
(4)
min - «красная» граница фотоэффекта, (Гц)

21.

3. Давление света. Опыты П.Н. Лебедева. Энергия и
импульс фотона
Успехи квантового подхода к объяснению
законов теплового излучения и фотоэффекта
позволили физикам считать, что кванты – это
реальные физические объекты.
В современной физике квант ЭМ излучения или
фотон - это элементарная частица с энергией E h
и импульсом
p.
• Энергия и импульс фотона
В физических явлениях при испускании и
поглощении, свет ведёт себя подобно потоку частиц,
где каждая частица имеет порцию энергии E h и
эта энергия зависит от частоты света .

22.

Согласно теории относительности энергия и импульс
безмассовой частицы связаны соотношением:
Энергия
фотона
E p c
(5)
p – импульс частицы, (м/c)
8
с
3
10
мс
с – скорость света,
Тогда:
Импульс
фотона
E h p c ;
(6)
E h h
p
.
c
c

23.

Направление импульса фотона совпадает
с направлением светового луча.
Чем больше частота света , тем больше
энергия E и импульс p фотона и тем отчётливее
проявляются корпускулярные свойства света.
Из-за того, что постоянная Планка очень мала,
энергия фотонов видимого излучения очень
незначительна. Фотоны, соответствующие зелёному
свету имеют E 3,5 10 19 4 10 19 Дж .
ЭМ излучение представляет собой поток
фотонов. Благодаря наличию импульса фотоны,
падающие на поверхность тела оказывают давление,
аналогичное давлению, создаваемому частицами газа.

24.

Суммарная сила, действующая
на электроны поверхности
металла и определяет силу
светового давления
Рис. 5. Падающая волна света на поверхность металла
• Давление света
Максвелл на основе ЭМ теории света
предсказал, что свет должен оказывать давление на
препятствия.
Под действием ЭМ поля волны, падающей на
поверхность тела, свободный электрон
движется в
сторону, противоположную вектору E .
На движущийся
электрон действует сила
Лоренца FЛ , направленная в сторону
распространения волны.

25.

Пётр Николаевич
Лебедев
(1866-1912)
Впервые давление света измерил
П.Н.Лебедев в 1900 г..
Прибор состоял из тонкого
стерженька на стеклянной нити, по
краям были приклеены лёгкие
крылышки, с одной стороны
зеркальные, а с другой зачернённые.
Свет падал на крылышки от дуговой
лампы.
Фотон обладает энергией и импульсом. При
отражении света изменение импульса:
pотраж. 2 pпоглощ.
Рис. 6. Схема
установки в опыте
П.Н.Лебедева

26.

Изменение импульса равно изменению силы. Точно
такой же импульс передаётся крылышку отразившему
или поглотившему фотон.
Суммарный момент сил, действующий на прибор
отличен от нуля и нить закручивается.
Опыты П.Н.Лебедева можно рассматривать как
экспериментальное доказательство существования
давления света и того, что фотоны обладают
импульсом.
4. Химическое действие света. Фотобиологические
процессы
Отдельные молекулы поглощают световую
энергию порциями – квантами h . В случае видимого
и УФ излучений эта энергия достаточна для
расщепления многих молекул. В этом и проявляется
химическое действие света.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

Вопросы для повторения:

41.

8)

42.

Ссылка из МЭШ на учебник Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин
В.М. Физика-11:
https://uchebnik.mos.ru/player3/books/00000504.0.1/articles/0.1.0.0
Примеры задач из учебника, стр.236,
§71 Примеры решения задач по теме «Корпускулярно-волновой дуализм»
(МЭШ):
1.

43.

Дополнительные задачи по теме «Элементы
квантовой оптики»:

44.

45.

Подведение итогов учебного занятия
Вопросы для рефлексии:
1. Как Вы можете оценить свою работу на учебном занятии?
2. Что нового Вы узнали на учебном занятии? Изменилось ли что-то в
Вашем понимании темы?
3. Какие разделы изученной темы требуют дополнительного разъяснения?
Сформулируйте вопрос, направленный на углубление Вашего понимания
материала.
4. Каким образом учебное занятие повлияло на Вашу мотивацию к
дальнейшему изучению данной дополнительной программы? Какие
новые образовательные задачи Вы определили для себя?
45

46.

Домашнее
литература
задание
и
рекомендуемая
1. Федорова В.Н. Физика: учебник для студентов учреждений сред.
проф. образования / В.Н.Федорова, Е.В. Фаустов. – М: ГЭОТАРМедиа, 2015:
С.357-361, §13.2-13.3: прочитать, выучить основные определения и
формулы
2. Библиотека МЭШ: Мякишев Г.Я., Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин
Физика-11, с.260-278: §69-73: прочитать, выучить основные
определения и формулы:
Ссылка на учебник Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., В.М.
Чаругин: Физика 11 из Библиотеки МЭШ :
https://uchebnik.mos.ru/material/book23204?menuReferrer=catalogue
2. Перейти по ссылке, решить тест 7.1:
https://onlinetestpad.com/i4nhucukbmjo6
46

47.

Учебная дисциплина ОУП.11 Физика
Тема: 7.1 Элементы квантовой оптики
Специальность: 34.02.01 Сестринское дело
Преподаватель: Зенкина О.Н.