На пути к квантовым эффектам в макроскопическом масштабе

1. На пути к КВАНТОВЫм ЭФФЕКТам В МАКРОСКОПИЧЕСКОМ МАСШТАБЕ

НА ПУТИ К КВАНТОВЫМ
ЭФФЕКТАМ В
МАКРОСКОПИЧЕСКОМ
МАСШТАБЕ
Лекция 3
Tantum possumus, quantum scimus
Вопрос 1

2. Примеры квантовых эффектов в макроскопическом масштабе

ПРИМЕРЫ КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТОВ В
МАКРОСКОПИЧЕСКОМ МАСШТАБЕ

3. На пути от классической к квантовой механике

НА ПУТИ ОТ КЛАССИЧЕСКОЙ К
КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ

4. Ключи к исследованию квантового мира (вопрос 2,3)

КЛЮЧИ К ИССЛЕДОВАНИЮ
КВАНТОВОГО МИРА (ВОПРОС 2,3)
• Абсолютно черное тело (АЧТ)
• Фотоэффект

5. фотоэффект + Абсолютно черное тело (АЧТ) (вопрос 4, 5)

ФОТОЭФФЕКТ + АБСОЛЮТНО
ЧЕРНОЕ ТЕЛО (АЧТ) (ВОПРОС 4, 5)
Электромагнетизм
Тепловое излучение
Термодинамика
(вопрос 4, 5)

6.

7. Фотоэффект: природа света

ФОТОЭФФЕКТ: ПРИРОДА СВЕТА
Исаак Ньютон — английский физик, математик,
механик и астроном, один из создателей
классической физики и математического анализа
Христин Гюйгенс — нидерландский
физик, математик, механик, и астроном
1670-1704 гг
1678 - 1690 гг
Создание корпускулярной (вопрос 6) теории света
Создание волновой теории света
Проблема дифрации (вопрос 7) и интерференции
света
Объяснение дифрации и интерференции
света
Томас Юнг -Английский ученый,
врач, физик и египтолог
Эксперимент с двумя щелями (1801):
Это знаменитый эксперимент Юнга,
который стал первым убедительным
доказательством волновой природы света.
Огюстен Жан Френель - французский физик
1814-1827
Дифракция
Поляризация
(Вопрос 8) Признание волновой теории
(доказательство поперечности световой волны).
Этьен-Луи Малюс
Эразм Бартолин Исаак Ньютон Христин Гюйгенс
Математическое описание коэффициентов
датский ученый английский ученый нидерландский физик французский физик
Отражения и пропускания поляризованного света
1808
1669
1669-1704
1678-1690
Фильм 1
Интенсивность
Открытие эффекта
света
с помощью кальцита

8. Тепловое излучение вопрос 9 ,10

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ВОПРОС 9 ,10

9. Тепловое излучение

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
1761 – 1762
Джозеф Блек – шотландский врач,
физик, химик
Первый калориметр (вопрос 11)
1790-е
1793 – 1803
Джон Рутерфод – шотландский врач, химик
Пьер Прево– швейцарский ученый
Изобретелние дифференциального термометра
Теоретик + экспериментатор
(ДТ)
От статистического равновесия –
к динамическому
- Использование экранов
- Использование вакуума
- Исследование влияние поверхностей

10. Тепловое излучение

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
1800-1820е
Джон Лесли– шотландский
физик, математик
Усовершенствование ДТ
(вакуумирование, расширение трубок,
большая градуировка и сравнение с
эталонами)
Вопрос 12
Исследование как цвет, текстура и материал
поверхности влияют на излучательную способность.
Классификация различных материалов
по их излучательной способности.
Он показал, что тепловое излучение
может отражаться и фокусироваться.
Густав Кирхгоф –немецкий ученый
1859 год – сформулировал закон теплового излучения
отношение излучательной способности тела к его поглощательной
способности является универсальной функцией частоты
(или длины волны) и температуры и не зависит от природы тела
E(ν, T) / A(ν, T) = B(ν, T)
где:
E(ν, T) – излучательная способность тела на частоте ν при
температуре T (количество энергии, излучаемой телом на данной частоте в
единицу времени с единицы площади).
A(ν, T) – поглощательная способность тела на частоте ν при температуре T (доля
энергии, падающей на тело на данной частоте
B(ν, T) – универсальная функция, зависящая только от частоты и температуры

11. Первый закон термодинамики само понятие энергии

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
САМО ПОНЯТИЕ ЭНЕРГИИ
Закон сохранения энергии. Изменение внутренней энергии системы равно разности между количеством теплоты, сообщенным системе, и работой,
совершенной системой над внешними телами. ΔU = Q - A
Готфрид Вильгельм Лейбниц
немецкий врач и физик
1841-1845 (vis viva) mv2
Джеймс Джоуль
английский физик
1840е
(падение в воде,
падение в жидкостях,
ток в воде, сжатие газов)
1807 Ввел понятие «Энергия»
Герман Гельмгольц
английский физик
1847
Дифференциальная
математическая
формулировка
dU = δQ - δW
Юлиус Роберт фон Майер
немецкий врач и физик
1841-1845 (энергия не может
быть создана или уничтожена, а
может только переходить из одной
формы в другую)
Рудольф Юлиус
Эмануэль Клаузиус
английский физик
1850
Интегральная
математическая
формулировка

12.

