Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
квантовая механика

Квантовая механика

План

1. Гипотеза о кванты

2. Фотоны

3. Планетарный атом

Гипотеза о кванты

В конце прошлого века одной из важнейших задач было исследование теплового излучения излучения, источником которого является тепловая энергия излучающего тела. Излучение Солнца, электрической лампы накаливания или любой нагретой вещества примеры теплового излучения. В 1666 году И. Ньютон провел опыт, который в наше время известен каждому школьнику: пропуская луч солнечного света через призму, он разложил его на спектр на экране возникла радужная полоса. В "Лекциях по оптике» (1669) он писал: «Световые лучи отличаются своей способностью показывать то или иное особую окраску именно потому, что они отличаются по степени преломления .... Свойственные каком-то определенном вида лучей, они не меняются ни в результате преломления, ни с какой-никак стало другой причине .... Поэтому мы должны различать два вида цветов: одни первобытные и простые, другие же составленные из них .... В этом заключается причина того, что обычный свет имеет белый цвет : ведь свет сложная смесь из лучей всех видов и цветов, которые излучают ься из разных частей светящихся тел ". Через века соотечественник Ньютона Томас Юнг выяснил, что разным цветам солнечного спектра соответствуют различные длины волн: для фиолетового цвета 0,4 микрона, зеленого 0,52 микрона, красного 0,65 микрона. По красной участком спектра лежит инфракрасное излучение его открыл известный астроном Уильям Гершель, а слева от фиолетового ультрафиолетовые волны, открытые И. В. Риттером. Ученый секретарь Французской академии Франсуа Араго писал еще в конце пятидесятых годов XIX века о редкой "способность удивляться уместно", что позволяет людям, которые имеют этот дар, замечать то, чего не видят другие.

Спектр излучения любого нагретого тела известен,если мы знаем, из которых волн оно состоит и какую долю энергии от общего излучения они переносят. Кол и изменяется температура тела, меняется и цвет излучения сначала оно кажется красным, а с увеличением температуры до 5000-6000 ° С (температура поверхности Солнца) основная энергия излучения переносится в желтую часть спектра.

Состав излучения принято описывать с помощью спектральной функции и (, T), показывающий долю энергии, переносит волна с длиной & nbsp ;, если температура тела Т.

Пытаясь измерить вид этой функции, экспериментаторы столкнулись с одной очень сложной проблемой: вид функции зависел не только от температуры тела, но и от его состава. Но природа пошла навстречу: есть тела, излучение которых зависит только от их температуры и совсем не зависит от состава. Это такие тела, которые полностью поглощают все излучение, попадающее на их поверхность, и поэтому такие тела называются абсолютно черными. Таким абсолютно черным телом имеется полость с малым отверстием (пещера с узким входом): все лучи, попадающие внутрь полости через узкое отверстие, многократно отражаются от стенок, поглощаются ими и практически не выходят наружу через узкое отверстие: полость кажется черной.

Спектральную функцию и (, T), описывающий излучения абсолютно черного тела, ввел в научный оборот выдающийся немецкий физик Густав Кирхгоф в 1859 году. Сразу стало понятно, что изучение вида этой функции позволит определять на расстоянии температуру нагретых тел, было важно для практики, особенно в металлургии: в 1856 году Бессемер изобрел новый способ производства стали, который получил название бессемеровского.

Эксперименты по изучению спектральной функции и (, Т) выполнил сначала С. Лэнгли, позже более точные измерения выполнил Генрих Рубенс. Оказалось, что при определенной температуре вид зависимости спектральной функции от частоты имеет форму холма одногорбого верблюда: спостеригаеться максимум на некоторой частоте, а при больших и меньших частот энергия излучения уменьшается. Кроме того, было установлено, что положение максимума зависит от температуры нагретого тела: с повышением температуры максимум смещается в зону высоких частот (меньших длин волн), а со снижением в сторону малых частот (больших длин волн), так что за размещением этого максимума можно сразу определять температуру исследуемого абсолютно черного тела.

