GOS / 21 световые кванты

17.(9) 9. Описать систему знаний о квантовых свойствах света.

В 19-ом столетии было сделано много открытий по оптике, к-ые получили объяснение на основании волновых явлений: по интерференции, дифракции и поляризации. В конце 19-го, в нач. 20-го столетия были сделаны открытия, обнаружены явления, к-ые оказались трудно объяснимыми на основании волновых объяснений. Но эти явл-ия получили четкое объяснение на основании корпускулярных явл-ий. Энштейн в 1905 г. Высказал идею и количественно ее обосновал, о том, что свет состоит из световых частиц-квантов или в случае света-фотонов, каждый из к-ых хар-ся всеми свойствами присущие частицам. Каждый из фотонов имеет энергию=E_Ф=hv. h-пост.Планка. v-частота. Е=mc².-импульс фотона.-момент импульса. S=1-спиновое число. Одним из явл-ий обнар-ых в конце 1-ой четверти 20-го столетия явл-ся фотоэлектрический эффект. Впервые Герц заметил, что если искровой промежуток освещать УФЛ, то искровой разряд появляется при меньшем напряжении. В рез-те опытов Столетов обнаружил, что при освещении пластин(Cu и Zn) интенсивным световым пучком, от дугового разряда в цепи появ-ся ток, вел-на кот-го резко умень-ся при введении стекла(стекло поглощает УФЛ). Отсюда следует, что наибольшее воздействие оказывает УФЛ. Причем эффект набл-ся сразу же после вкл-ия ист-ка света и ток набл-ся если подавался «+» потенциал. Велечина тока тем больше, чем больше интенсивность света. Потом Ст. поместил в эвакуированную трубку, в кот-ой создавалось разрежение(воздушный фотоэлемент). В опытах набл-ся внешний фотоэффект, к-й закл-ся в том, что под дейстиием света из левого электрода(катода) из мет. пластины выбивается электрон. Важно было изучить ВАХ явления. Рез-ты набл-ий показали,что ВАХ имеет типичный вид:

I^нас=n₀е; n₀-полное число е-ов. е-заряд е-на.

З-ны вн.фотоэффекта:1.безмерность, фототок возникает прак-ки мгновенно с нач.освещения.2.ток насыщения возр-ет пропор-но осв-ти фотокатода.3. максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света. Эти зак-ти оказались труднообъяснимыми с т-ки зрения волновой теории. Решение нашел Энштейн в 1905 г. Развивая идеи Планка Эн. Предположил, что поглощение света происходит дискретно, а следовательно свет пред-ет собой поток световых квантов, фотонов. Фот-т происходит в рез-те того, что световые кванты вз-ют с е-нами металла по схеме: «один на один»: е-н поглощает квант и энергия е-на возрастает на вел-ну hv. Если hv >работы выхода из металла и вз-вие фотона и е-на произошло на пов-ти мет., то е-н вылетает, при этом его кин.энергия:.Отсюда . Если поглощение происходит не у самой пов-ти, то: . Эти два ур-ия пред-ет собой выражения для з-на сох-ия энергии при фот-те и наз-ся ур-ием Эн. В течении послед-их иссл-ий были выполнены опыты по проверке ур-я Эн. Важный вклад внес Милликен(использовал Na –ые электроды). Рас-им кратко суть опытов Лукирского и Прилежаева. Они использовали фотоэлемент в виде сфер-го конденсатора(Ni и Ag).

Здесь ВАХ имеет др. вид. Во 1-х ток убывает более резко, кривая идет круче и м/о более точно опр-ть вел-ну соот-ей нулевому току. Во 2-х отсчет U_зад надо ввести от той т-ки, кот-й соо-т ток насыщения. При контакте 2-х разнородных мет.возникает контактная разность потенциалов.е-ны произвольно переходят от одного мет. К другому, в кот-ом родство с е-ом имеет большую велечину. Один из мет.заряж-ся «+», др. «-». Велечина контактной разности потенциалов не превосходит неск-их волть. За счет контак.разности потенциалов м/у электродами возникает какое-то элке-ое поле. Но т.к ток насыщения возникает при отсутствии такого поля, то точка от кот-го надо отсчитывать яв-ся точка о₁. И U_зад=U_i-∆U-для 3-х вулучин на графике. ∆U-контактная разность потенциалов. Из графиков полученных из опыта, легко выявить истинную величину U_{зад ,} и т.о с большей точностью проверить выполнение Ур.Эн. В 1922-23 г. Комптон исследовал закон-ти рассеяния «монохраматического» рентгеновского изл-ия различными материалами и обнаружил и объяснил важную закономерность рассеяния, ко-ая наз-ся эфф-ом Комптона. Расс-им опыты. Имеется рентгеновская трубка где есть Ak.