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Составляющие тепловой
машины
1)Нагреватель
2)Рабочее тело
3)Охладитель
Q = A1 + ΔU
ΔU=0, когда T = константа
КПД = (Qнагр-Qохл)/(Qнагр)
Николя Леонард Сади Карно
1824
французский инженер,
физик и математик
- Разгар паровых машин
- Поиск идеальной
- тепловой машины

13. второй закон термодинамики

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Рудольф Юлиус
Эмануэль Клаузиус
английский физик
1850
Отец термодинамики
•“Невозможно перенести тепло от более холодного тела к более горячему без
одновременного производства другого эффекта.”
•1865 введение понятия энтропии dS = dQ / T
•изменение энтропии связано с количеством тепла, переданного в обратимом
процессе, и температурой, при которой этот процесс происходит.
Уильям Томпсон (Кельвин)
Английский физик
1851
“Невозможно построить тепловой двигатель,
который, совершая круговой процесс, превращал бы
все полученное тепло в работу, не производя никаких
других изменений в окружающей среде.”

14. Парадоксы 19 века

ПАРАДОКСЫ 19 ВЕКА
Фотоэффект
АЧТ
1860: Кирхгоф вводит понятие абсолютно
чёрного тела
Идеализированный объект, поглощающий всё
падающее на него излучение и излучающий
максимально возможное количество энергии при
данной температуре.
Генрих Герц – немецкий физик Александр Столетов –
русский физик
1887 обнаружил фотоэффект
в 1888-1890 годах
Фильм 2
1.: Классическая физика предсказывала, что энергия вылетающих
электронов должна зависеть от интенсивности света, но эксперименты
показали, что она зависит от частоты света.
2.: Существует минимальная частота света, ниже которой фотоэффект не
происходит, что также не имело объяснения в классической физике.
3.: Эксперименты показали, что максимальная кинетическая энергия
электронов не зависит от интенсивности света, что противоречило
классическим представлениям
Он предположил существование такого тела и
показал, что излучение из небольшого отверстия
в замкнутой полости с непрозрачными стенками,
находящейся в термодинамическом равновесии,
представляет собой излучение абсолютно
черного тела.
Ультрафиолетовая катастрофа: Классическая теория
предсказывала, что энергия излучения абсолютно чёрного тела
должна возрастать бесконечно с уменьшением длины волны, что
противоречило экспериментальным данным. Это явление было
названо «ультрафиолетовой катастрофой», поскольку проблема
была наиболее заметна в ультрафиолетовом диапазоне спектра

15. На пути к Решению парадоксов

НА ПУТИ К РЕШЕНИЮ ПАРАДОКСОВ
Джон Тиндаль
Йозеф Стефан
Людвиг Больцман
ученик Йозефа Стефана)
Английский физик
1860е-1870е годы
“О прохождении теплового
излучения через различные
газы”
австрийско-словенский физик и
математик
австрийский физик и математик
1879 год
1884 год
(исследование излучения нагретой платиновой
проволоки
Короткое видео 3
P = σAT⁴
•P - полная мощность излучения
•σ - постоянная Стефана-Больцмана (5.67 x 10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴))
•A - площадь поверхности
•T - абсолютная температура

16. На пути к Решению парадоксов

НА ПУТИ К РЕШЕНИЮ ПАРАДОКСОВ
Сэмюэл Хантер Кристи
Британский математик и
физик
1833 – Изобретение схемы
Сэр Чарльз Уитстон
Британский ученый,
изобретатель
Популяризация схемы
•A и C - точки подключения напряжения
• питания (Vin).
•B и D - точки подключения измерительного
• прибора (гальванометра или вольтметра).
Сэмюэл Пирпонт Лэнгли
Американский физик,
астроном, пионер авиации
1880 - Болометр
Отто Люммер
Эрнст Прингсгейм
немецким физикнемецкий физикэкспериментатор
экспериментатор
1895 – 1899
Получение кривых
Интенсивность излучения –
длина волны

17.

НА ПУТИ К РЕШЕНИЮ ПАРАДОКСОВ
1 закон смещения Вина
2 закон Вина
Вильгельм Карл Вернер Отто Фриц Франц Вин
Немецкий физик-теоретик
1894 – 1 закон смещения Вина
1896 – 2 закон

18. Решение парадокса ачт

РЕШЕНИЕ ПАРАДОКСА АЧТ
энергия излучения с частотой ν может
быть только кратна некоторой
минимальной порции энергии
E = hν
h -“элемент действия”
Макс Карл Эрнст Людвиг Планк
немецкий физик-теоретик
1900

19. Решение парадокса фотоэффекта

РЕШЕНИЕ ПАРАДОКСА
ФОТОЭФФЕКТА
Альберт Эйнштейн
немецкий физик-теоретик
1905