Попытки теоретического обоснования вида спектральной функции принадлежат немецким физикам Вильгельму Вину и английским физикам Рэлею и Джинс. Они использовали различные подходы из арсенала классической физики, но описать спектральную функцию во всем диапазоне частот не удалось: результат Вина отвечал большим частотам, а результат Рэлея и Джинса малым частотам; в диапазоне высоких частот ультрафиолетовая часть спектра Рэлея Джинса свидетельствовала о резком росте энергии излучения, и мы получили бы источник ни с чем несравненной яркости. Этому парадоксу дали позже драматическую название "Катастрофа Рэлея-Джинса", или "ультрафиолетовая катастрофа". Все вокруг нас, и мы в том числе, должно было 6 охладиться, все тепло перешло бы в "бездонную пропасть излучения". К счастью, никакой катастрофы не происходит.

Формулу, что описывает вид спектральной функции во всем диапазоне частот, "угадал" немецкий профессор Макс Планк 7 октября 1900. Экспериментатор Рубенс сразу же сопоставил свои результаты с предложенной План ком формуле и убедился, что она правильно описывает спектр абсолютно черного тела.

Два месяца понадобилось Планку для обоснования своей формулы .. 1 декабря 1900 ординарный профессор физики Макс Планк выступил с докладом на заседании Немецкого физического общества. Доклад М. Планка называлась «К теории закона распределения энергии в нормальном спектре". Для обоснования своей формулы

Планку пришлось сделать шаг, который явно противоречил всемканонам классической физики. Это было тем более болезненно, что сам Планк был воспитан на традициях классической физики и исповедовал ее принципы.

Планку пришлось предположить, что частицы, которые излучают волны с частотой & nbsp ;, могут изменять свою энергию только скачкообразно, дискретными порциями & nbsp ;, где частота волны, a h коэффициент пропорциональности, вошел в науку как "постоянная Планка". В этом и только в этом случае удавалось вывести формулу для спектральной функции. Позже эти порции энергии назвали квантами от латинского "quantum" "Сколько", "количество", "доля", "часть", "порция". Решив конкретную проблему в теории излучения, Планк разрушил логическую стройность классической физики.

Числовое значение постоянной Планка h, полученное путем экспериментов по распределению интенсивности излучения, оказалось очень малым: h - 6,62- Дж.с. Понятно, почему скачкообразный характер изменения энергии излучателей не замечали в повседневной жизни порции энергии настолько малы, что ее изменение кажется непрерывной.

Введение Планком понятия о кванты энергии было вынужденным шагом. В 1931 году Планк говорил, что это был "... акт отчаяния. Я должен был получить положительный результат во что бы то ни стало, любой ценой". Планк, обосновывая свою формулу, допустил много ошибок, недостатков, а причина удачи стала понятной только после того, как Эйнштейн выдвинул свою гипотезу световых квантов. Через много лет, анализируя доказательства Планка, Эйнштейн напишет: "Несовершенства изначально не были замечены, и это было чрезвычайной удачей для развития физики».

Только через четверть века новая наука квантовая механика объяснит истинный смысл революции в науке, которую совершил Макс Планк.

В 1918 году Планк получил Нобелевскую премию за заслуги в развитии физики, обусловленные его открытием кванта энергии.

Открытие Планка стало событием, которое ознаменовало начало квантовой эры.

Фотоны

Известны всем опыты с интерфенции и дифракции доказывают, что свет это волна. Ньютон, пытаясь объяснить конечную скорость распространения света, предположил, что раскаленное тело излучает частицы корпускулы, которые передают свет. Но при этом ему не удалось объяснить явления интерференции и дифракции, и корпускулярную теорию было надолго забыто.

Волновая природа света, которую всесторонне исследовал Френель, казалась абсолютно убедительной. В 1873 году Джемс Клерк Максвелл предсказал, что свет, как и любая другая волна, попадая на поверхность, должна оказывать на нее давление. Световое давление очень мал и измерить его экспериментальным путем чрезвычайно трудно. Но этот блестящий эксперимент осуществил Петр Лебедев. Он измерил световое давление не только на поверхности твердого тела, но и на газы, и после его опытов казалось, что любые другие дополнительные доказательства волновой природы света лишены смысла настолько убедительными были проявления того, что свет это волновой процесс. Генрих Герц, который экспериментально доказал волновую природу электромагнитного излучения и справедливость теории Максвелла, писал через два года после своего открытия: «Со времен Юнга и Френеля мы знаем, что свет это волновое движение. Сомневаться в этих фактах больше невозможно: опровергнуть эти факты физик способен. С точки зрения рода человеческого волновая теория является очевидностью ». Торжество волновой теории было очевидным, а теория световых корпускул Ньютона была надолго забыта.

