Похожие презентации:
Квантовая оптика. Истоки квантовой теории
1.
Квантовая оптика2. Истоки квантовой теории
I. Излучение абсолютно чёрного тела ультрафиолетоваякатастрофа
E T
1900г. Планк – излучение квантами!
II. Фотоэффект – противоречие классической теории света
1905г. Эйнштейн – поглощение квантами фотон
h
e
III.
+
Неустойчивость
1913г. На стационарн орбите
атома Резерфорда атома эл-н не излучает
3. Тепловое излучение
4.
Тепловое излучение – испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел.Нагретые тела тепловое излучение
Нетепловое излучение внешний источник энергии
Люминесценция во всех её проявлениях:
экраны дисплеев, светодиоды, лазеры и т.п.
Тепловое излучение может находиться в равновесии с окружающими телами.
Температура тела изменяется до тех
Полость с идеально
пор, пока количество излучаемой
отражающей поверхностью телом энергии не станет равным
Вакуум
количеству поглощаемой энергии.
Тело
Т.е. полость будет заполнена электромагнитным полем
в виде электромагнитных волн («излучением»).
Поглощение этих ЭМВ («излучения») телом при
равновесии компенсирует энергию излучаемую телом.
Согласно опыту и представлениям термодинамики:
равновесие детальное:
Излучаемая и поглощаемая энергия равны для каждой частоты ω (длины волны λ).
5.
Характеристики теплового излучения.Энергетическая светимость
Вт
RT
dR T
r T
Поток энергии, испускаемый ед. поверхности излучающего тела в ед.
времени по всем направлениям в интервале частот от 0 до
бесконечности.
Поток энергии, испускаемый ед. пов-ти излучающего тела в ед.
r T d времени по всем направлениям в интервале частот d .
м2
Вт с
м2
Испускательная способность
Испускательная способность тела (спектральная плотность потока энергии излучения)
— это количество энергии, испускаемой в единицу времени единицей поверхности тела
в единичном интервале частот по всем направлениям.
RT r T d
0
Поглощательная
способность
a T
d
d
Доля энергии, поглощенной телом,
на частоте ω при температуре Т
Часть этого потока, поглощенная телом.
Поток энергии ЭМВ падающих на тело в
интервале частот , d .
a T 1 T 1
Абсолютно
черное тело
(АЧТ)
6.
Если через малое отверстиезаглянуть внутрь полости, в
которой установилось
Замкнутая оболочка при T = const
термодинамическое
Вакуум…
равновесие между излучением
Система тел, находящихся в
состоянии теплового равновесия: и нагретыми телами, то глаз не
все тела имеют температуру
различит очертаний тел и
оболочки.
зафиксирует лишь однородное
свечение всей полости в целом.
Закон Кирхгофа
1
2
Закон Кирхгофа
Для системы тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, отношение
испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела и
является для всех тел одной и той же универсальной функцией частоты и
температуры.
r T r T
r T
.....
f ( , T ).
a T 1 a T 2
a T N
АЧТ: T 1
(r T ) АЧТ f ( ,T )
Теоретический интерес к
исследованию испускательной
способности АЧТ
7.
8.
Закономерностиизлучения абсолютно
черного тела
(r T ) АЧТ f ( ,T )
2 с
Модель АЧТ – полость,
содержащая ЭМВ в условиях
теплового равновесия
T const.
T 1
f ( ,T ) (r T ) АЧТ
T const.
Схема
определения
(r T ) АЧТ f ( ,T )
( ,T ) (r T ) АЧТ ,
ЭКСПЕРИМЕНТ
9.
Закономерности излучения абсолютно черного телаЗакон Стефан-Больцмана
( RT ) АЧТ (r T ) АЧТ d
0
( RT ) АЧТ T
4
Энергетическая светимость АЧТ
5,67 10 8 Вт
550 оС=823оК
( RT ) АЧТ 2.6 10 4
Вт
Вт
2
.
6
м2
см 2
м К
2
4
Постоянная Стефана
Больцмана
10.
( ,T ) (r T ) АЧТ , 1011 Вт / м3Закон смещения Вина
Закон
смещения
Вина
4
3
2
2000 К
1790 К
1600 К
1
0
1
2
3
, мкм
т
Инфракрасная
область
Видимая
область
т
b
T
b 2,90 10 3 м К
11.
