Квантовая физика

1. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

ЕГЭ. ФИЗИКА
РЕПЕТИЦИЯ ПО ФИЗИКЕ
Владимир Петрович Сафронов
г. Ростов-на-Дону, 2015
Звоните: т. 8 928 111 7884
Пишите: [email protected]

2. КВАНТОВАЯ ОПТИКА

Тепловое излучение
Нагретые тела приобретают способность светиться.
Тепловым называется излучение электромагнитных волн
телами, находящимися в состоянии термодинамического равновесия.
В.П. Сафронов 2015 [email protected]

3. Абсолютно черное тело

полностью поглощает падающий на него свет.
Его поглощательная способность
a * , T 1.
Хорошей моделью абсолютно черного тела является
полость с отверстием (зрачок глаза).
Луч света, попавший внутрь полости, многократно
отражается от стенок и не выходит наружу — поглощается.
Если полость нагреть,
через отверстие будет выходить излучение —
излучение абсолютно черного тела.
В.П. Сафронов 2015 [email protected]

4. Формула Планка

Зависимость энергии
излучения абсолютно
черного
тела от частоты и
температуры
T2 T1
E ,T
T1
Макс Планк (1900 г.)
показал, что правильное описание
экспериментальных данных для энергии
теплового излучения абсолютно черного тела
можно получить, лишь предположив, что
излучение испускается веществом отдельными
порциями — квантами — фотонами .
Энергия кванта-фотона E пропорциональна частоте
излучения :
E h hc pc ,
1max 2max
где h = 6,626∙10-34 Дж∙с — постоянная Планка.
с = 3∙108 м/с — скорость света в вакууме
p — импульс фотона.
Фотоны — кванты света — эта гипотеза была предложена Максом Планком
для описания теплового излучения:
а) Энергия электромагнитных волн излучается, распространяется и поглощается
отдельными порциями — квантами или фотонами.
б) Свет можно считать потоком частиц — фотонов, не обладающих массой покоя
и движущихся со скоростью с, равной скорости света в вакууме.
Макс Планк (1858-1947)
В.П. Сафронов 2015 [email protected]

5. Квантовая природа света

Фотон
квант (порция) электромагнитного излучения, элементарная частица.
туманность
ФотонКрабовидная
не имеет массы покоя,
поэтому движется со скоростью света c
Энергия фотона
E h c hc / pc .
Масса фотона
По закону Эйнштейна, который определяет взаимосвязь массы и энергии
E mc 2 , сравнивая с энергией фотона, получаем
m h / c 2 h /( c ).
масса покоя электрона — 9,1·10-31 кг;
масса фотона видимого света ~ 10-36 кг;
Примеры:
масса фотона рентгеновского излучения ~ 10-33 кг;
масса фотона - излучения ~ 10-31 кг и более до 10-24 кг .
Импульс фотона:
p mc h / c h / .
В.П. Сафронов 2015 [email protected]

6. Фотоэффект.

Внешний фотоэффект – это выбивание электронов из вещества под действием света.
При освещении катода в цепи возникает электрический ток (рис.).
Фотоэффект подтверждает корпускулярные свойства света.
Катод Свет Анод
I
I
I max 2
A
1
2
3
I max1
U
UЗ
0
U
UЗ
U
Задерживающее напряжение UЗ, В:
Напряжение между анодом
и катодом, при котором прекращается фототок:
2
mэvmax
eU З
.
2
2
mэvmax
2
В.П. Сафронов 2015 [email protected]
— максимальная кинетическая энергия выбитых электронов.

7. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Эйнштейн предложил рассматривать
Кин. энергия
фотон
фотоэффект как неупругое соударение
электрона
частицы фотон с частицей электрон.
Eф h
При этом выполняется закон сохранения энергии.
E K me v 2 2
Фотон полностью отдает электрону свою
металл
энергию ЕФ = h , которая затрачивается на
AВ
работу выхода Aвыхода электрона из металла
и на сообщение электрону
кинетической энергии ЕК = mev2/2:
электрон
EФ AВ EK
— уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
hc
pФ с — энергия фотона.
2
mэvmax
pэ2
EK eU З
— максимальная кинетическая энергия выбитых электронов.
2
2mэ
hc
AВ h КР
, Дж(эВ) — работа выхода —минимальная энергия, которую нужно
КР
передать электрону, чтобы вырвать его из вещества.
Зависит только от типа вещества.
2
mэvmax
pэ2
hc hc
hc
h AВ
h h КР eU З
EK h
eU З pФ с AВ
.
2
КР
КР
2mэ
E
A
В эВ: Ф в U З .
1 эВ = 1,6∙10-19Дж.
e
e
В.П. Сафронов 2015 [email protected]
EФ h

8. Законы фотоэффекта

Законы фотоэффекта объясняются уравнением Эйнштейна:
h Aвыхода E K .
1. Фототок насыщения пропорционален освещенности катода
Число фотоэлектронов пропорционально интенсивности света,
— чем больше падающих фотонов, тем больше выбитых электронов.
2. Кинетическая энергия фотоэлектронов зависит только
от частоты света и типа металла:
E K h Aвыхода
Aвыхода
— константа металла.
3. Существует красная граница фотоэффекта —
наименьшая частота света (наибольшая длина волны), ниже которой фотоэффекта нет:
h min Aвыхода min КГ
Aвыхода
h
,
hc
Aвыхода
max
КГ
hc
Aвыхода
.
Фотоэффект применяется в фотодатчиках, изменяющих свое сопротивление в
зависимости от освещенности и в солнечных батареях.
В.П. Сафронов 2015 [email protected]

9. ПРИМЕРЫ

Непосредственное, с помощью фотоэлементов, преобразование энергии
солнечных лучей в электрическую энергию (фотовольтаика)
В.П. Сафронов 2015 [email protected]
Гелиоэнергетическая установка «Башня»

10. Дифракция электронов

Эксперимент
(Дэвисон и Джермер 1927 г).
Поток электронов,
ускоренный
напряжением U
(электронная пушка),
проходит через
золотую фольгу
(мишень).
На экране наблюдается
интерференционная
картина.
U=
В.П. Сафронов 2015 [email protected]
Значит, электроны,
подобно фотонам,
обладают волновыми
свойствами.

11. Дифракция электронов

Решая задачу о дифракции электронов на кристаллической решетке,
получаем длину волны электрона
12, 25 10 10
м.
э
U
Длина волны электрона обратно пропорциональна корню из
ускоряющего напряжения.
Гипотеза де Бройля
Луи де Бройль (1924 г) распространил двойственное поведение света
на частицы вещества, предположив,
что любая частица обладает волновыми свойствами.
Длина волны де Бройля частицы, обладающей импульсом p = mv ,
определяется, как и для света, по формуле:
h p.
длина волны электрона ~ 0,1 нм
Скорость электрона v ~ 107 м / с
Частица массой m = 1 г, скорость v = 1 м/с ~10-30 м
Волновые свойства у макроскопических тел не проявляются.
Зависимость длины волны электрона от ускоряющего напряжения
U, В
, Ǻ (1Ангстрем =10-10м)
В.П. Сафронов 2015 [email protected]
1
12,25
100
10000
1,25
0,125

12. Электронные микроскопы

Волновые свойства электронов используются в
электронных микроскопах,
дающих увеличение в тысячи раз большее, чем световые.
Titan 80-300 Cubed 15 млн $
Кристаллическая решетка
ВИРУСЫ
ТРЕЩИНА И МЕТАЛЛЕ
В.П. Сафронов 2015 [email protected]
эритроциты

13. конец

В.П. Сафронов 2015 [email protected]