Напомним, что Планк, объясняя закономерности теплового излучения, вынужден был ввести квантования энергии излучающего осциллятора (например, электрона, колеблется относительно положения равновесия в атоме). Но на распространение света его идеи дискретности не распространялись и считалось, что излучение и распространение света происходит в виде электромагнитной волны. Планк ввел свой квант действия так, чтобы не повредить волновой оптике, созданной и апробований течение двух веков. Но, как писал Эйнштейн, "Планк посадил в ухо физикам блоху". В 1905 году Эйнштейн опубликовал работу "О эвристической точке зрения на возникновение и преобразования света», в которой впервые было выдвинуто гипотезу световых квантов и открыто следующую важную страницу в квантовой физике. В этой работе он писал: "... Напрашивается вопрос: не является ли законы возникновения и превращения света такими, как будто свет состоит из таких же квантов энергии?». Таким образом, Эйнштейн распространил планковских идею квантования осцилляторов на электромагнитное излучение. С этой точки зрения, планковских осциллятор изменяет свою энергию, излучая или поглощая соответствующий квант света. Эти кванты света позже получили название "фотонов". Термин "Фотон" предложил Дж. Льюис в 1926 году, и этот срок сразу прижился. Фотон стал полноправной элементарной частицей.

Выдвинутую идею световых квантов-фотонов Эйнштейн сначала применил для объяснения явления фотоэффекта.

Впервые фотоэффект наблюдал Генрих Герц, исследуя результаты приема электромагнитных волн. Он обнаружил, что при освещении разрядного промежутка приемного резонатора светом электрической дуги (он содержит большую долю ультрафиолетового излучения) пробой возникает гораздо легче, что может быть связано с ионизацией воздуха. Фотоэффект, как и рентгеновские лучи и радиоактивность, было открыто случайно. Но история науки показывает, что подобные "случаи" выпадают на долю только первоклассных экспериментаторов.

В 1887 году А. Г. Столетов исследовал фотоэффект более детально и обнаружил, что освещение металлической пластины вызвано потоком отрицательно заряженных частиц (электрон еще не был известен его открыл Томсон только в 1897 году), причем величина электрического тока пропорциональна интенсивности облучения.

Позже фотоэффект изучали многие исследователи. Описание явления начал в 1902 году Филипп Ленард. У1905 году он получил Нобелевскую премию за дослидження катодных лучей. Он установил удивительный факт: энергия электронов, вылетающих при фотоэффекте, совершенно не зависит от интенсивности излучения, однако в значительной степени зависит от его частоты: с уменьшением частоты (увеличением длины волны) энергия электронов уменьшалась, а если длина волны превышала определенное критическое значение фотоэффект вообще прекращалось. Это был тот самый Ленард, который позже получил славу Герострата, став официальным главой физики в гитлеровской Германии и возглавив борьбу с теорией относительности.

Полученные результаты, однако, никак не согласовывались с общепризнанной волновой теории света. Металл, как известно, содержит электроны, на которые должна действовать сила со стороны электрического поля волны. Если эта сила достаточно велика, она с успехом могла бы вырывать электроны из металла. Но с этой точки зрения следует, что этот так называемый фотоэлектрический эффект не состоится без источника сильного света. Если бы свет был очень слабым, то и электрическое поле, связанное с ним, было бы тоже слабым, и слабых электрических сил было бы недостаточно, чтобы преодолеть силы притяжения, которые обычно содержат электроны внутри металла. Мы могли 6 также предположить, что если увеличивать интенсивность света, то скорость, с которой вылетают электроны, возрастет, поскольку они вырываются большей силой. Наконец, эта зависимость могла 6 Не быть простой, но в целом мы могли бы предположить, что свет большей частоты должно быть менее эффективным. Если сила меняет свое направление по очень короткий период, то прежде чем электрон выйдет из металла, сила изменит свое направление и будет толкать его назад.

