Квантовая физика

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЕ (уч.10кл.стр.227-228, уч.11кл.стр. 345-346)

Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счет внутренней энергии.

Абсолютно черное тело – тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуре.

Спектральная плотность энергетической светимости rυ – энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в единичном интервале частот.

Единица измерения – Дж/м2.

Энергия кванта излучения прямо пропорциональна частоте излучения:

E = hυ

где h = 6.6*10^-34Дж*с – постоянная Планка

Фотон – микрочастица, квант электромагнитного излучения

Законы теплового излучения:

Закон смещения Вина:

λ_mT = b

где λ_m – длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости черного тела.

Т – температура черного тела

b ≈ 3000 мкм*К – постоянная Вина

Закон Стефана-Больцмана:

Интегральная светимость абсолютно черного тела зависит только от его температуры

R_T = σT⁴

где σ = 5.67*10^-8 Вт/(м²*K⁴) – постоянная Стефана-Больцмана

Фотоэффект - явление вырывания электронов из вещества под действием электро­магнитных излучений (в том числе и света)

Законы фотоэффекта:

1. Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует минимальная частота света, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.

υ_min =

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

hυ =A_вых +

Энергия фотона идет на совершение работы выхода и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.

Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для удаления электрона из вещества.

Корпускулярно-волновой дуализм – проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

Корпускулярно-волновой дуализм – универсальное свойство любых материальных объектов.

Волновая теория правильно описывает свойства света при больших интенсивностях, когда число фотонов велико.

Квантовая теория используется при описании свойств света при малых интенсивностях, когда число фотонов мало.

Любой частице, обладающей импульсом p, соответсвует длина волны де Бройля:

λ_Б =

В процессе измерения меняется состояние микрообъекта.

Одновременное точное определение координаты и импульса частицы невозможно.

Соотношения неопределенностей Гейзенберга:

1. Произведение неопределенности координаты частицы на неопределенность импульса не меньше постоянной Планка

DyDp_y ≥ h

2. Произведение неопределенности энергии частицы на неопределенность времени ее измерения не меньше постоянной Планка

DE_yDt ≥ h

Постулаты Бора:

1. В устойчивом атоме электрон может двигаться лишь по особым, стационарным орбитам, не излучая при этом электромагнитной энергии

2. Излучение света атомом происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией E_k в стационарное состояние с меньшей энергией E_n.

Энергия излучения фотона равна разности энергий этих стационарных состояний:

hυ_kn = E_k - E_n

Правило квантования орбит Бора:

На длине окружности каждой стационарной орбиты укладывается целое число длин волн де Бройля, соответствующих движению электрона

= n

Основное состояние атома – состояние с минимальной энергией

Люминесценция – неравновесное излучение вещества

Спектральный анализ – метод определения химического состава и других характеристик вещества по его спектру.

Основные излучательные процессы атомов: поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения.

Поглощение света сопровождается переходом атома из основного состояния в возбужденное.

Спонтанное излучение – излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.

Индуцированное излучение – излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Лазер – источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения.

Инверсная населенность энергетических уровней – неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.

Метастабильное состояние – возбужденное состояние атома, в котором он может находиться значительно дольше, чем в других состояниях.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ(уч.11кл.стр.308-312)

Определение теплового излучения

Понятие абсолютно черного тела

Спектральная плотность энергетической светимости. Определение. Единицы измерения

Формула Рэллея-Джинса для спектральной плотности энергетической светимости

Теория и опыт излучения абсолютно черного тела. «Ультрафиолетовая катастрофа»

Квантовая гипотеза Планка (уч.11кл.стр.310)

Связь энергии и частоты излучения

Теория Планка и опыт

Законы теплового излучения

Закон смещения Вина. Постоянная Вина.

Интегральная полная светимость

Закон Стефана-Больцмана. Постоянная Стефана-Больцмана

Фотон и его основные свойства (заряд, скорость, масса, импульс)(уч.11кл.стр.312)

Тела, нагретые до высокой температуры, приобретают способность светиться, излучая электромагнитные волны.

Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счет своей внутренней энергии

Тепловое излучение ведет к уменьшению внутренней энергии и, следовательно, к снижению температуры тела.

Постоянная температура тела или тепловое равновесие в термодинамической изолированной системе устанавливается, когда уменьшение энергии тела в результате излучения компенсируется ее увеличением при поглощении.

При термодинамическом равновесии спектр излучаемой и поглощаемой энергий остается неизменным во времени.

Абсолютно черное тело – тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуре.

Спектральной характеристикой теплового излучения тела является

спектральная плотность энергетической светимости r_υ – энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в единичном интервале частот.

Единица измерения – Дж/м².

Энергия теплового излучения черного тела зависит от температуры и длины волны.

Точный расчет, проделанный Рэлеем и Джинсом в 1900 г. в рамках классической волновой теории, дал следующий результат.

r_υ = 2π kT.

где k – постоянная Больцмана

Опыт показал, что данная формула согласуется с экспериментом лишь в области достаточно малых частот. Для больших частот, особенно в ультрафиолетовой области спектра, формула Рэлея-Джинса неверна. Классическая физика не может объяснить излучение абсолютно черного тела.

Расхождение результатов классической волновой теории с экспериментом получило в XIX в. название «ультрафиолетовой катастрофы»

Квантовая гипотеза Планка

Согласующееся с опытными данными выражение для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела было получено в 1900 г. немецким физиком Максом Планком.

В результате столкновений хаотически движущихся частиц вещества возникает их ускоренное движение, следствием которого является тепловое излучение тела. Чем больше энергия, получаемая частицей при столкновении, тем выше энергия ее теплового излучения. Однако число частиц, имеющих очень большую энергию при определенной температуре невелико. Это означает, что излучение большой энергии маловероятно.

С другой стороны, опыт показал, что, в отличие от формулы Рэлея-Джинса, излучение высоких частот также маловероятно.

Планк предположил, что энергия излучения и его частота связаны друг с другом.

При этом излучение электромагнитных волн атомами и молекулами вещества происходит не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами (лат.quantum – количество)

Энергия излучения прямо пропорциональна его частоте:

E = hυ.

где h = 6.62*10^-34 Дж*с – постоянная Планка

Теория теплового излучения абсолютно черного тела Планка, разработанная с учетом квантовой гипотезы, прекрасно согласовывалась с экспериментом.

При малых частотах энергия излучения кванта невелика и классическая теория удовлетворительно описывает эксперимент.

При больших частотах энергия кванта излучения высока, поэтому классическое предположение о непрерывности излучения неприменимо.

Дата добавления: 2015-11-14