«Ультрафиолетоваякатастрофа»
Теория Релея – Джинса;
строгая в рамках классической физики теория,
исходящая из волновой природы света.
f ( ,T ) (r T ) АЧТ
2
f ( , T )
kT
2 2
4 c
Формула Релея - Джинса
T1
0
T2 T3
( RT ) АЧТ
0
kT
2
f T d
d
2 2
4 c 0
12.
Гипотеза и формула Планка (1900).Электромагнитное излучение испускается в
виде отдельных порций энергии (квантов),
величина которых пропорциональна частоте
излучения:
h
h
2
h 6,62 10 34 Дж с
h
1,054 10 34 Дж с
2
Энергия электромагнитного излучения (в том числе заполняющего
нагретую полость ) может изменяться не непрерывно, а дискретно, а
именно на величину кратную
.
Формула Планка
3
f ( , T ) 2 2
4 c
f T
1
e kT 1
13. Квант действия Макса Планка (1900 г.)
Макс ПланкПланк Макс (1858-1947) – немецкий физик-теоретик,
основоположник квантовой теории.
“…он убедительно показал, что кроме атомистической
структуры материи существует своего рода
атомистическая структура энергии, управляемая
универсальной постоянной, введённой Планком. Это
открытие стало основой для всех исследований в
физике ХХ века, и с того времени почти полностью
обусловило её развитие.”
/А.Эйнштейн/
Нобелевская премия (1918г.) за открытие кванта действия
14.
15.
ФотоэффектВольт-амперная характеристика фотоэффекта
I
IН
Uз
U
mv2
eU з
2
Фототок насыщения пропорционален световому потоку (Столетов)
Существует своя так называемая красная граница: если длина волны
падающего света больше некоторой величины, то фотоэффекта не
наблюдается. Для каждого металла красная граница своя.
Кинетическая энергия электрона (задерживающий потенциал)
зависит от частоты (растет с ростом частоты) и не зависит от интенсивности .
16.
СветОбъяснение Эйнштейна
Электроны поглощают свет квантами hν
(введенными Планком). Энергия кванта
усваивается электроном целиком.
Свет
Задерж
. поле
Уравнение
Эйнштейна
Часть энергии кванта расходуется на работу
выхода электрона из металла, остальное –
превращается в кинет. энергию электрона.
me е2
h A
2
17.
Объяснение Эйнштейнаme е2
h A
2
Уравнение
Эйнштейна
Часть энергии кванта расходуется на работу
выхода электрона из металла, остальное –
превращается в кинет. энергию электрона.
hν < A – фототок =0
me е2
h A
2
ДО СИХ
Характерная для
данного металла
hν = A/ h - красная граница фотоэффекта
Кинетическая энергия электрона линейно зависит от
частоты света и не зависит от его интенсивности
Число выбитых электронов (ток насыщения) –
пропорционально числу квантов, т.е.
интенсивности света - закон Столетова
18.
ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ В ПОЛУПРОВОДНИКАХФотоприёмники электронно-оптические
преобразователи оптическая связь и др.
Фотовольтаика –
солнечные батареи возобновляемая
энергетика.
19. Фотон Альберта Эйнштейна (1905 г.)
Альберт ЭйнштейнАльберт Эйнштейн (1879-1955) – один из
создателей современной физики, создатель
специальной и общей теории относительности.
В 1905 г. ввёл представление о дискретной
квантовой структуре светового излучения,
рассматривая последнее, как поток квантов света,
или фотонов – фотонная теория света.
Нобелевская премия 1921 г. за открытие
законов фотоэлектрического эффекта.
20.
Фотон Альберта Эйнштейна(1905)
Эйнштейн: свет не только испускается квантами (Планк, излучение
АЧТ), и не только поглощается квантами (Эйнштейн, фотоэффект)
но и распространяется в виде квантов – фотонов.
Свет состоит из частиц – фотонов, несущих энергию
E mc 2
E h P h h
ф
c
c
P mc
1
m m0
2
m0 0
1 2
c
с
PФ
h
Фотон обладает
импульсом
Масса покоя фотона равна 0
h
21.
