УСІ УРОКИ ФІЗИКИ
11 КЛАС

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

Хвильова й квантова оптика

УРОК 8/45

Тема. Зародження квантової теорії

Мета уроку: ознайомити учнів з історією зародження квантової теорії; роз'яснити учням явище фотоефекту.

Тип уроку: комбінований урок.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Гіпотеза Планка

Розвиток квантової теорії започаткували роботи Макса Планка з теорії випромінювання чорного тіла, що з’явилися 1900 року. Спроба побудувати теорію випромінювання чорного тіла на основі законів класичної фізики призвела до серйозних труднощів.

Щоб досягти згоди між теорією й дослідом, треба було прийняти, що світло випромінюється й поглинається окремими порціями (квантами). Це означало, що світло має властивості не тільки хвиль, але й частинок.

14 грудня 1900 р. німецький фізик Макс Планк виступив на засіданні Німецького фізичного товариства з доповіддю, присвяченою проблемі розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла. Запропоноване ним рішення проблеми стало першим кроком у створенні сучасної фізики мікросвіту.

Світло випромінюється й поглинається речовиною не безупинно, а окремими порціями — квантами.

Причому енергію такого кванта визначала величина

E = hv,

де h — стала Планка.

За сучасними даними, h = 6,63·10-34 Дж·с .

Однак у той час не було прямих експериментальних доказів існування квантів випромінювання. У результаті ідею Планка більшість фізиків сприйняли як «спритний фокус», що не має серйозних наукових підстав.

Після відкриття Планка почала розвиватися нова, найсучасніша й глибока фізична теорія — квантова теорія. Розвиток її не завершений і донині.

2. Явище фотоефекту

Фотоефект було відкрито 1887 року Генріхом Герцом, однак перші експериментальні дослідження були здійснені російським ученим О. Г. Столєтовим.

Ø  Фотоефект — явище виривання електронів з речовини під дією світла.

Численні експерименти й спостереження дозволили зробити висновок: явище фотоефекту практично безінерційне; інтенсивність фотоефекту залежить від роду металу, величини світлового потоку й спектрального складу випромінювання.

Закони фотоефекту були експериментально встановлені професором Московського університету О. Г. Столєтовим:

1). Кількість електронів, які щомиті вириваються з поверхні металу, прямо пропорційна поглиненій енергії світла.

2). Максимальна кінетична енергія вирваних електронів лінійно збільшується відповідно до зростання частоти світла, що падає.

3). Для кожної речовини існує червона границя фотоефекту, тобто мінімальна частота світла, за якої ще спостерігається фотоефект.

Закони фотоефекту прості за формою. Але залежність кінетичної енергії електронів від частоти здавалася загадковою.

3. Теорія фотоефекту

1905 року Альберт Ейнштейн запропонував теорію, що давала пояснення відразу всій сукупності експериментальних фактів про фотоефект. Розвинувши й поглибивши ідеї Планка, Ейнштейн дійшов висновку, що світло повинно не тільки випромінюватися й поглинатися, але й поширюватися у вигляді окремих порцій енергії — квантів електромагнітного поля. Ці кванти інакше називають фотонами.

Ейнштейн уважав, що під час взаємодії з речовиною фотон поводиться подібно до частинки й передає свою енергію не речовині загалом і навіть не атому, а тільки окремим електронам. Під час поглинання фотона металом його енергія E = hv передається вільному електрону. Вона витрачається на звільнення електрона з металу — на роботу виходу й передання йому кінетичної енергії. При цьому енергія фотона передається електрону в металі тільки цілком, а сам фотон перестає існувати.

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту:

де hv — енергія поглиненого фотона; А — робота виходу електрона з металу;  — кінетична енергія, з якою електрон залишає поверхню металу.

Рівняння Ейнштейна можна розглядати як вираження закону збереження енергії для одиничного акту взаємодії фотона з електроном. Воно дозволяє пояснити всі закони фотоефекту.

Кінетична енергія фотона може бути виражена так:

а його швидкість

Звідси випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектрона, а отже, і його максимальна початкова швидкість залежать від частоти світла й не залежать від інтенсивності світла.

Зарівняння hv = A швидкість фотоелектрона й кінетична енергія дорівнюють нулю. У цьому випадку електрон ніби «випадає» з металу з нульовою швидкістю. Маємо поріг фотоефекту:

Інтенсивність світла прямо пропорційна числу фотонів nф й енергії кожного з них hv. Кожний фотон буде цілком поглинуто тільки одним електроном. Тому число вирваних світлом фотоелектронів, а отже, і фотострум насичення пропорційні nф, тобто інтенсивності світла (перший закон фотоефекту).

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. У чому сутність квантових подань про поширення й поглинання світла?

2. Які факти свідчать про наявність у світла корпускулярних властивостей?

3. Які факти свідчать про наявність у світла хвильових властивостей?

Другий рівень

1. Які закони фотоефекту не можна пояснити на основі хвильової теорії світла?

2. Що нового вніс Ейнштейн у розвиток квантових уявлень порівняно з гіпотезою Планка?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чому за частот, менших від червоної границі, фотоефект не спостерігається?

2. Чому для різних речовин червона границя фотоефекту має різні значення?

3. Частота світлової хвилі від першого джерела в 1,5 рази більше, ніж частота світлової від другого. Порівняйте енергії фотонів, що випускають ці джерела.

2). Навчаємося розв'язувати задачі

1. Червона границя фотоефекту для нікелю дорівнює 248 нм. Чи спостерігатиметься фотоефект у разі освітлення нікелю світлом, довжина хвилі якого 300 нм? 200 нм?

2. Робота виходу електронів з калію дорівнює 3,55·10-19 Дж. Визначте довжину хвилі червоної границі фотоефекту.

3. Робота виходу електронів з натрію дорівнює 3,6·10-19 Дж. Чи виникає фотоефект під час опромінення натрію видимим випромінюванням? інфрачервоним?

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

·       Світло випромінюється й поглинається речовиною не безупинно, а окремими порціями — квантами.

·       Фотоефект — явище виривання електронів з речовини під дією світла.

·       Закони фотоефекту:

1. Кількість електронів, які вириваються щомиті з поверхні металу, прямо пропорційна поглинутій енергії світла.

2. Максимальна кінетична енергія вирваних електронів лінійно збільшується відповідно до зростання частоти світла, що падає.

3. Для кожної речовини існує червона границя фотоефекту, тобто мінімальна частота світла, за якої ще спостерігають фотоефект.

·       Рівняння Ейнштейна для фотоефекту:

Домашнє завдання

1. Підр.: § 26 (п. 1,2).

2. 3б.:

Рів1 № 15.3; 15.5; 15.6; 15.13.

Рів2 № 15.18; 15.19; 15.20; 15.23.

Рів3 № 15.32, 15.33; 15.34; 15.35.