Эксперимент дал, однако, совсем другие результаты.

Это противоречие и решил А. Эйнштейн. Здесь оказалась замечательная особенность Эйнштейна он больше доверял интуиции и фактам, а не общепринятому мнению. В явлении фотоэффекта он увидел не досадное исключение из правила, а сигнал природы о существовании еще неизвестных законов. Просто сначала были изучены волновые свойственности света, а в явлении фотоэффекта проявились новые, ранее неизвестные свойства.

Внедрив представление о кванты света, Эйнштейн применяет его к явлению фотоэффекта. Он обратил внимание на то, что результаты исследования фотоэффекта полностью совпадают с гипотезой о световых квантах. Если свет состоит из световых квантов, имеют энергию (h постоянная Планка), то, если такой квант попадает на поверхность металла, он может быть поглощенным, то есть выбыть из светового пучка, таким образом энергия кванта становится активной. Если это количество энергии h попадает на электрон, электрон может благодаря этому высвободиться из металла (на это тратится энергия А, получившую название работы выхода электрона), и вступит к тому же некоторую скорость, то есть электрон получит кинетическую энергию:

Это утверждение можно записать в виде простого уравнения:

Если принять шо гипотезу, то явление фотоэффекта сразу станет ясно. Если частота света (и соответственно энергия кванта) мала (), то электроны не могут выбиваться из металла. Если мы перейдем в зону высоких частот (с красной части спектра в фиолетовую или ультрафиолетовую), то энергия кванта возрастет настолько, что ее будет достаточно для выбивания электронов (). При этом скорость выбитых электронов будет зависеть только от энергии кванта (частоты света) и не зависеть от их количества (интенсивности света).

Применив свою теорию световых квантов к явлению фотоэффекта, Эйнштейн не сразу нашел сторонников. Даже Планк, рекомендуя пригласить Эйнштейна на работу в Берлин, просил »не слишком сильно упрекать" ему гипотезой относительно явления фотоэффекта. Даже после экспериментов Милликена, целью которых была проверка уравнения Эйнштейна, гипотеза световых квантов не вызывала у физиков доверия. В 1913 году Планк, Нернст, Рубенс и Варбург выдвинули Эйнштейна в члены Прусской академии наук. В заключительной части рекомендации они писали: "В целом можно сказать, что вряд ли существует какая-либо из важныхих проблем современной физики, в решение которой Эйнштейн не сделал бы весомого вклада. То, что он иногда не попадает в цель, как, например, в случае с гипотезой световых квантов, нельзя считать отрицательным аргументом, поскольку невозможно выдвинуть новую идею, даже в самых точной науке, без некоторой доли риска ".

Негативное отношение физиков к гипотезе световых квантов сказалось даже на формулировке Нобелевского комитета. Эйнштейн получил Нобелевскую премию 1921 (она была вручена ему в 1922 году) "за вклад в теоретическую физику и особенно за открытие закона фотоэффекта". Об открытии квантов електромагнитгиого поля ни слова!

Как объяснить такое упрямое неприятие этой гипотезы? На это есть две причины. Первая очевидна невозможность в то время согласовать гипотезу квантов с хорошо проверенными свойствами света интерференцией и дифракцией. Вторая связана с тем, что, в отличие от открытий Планка и Бора, эта гипотеза не приводила к столь подробных и точных предсказаний.

Световые кванты перестали быть гипотетическими частицами только в 1923-1924 годах после исследований, выполнил А. Комптон. Он изучал прохождение рентгеновских лучей (то есть электромагнитного излучения с длиной волны порядка атомных размеров или короче) через вещество и проанализировал рассеянное излучение. Сам по себе процесс рассеяния волны именно то, чего и следовало ожидать согласно старых представлений. Электромагнитная волна действует на электроны в атомах, заставляя их быстро колебаться; такие электрические заряды, которые быстро осиливают, действуют

как маленькие передатчики

Загрузка...

Страницы: 1 2