. } .

Крист-ая пластинка действует как зеркало. Она действует как зеркало под опр-ым углом α.

Он обнаружил, что в рассеянном излучении присутствует две состовляющие: и и . -длина волны возбуждающего рентг-го изл-ия. -Комптоновская состовляющая. В ходе опыта м/о было менять положение спектографа и уловить рассеявание под разными углами одним и тем же рассеяветелем(вещ-ом), а м/о было при неизменном угле рассеяния θ, исследовать явление от разных вещ-ств. Рез-ты опытов м/о изобразить в виде 2-х серий графиков(интенсивность от длины волны): 1) θ=const z-измен-ся. 2) z=const θ-измен-ся. Измерения Комптона покозали ,что =const(1-cosθ); и =2const sin²; const=-Комптоновская длина волны. =(1-cosθ); и =2sin²; Из эл.магнитной теории следует, что эл.магнитная волна, в том числе и световая волна, св. поток д/н оказ-ть давление на освещенную пов-ть. Расчет явл-ия по эл.магн. теории приводит к ф-ле:; W₀-эн. свет. потока падающего на за 1 с. с-скорость света в вакууме; R-коэф-нт отражения; T-коэф-нт пропускания. Если T=0 то:; если абс. черное тело(R=0)- ; если зеркало(R=0) то:; Велечина св. давления обычно ок-ся малой, в частности, давление солнечного света на 1м² черной пов-ти ок-ся =4•10^-6н/м², на зеркальную=8•10^-6н/м². Но в нек-х случаях давл. света играет очень важную роль. Это в звездных образованиях. С т-ки зрения квантовой теории:

К_ф-импулсь фотона. К_ф=; -импулсь передаваемый при застревании фотона в пластинке.

=К_ф=-при поглащении. =2К_ф=2приотражении. К₁-при пропускании. Пусть за время на поверхность падает. -число квантов, падающих на пов-ть за время . Введем: R-коэф-нт отражения. А-коэф-т поглащения. Т-коэф-нт пропускания. Из первого нач. термодинамики следует з-н coх-ия: R+A+T=1. A=1-R-T. {N_отр=N_∆S∆t•R; N_пог=N_∆t∆SA; N_проп=N_∆t∆ST; Подсчитаем суммарный импульспередаваемый пов-ти:∆К_∆S∆t= N_отр2+ N_пог+0; P-световое давление., -2-й з-н Ньтона. ; .

-число фотонов.-свет. энергия, приходящаяся на 1м² за 1с. . Опыт Лебедева: Посредством сис-мы зеркал пучок света от угольной дуги, большой инт-ти фокусировался на тонком мет-ом лепестке с зеркальной пов-тью. Перемещением зеркал м/о было добиться фокусировки инт-ти свет. пучка на др. лепестке с чер. пов-тью. В соот-вии с фор-ой давл. 1-ый случай, поворот коромысла д/н быть в двое больше чем во 2-ом, т.к давл. на зеркальную пов-ть того же самого свет. пучка в двое больше чем на чер. пов-ть. И это соот-ие яв-ся критерием достижения именно свет. давл. Оказалось добиться такого результата было очень трудно. Наличие внутри колбы остатков воздуха приводило к появлению наряду со свет. давлением еще и радиометрического давл. Силы соот-но н-ся радиометрическими. И связано с тем, что зачерненная пов-ть сильно нагревается поглощая свет, т-ра освещаемой чер. пов-ти возрастает, а возрастает соот-но давл. расположенной вблизи слоев разряженного воздуха. Мол-лы воздуха подлетают с одной энергией, а улетают с большой за счет высокой т-ры. Появ-ся давл. разряженного воздуха. В рез-те сумм-ное давл. на чер. пов-ть больше чем на зеркальную, за счет радиометрических сил. И отклонение явления чер. пов-ти, ок-ся больше чем при зеркальной. Для измерения свет. давления надо было устранить радиометрические силы. Для этого надо было создать внутри колбы высокий вакуум. В нач. 20-го столетия высоких вакуумов не было и Лебедеву пришлось прибегать к разному роду лучиширениям. Его опыты подвердили выводы электронной теории и соот-щую формулу: .