Свойства фотонаФотон обладает:
а) корпускулярными св-вами
– он неделим при любых взаимодействиях
- он обладает импульсом
б) волновыми св-вами
- ему соответствует определённая частота ν
(длина волны λ)
- он проявл в явлениях интерференции и
дифракции
Корпускулярно-волновой дуализм. Статистическое объяснение
непротиворечивости корпускулярных и волновых свойств.
22.
Световое давлениеЕсли фотоны имеют импульс, они должны оказывать давление на
поверхность.
E mc2
Е
P
с
P mc
Если n – концентрация фотонов, то
nc – число фотонов , падающих в единицу времени на единицу
площади
E
давление p nc En w
c
энергия фотонов в ед объёма
Если все упавшие фотоны поглотятся p=w
Если все фотоны отразятся, p=2w
23.
1871 – 193724.
B const.25.
1.1. Цель опыта
Резерфорда
Исследование распределения положительного и
отрицательного зарядов в атоме
2. Метод
исследования
Исследование рассеяния альфа-частиц атомами
тонкой металлической фольги
He 107 м с
m( He ) 104 m(e )
3. Схема установки:
dN
f ( )
N
Относительное
число частиц
Вакуум…ZnS…Сцинтилляции…
4. Результаты исследований:
Подавляющее число частиц…
0,9
0
26.
1. Цель опытаРезерфорда
Исследование распределения положительного и
отрицательного зарядов в атоме
2. Метод
исследования
Исследование рассеяния альфа-частиц атомами
тонкой металлической фольги
3. Результат опыта и теоретических расчётов
Резерфорда:
Атом – пуст: линейные размеры ядра составляют 1/10 000
линейных размеров атома; почти вся масса атома сосредоточена
в ядре.
Суть фундаментального
результата исследований
Резерфорда: оценка линейного
размера ядра.
5 10 14 м
5 10 12 см
5 10 4
27.
Планетарная (ядерная) модель атома:«Атомсостоит из положительно-заряженного ядра, вокруг
которого перемещаются по замкнутым
траекториям, подобно планетам вокруг Солнца,
электроны».
2.
Недостатки планетарной (ядерной) модели атома.
1. Неустойчивость модели…
Излучение ЭМВ…
Электрон должен в конечном счете упасть на ядро...
2. Нет объяснения дискретности спектров испускания…
1911 г.
28.
Исследование спектров атомов были еще одним ключом кпониманию его строения.
Что такое спектр и каковы особенности спектра невзаимодействующих атомов
(например в случае разреженного газа)
1. Линейчатый характер
2. Разбиение на группы (называемые сериями)
Формула Бальмера для спектра водорода (1885)
Обобщенная формула Бальмера
29.
30.
1.Сплошной и линейчатый спектры испускания.
Источник света
Щель Призма
Экран
Сплошной спектр солнечного света
31.
NaH
Ge
Hg
Ne
Для атомов каждого
вещества характерен
свой спектр.
Линейчатые спектры испускания атомов
(окрашенные изображения щели)
32.
2.Закономерности в спектре атома водорода. Формула Бальмера.
Серия линий в видимой
части спектра атома
водорода
Серия Бальмера
Формула Бальмера
1 1
2
2
2 n
R
n 3,4,5,...
R 2,07 1016 рад
Постоянная Ридберга
с
1885г.
Математически записанная
Бальмером наблюдаемая
закономерность…
33.
Дальнейшие исследованияспектра водорода…
Открытие новых серий
Обобщенная
формула Бальмера
1
1
2
2
m n
R
n m
R 2,07 1016 рад
с
Критерий состоятельности модели атома
m – номер серии
m=1 – серия Лаймана
m=2 – серия Бальмера
m=3 – серия Пашена
m=4 – серия Брэкета
m=5 – серия Пфунда
n m 1, m 2,...
вывод формулы Бальмера.
34. Атом Бора
I. Из всех возможных классических орбит только некоторыеявляются разрешёнными, а именно – те для которых момент
количества движения удовлетворяет условию:
mvR n
h
(
); n 1,2,3...
2
II. Когда электрон находится на одной из разрешённых орбит он
(в противовес теории Максвелла) не излучает !
III. Электрон излучает энергию только при переходе с одной
разрешённой орбиты на другую. Значение излучённой при этом
энергии определяется соотношением Энштейна Планка.
E2 E1 h
E2
h
E1
35.
Нильс Бор(1913г.)
36.
Опыты РезерфордаПланетарная модель атома
Проблема планетарной модели:
при движении по криволинейной
траектории электрон излучает энергию
37.
Первый постулат Бора.Атом может находится только в особых
стационарных или квантовых (дискретных)
состояниях, каждому из которых соответствует
определенная энергия En. Находясь в одном из
стационарных состояниях атом не излучает.
Стационарным состояниям соответствуют дискретные
круговые орбиты, для которых момент импульса
принимает определенные значения.
E3 E2 h
me r n
(n 1,2,3,...)
Второй постулат Бора.
Переход атома из одного стационарного
состояния в другое сопровождается поглощением
или излучением кванта энергии (фотона), равного
разности энергий стационарных состояний.
En Em h
38.
Опыт Франка и Герца (1914).Цель опыта: экспериментальное доказательство существования дискретных
энергетических состояний в атоме ( 1-ый постулат Бора ).
Схема опыта:
K
C
Результат эксперимента:
A
G
v
U З 0,5В
1.Пары Hg в откаченном объёме;
2.Катод-сетка: ускор. разность
потенциалов
3.Сетка-анод: задерживающая
разность потенциалов
Если при столкновении внутренняя энергия атома ртути
не меняется (упругое столкновение), энергия электрона
практически не меняется (из-за разницы масс).
Атом поглощает
энергию (механическую)
дискретно!
Доказательство
1-го постулата
Бора.
I
Ускоряющее напряжение, В
Начало
неупругих
взаимодействий
Начало 2-х
возможных
неупругих …
…3-х…
Комптон 1925. При U>4.9 В атомами ртути излучается свет с λ=0.2537мкм (УФ)
λ=0.2537мкм
Фотон hν = 4.9 эВ
Доказательство второго
постулата Бора
39.
Боровская модель атома водорода, водородоподобного ионаFe
e
1-ый п-т.Бора
me
Ze
2-ой з-н Н.
Скорость
электрона на
боровских
орбитах
Энергия
me r n
Ze
(n 1,2,3,...)
r
Радиусы
боровских
орбит
1 ЭЛЕКТРОН В
ПОЛЕ ЯДРА С
ЗАРЯДОМ
h 2 0
2
rn
n
me Ze2
,r
me 2
Ze2
r
4 0 r 2
Атом Н , Z=1
r1=0.53∙10-10 м=0.53 Å
v1=2∙106 м/сек
Ze2 1
n
2h 0 n
me Z 2e 4 1
En 2 2 2
8h 0 n
40.
2-ой п.Бораme Z 2e4 1
En 2 2 2
8h 0 n
En Em h
me Z 2e4 1
Em 2 2 2
8h 0 m
n m
mZ e 1
1
1
En Em e 3 2 2 2
h
8h 0 m n
2 4
Постоянная
Ридберга
me Z 2e4 1
1
1
1
2
R
2
2
4h3 02 m2 n 2
m n
Формула Бальмера
1 1
R 2 2
2 n
Теория
Бора
(!!)
n 3,4,5,...
R 2,07 1016 рад
me Z 2e4
R
4h3 02
с
Эксперимент
41.
E>0 Соответствуетсвободному электрону.
m=3 – серия Пашена
E 0
E4
E3
E2
m=2 – серия Бальмера
(красное свечение)
3,40 eV
m=1 – серия Лаймана
E1
13,6 eV
42.
Недостатки теории БораНе удаётся рассчитать атомы с двумя (атом Не) и более электронами.
Ничего не говорит об интенсивности линий излучения (а она разная для
разных линий (например, водород светится красным).
Основной недостаток непоследовательность:
вычисление орбит на основе законов классической механики, считая при
этом неприменимой классическую электродинамику.
Промежуточный этап в поисках адекватной теории, получившей название
квантовой физики.
43.
1924 г.Де-Бройль
1927 г.
Дэвиссон и
Джермер
44.