Значение вопросов.

Квантовая механика-физическая теория, открывшая своеобразие свойств и закономерностей микромира, установившая способ описания состояния и движения микрочастиц. При изучении вопросов о световых квантов и действиях света школьников впервые знакомят с квантовой идеей. Они узнают, что свет, кот-ый в явлениях интерф-ии ведет себя как волна, представляет собой поток фотонов.

Методика.

В программе по физике для 11 летней школы один из разделов называется «Квантовая физики». Этот раздел включает в себя два подраздела: «кванты света» и «Атом и атомное ядро». Этот материал объединен вокруг стержневой идеи – квантованности в микромире. На конкретных примерах иллюстрируется роль эксперимента, как источника знаний. На примере корпускулярно волновой двойственности свойств света а также частиц вещества раскрывается закон единства и борьбы противоположностей.

Знакомят с историей развития квантовой физики.

В основе обоснования тезиса о квантовой природе света авторы программы предлагают изучать явление фотоэффекта. На основе фотоэффекта вводится идея о дискретности энергии излучения и поглощения кванта энергии:

Введению понятию о квантовой природе света предшествует качественный анализ трудностей электродинамики Максвелла при объяснении законов теплового излучения. Оказалось, что теория Максвелла, объясняющая излучение макроскопическими излучениями – антителами электромагнитной волны с большой длиной волны, оказалась неспособной объяснить излучение коротких электромагнитных волн микроскопическими излучателями (атомами и молекулами).

Эту задачу решил Планк в 1900г. путем введения в физику принципиально новой идеи: он предположил, что энергия атомов меняется отдельными порциями – квантами. Причем, если собственная частота атома равна ню, то его энергия изменяется лишь скачком на величину равную или кратную . Необходимо заметить, что о квантовании самого излучения Планк ничего не говорил. Идея о том, что излучение состоит из отдельных порций – квантов излучений (названных в последствии фотонами) принадлежит Эйнштейну, который пришел к этой идее в 1905 году, в результате анализа статистических свойств излучения, а затем применил ее к объяснению ряда явлений, в том числе и к фотоэффекту.

Учитель ставит проблему: существовали экспериментальные основания для утверждения дискретности излучения. Ответ- да, такими основаниями служат явления фотоэффекта. Рассказывает историю открытия фотоэффекта и роль Столетова в исследовании законов фотоэффекта.

Вырывание электронов с поверхности металла под действием света – фотоэффект.

Для исследования законов фотоэффекта использовалась установка: стеклянный сосуд с 2 электродами. С помощью этой схемы использовались ВАХ.

1-й закон фотоэффекта: Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности излучения, падающего на катод.

Скорость фотоэлектронов можно найти, используя закон сохранения энергии: ,

eU_з – работа э.п. .

2-й закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света.

3-й закон фотоэффекта: Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. наименьшая частота при которой еще возможен фотоэффект. При всех частотах меньших это минимальной фотоэффект не произойдет ни при какой интенсивности волны, падающей на катод.

Для получения количественной зависимости законов для фотоэлектронов, надо ввести понятие о работе выхода электронов. Это можно сделать качественно на уровне классической теории, пояснившей что при выходе электрона из металла в нем образуется индуцированный положительный заряд, который притягивает электрон к металлу.

Электрон может выйти из металла и удалиться от его поверхности на малые расстояния: над металлом создается тонкий отрицательно заряженный электронный слой, который вместе с положительными ионами поверхности металла образуют своеобразный заряженный конденсатор, поле которого препятствует выходу новых электронов, поэтому для вырывания электронов из металла нужно совершить работу против сил, препятствующих выходу электронов из поверхности металла.