Гипотеза де-Бройля (1924):ЧАСТИЦЫ ВЕЩЕСТВА
СВЕТ
h
h
pф
c ф
h
Б
p
h
ф
pф
Волн.природа
Волн.природа
(интер-ция,
диф-ция)
Корпуск.природа
(неделимость)
Б
(?)
Корпуск.природа
(неделимость)
Длина волны де-Бройля
45.
Оценка длины волны де-Бройля для электронов.Электронная пушка
Катод
Фокусирующий
электрод
me 2
2eU
eU
2
me
Анод
h
h
h
Б
p me
2emeU
12,3
Б
U
U B
U
U 54 B
Б
12,3 12,3
1,67
U
54
46.
Опыты Дэвиссона и Джермера: первое подтверждение идеиде-Бройля
Электронная пушка
Детектор электронов
54 в.
12,3 12,3
Б
1,67
U
54
Ni
Идентичная
дифракционная
Картина (!!)
Дифракция рентгеновских
лучей на кристаллической
структуре никеля
x 1,65
47.
Дальнейшие опыты по дифракции микрочастиц.Томсон и одновременно Тартаковский: дифракция при прохождении
электронного пучка через металлическую фольгу (1927).
Эл.пушка фольга фотопластинка
Электронограмма
Полная аналогия с
рентгенограммой
при λx-ray= λe
Штерн & K.: дифракционные явления
в опытах с атомными и
молекулярными пучками.
Доказаны волновые свойства
частиц!
Каждой ? Или совокупности ?
h
1
Б
m
mEk
Длина волны де Бройля для
атомов имеет того же масштаба
что и для электронов, благодаря
малой (тепловой) скорости/
48.
Биберман, Сушкин и Фабрикант (1949): Опыты по дифракцииэлектронов с пучками слабой интенсивности
Электрон
регистрировался как
одно целое
Место прихода электрона на
фотопластинку имело случайный
характер. При достаточной
экспозиции получалась
дифракционная картина.
Вывод. Единичная частица обладает волновыми свойствами. А именно, её
положение в пространстве определяется вероятностным законом и этот
вероятностный закон таков, что при усреднении (по времени или по большому
числу частиц) реализуется волновая картина.
Усреднение по времени (пускаем электроны по одному и ждём пока их не придёт
достаточно много) или по большому числу частиц в потоке (много электронов
одновременно, видим мгновенную картину) эквивалентно.
В то же время микрочастицы обладают свойствами корпускулярности:
масса, размеры, заряд - неделимы.
49.
Гейзенберг, Вернер Карл(1901-1976)
50.
Оптика:При каких то условиях свет в однородной
среде распространяется в виде
прямолинейных лучей
При других условиях наблюдается дифракция,
т.е. существенно непрямолинейное
распространение света, которое описывается,
исходя из волновых представлений.
Можно говорить о фотонах
(частицах), движущихся по
прямолинейным траекториям.
Понятие о траектории
фотона здесь неадекватно.
Микрочастицы вещества
Обладают волновыми свойствами:
дают такие же дифракционные
картины, как и рентгеновские лучи.
Следует ожидать, что при определённых условиях понятия о
положении в пространстве и траектории неприменимы к
описанию движения микрочастиц.
51.
Принцип неопределённости ГейзенбергаСтепень точности, с которой к частице может
быть применено представление об её
определённом положении в пространстве
Частица не может иметь одновременно
точного значения координаты x и
проекции импульса на направление x.
Соотношение
неопределённости
Гейзенберга
p x x
2
степень неточности
Соотношения неопределённости Гейзенберга
p x x , p y y , p z z
2
2
2
52.
Пример. Определим значение координаты xcвободно летящей микрочастицы, поставив на ее
пути щель шириной b.
При прохождении щели
появляется составляющая
px. Её величина лежит в
пределах Δpx,
определяемых шириной
дифракционного
максимума.
h
, b x
p
p sin px
px 0
x px h
x p sin h
x px h
p x 0
x
«Локализация»
частицы путем
сужения щели
«Расползание»
дифракционной
картины
x 0
px
Определенность импульса может быть сохранена
путем полной неопределенности координаты
(отсутствии преграды со щелью)
px 0
x