Минимальная дополнительная энергия, которую надо сообщить электрону для его удаления с поверхности тела в вакууме называется работой выхода.

После ознакомления учащихся с понятиями работы выхода электрона, на основе закона сохранения энергии для элементарного акта фотоэффекта вводят формулу Эйнштейна в виде: .

Основываясь на этом уравнении объясняют все три закона фотоэффекта.

ВНД

Высшая нервная деятельность человека зависит от индивидуальных особенностей нервной системы. Типы высшей нервной деятельности- это совокупность, определяемая наследственностью данного организма и его жизненным опытом. В основу определения типа нервной деятельности положены след.св-ва нервной системы: сила процессов возбуждения и торможения , их взаимная уравновешенность ( соотношение силы возбуждения и торможения) и их подвижность ( скорость , с которой возбуждение может смениться торможением и наоборот). И.П.Павлов выделил 4 типа высшей нервной деятельности: 1. тип сильный, но неуравновешенный (холерик по Гиппократу). Он характеризуется преобладанием процессов возбуждения над торможением ( безудержный тип). 2. тип сильный , уравновешенный с большой подвижностью нервных процессов ( сангвиник по Гиппократу)- «живой», подвижный тип. 3. тип сильный, уравновешенный с малой подвижностью нервных процессов ( флегматик по Гиппократу)- «спокойный», инертный тип. 4. тип слабый, для которого характерно слабое развитие , как возбуждения, так и тормозных процессов. Для людей этого типа свойственно быстрое истощение нервной системы, приводящее к потере трудоспособности ( меланхолик по Гиппократу). Тип нервной системы определяет степень приспособленности организма к условиям окр.среды и стойкости к воздействию болезнетворных факторов, что наиболее относится к сильному уравновешенному типу. У них менее всего развиваются невротические состояния (неврозы).Особенно частым поставщиком различных невротических состояний является слабый тип нервной системы. Эффективность педагогических воздействий во многом определяется индивидуальным подходом к учащимся , учитывающим их типологические особенности.Одной из отличительных черт типов высшей нервной деятельности человека является их пластичность. Пластичность клеток коры больших полушарий, их приспособляемость к меняющимся условиям среды . Т.к. пластичность нервных структур особенно велика в период их интенсивного развития, педагогические воздействия, корректирующие типологические особенности, особенно важно применять в детском возрасте. И.П.Павлов считал пластичность типов важнейшей особенностью , позволяющей воспитывать, тренировать и переделывать характер людей. Условно-рефлекторая деятельность зависит от индивидуальных свойств нервной системы. Индивидуальные свойства нервной системы обусловлены наследственными особенностями индивидуума и его жизненным опытом. Совокупность этих свойств называют типом высшей нервной деятельности. В зависимости от взаимодействия, уравновешенности сигнальных систем Павлов наряду с четырьмя общими для человека и животных типами выделил специально человеческие типы высшей нервной деятельности. 1. Художественный тип. Он характеризуется преобладанием первой сигнальной системы над второй. К этому типу относятся люди, непосредственно воспринимающие действительность, широко пользующиеся чувственными образами. 2. Мыслительный тип. К этому типу относятся люди с преобладанием второй сигнальной системы, «мыслители» с выраженной способностью к абстрактному мышлению. 3. Большинство людей относятся к среднему типу с уравновешенной деятельностью двух сигнальных систем. Им свойственны как образные впечатления, так и умозрительные заключения. К мыслительному типу относятся лица со значительным преобладанием второй сигнальной системы над первой. У них более развито абстрактное мышление (математики, философы) ; непосредственное отражение действительности происходит у них в недостаточно ярких образах. К художественному типу относятся люди с меньшим преобладанием второй сигнальной системы над первой. Им присущи живость, яркость конкретных образов (художники, писатели, артисты, конструкторы, изобретатели и др.). Средний, или смешанный, тип людей занимает промежуточное положение между двумя первыми. Чрезмерное преобладание второй сигнальной системы, граничащее с отрывом ее от первой сигнальной системы, является нежелательным качеством человека .