Формула Планка. Світлові кванти

Формула Планка. Світлові кванти

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ (записати конспект уроку та розв'язок задач в зошит,  переглянути відеофрагменти, у яких  розв'язаня задачі вправи 33 підручника)

Що потрібно знати

1. Що таке абсолютно чорне тіло?

2. Як пов'язані температура тіла, довжина світлової хвилі та енергія, яку випромінює тіло?

3. У чому полягає гіпотеза М. Планка?

4. Як розрахувати енергію кванта випромінювання?

5. Що таке фотон? Які властивості він має?

Що потрібно вміти

Розв'язувати  наступного типу задачі:

1. Знайдіть енергію фотона інфрачервоного випромінювання, довжина хвилі якого 10 мкм.

2. Знайдіть імпульс фотона, довжина хвилі якого 720 нм. 

3. Знайдіть частоту ультрафіолетового випромінювання, імпульс кванта якого дорівнює 3·10^–27 кг·м/с. 

4. Знайдіть довжину хвилі випромінювання, енергія фотонів якого відповідає енергії протона, що рухається зі швидкістю 4,6·10⁴  м/с.

5. Світло потужністю 0,5 кВт із довжиною хвилі 20 нм падає перпендикулярно до поверхні. Скільки фотонів щосекунди падає на цю поверхню?

6. Яку енергію має приносити світлове випромінювання на кожний квадратний міліметр абсолютно чорної поверхні за секунду, щоб світловий тиск на неї становив 1 Па? 

7. На кожний квадратний сантиметр поверхні, що повністю відбиває світло, щосекунди падає 4·10¹⁸  фотонів з довжиною хвилі 600 нм. Який тиск на поверхню створює це випромінювання? 

Для формування вмінь та знань потрібно опрацювати матеріал параграфа 33 підручника (або конспект, який подано нижче) . 

КОНСПЕКТ

Наприкінці XIX ст. фізики не мали сумнівів у тому, що світло – це хвиля. Проте ми знаємо, що світло – це одночасно і хвиля, і частинка. Як зароджувалася наука про частинки світла? Які властивості мають ці частинки?

 Зародження квантової теорії

Зародження квантової теорії пов’язане з установленням закономірностей випромінювання абсолютно чорного тіла.

Абсолютно чорне тіло – це фізична модель тіла, яке повністю поглинає будь-яке випромінювання, що падає на нього (абсолютно чорне тіло може випромінювати світло).

До випромінювання абсолютно чорного тіла близьке випромінювання багаття, нитки розжарення лампи, випромінювання більшості зір. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла залежить лише від його температури. 

Рисунок 1. Залежність енергії  електромагнітних хвиль, випромінюваних за 1 с з одиниці площі поверхні абсолютно чорного тіла, від довжини  хвилі.

 Графік показує, яка частина всієї енергії випромінювання припадає на хвилі певноїВосени 1900 р., Планк був змушений висунути гіпотезу, яка суперечила класичним уявленням про природу світла.

Гіпотеза Планка:

Випромінювання електромагнітних хвиль атомами і молекулами речовини відбувається не безперервно, а дискретно, тобто окремими порціями, енергія  кожної з яких прямо пропорційна частоті  випромінювання ง.

E=hง

 h – стала Планка.

2. Фотони

Планк спочатку вирішив, що світло тільки випромінюється квантами, а поширюється й поглинається безперервно. Ситуація докорінно змінилася, коли Альберт Ейнштейн (1879-1955) дійшов висновку, що монохроматичне випромінювання поводиться так, начебто складається з  незалежних один від одного квантів енергії величиною  кожний. Ейнштейн припустив, що річ не просто у квантах енергії, а в реальних частинках, з яких складається будь-яке електромагнітне випромінювання. Згодом частинки світла (кванти світла) стали називати фотонами.

 Властивості фотонів:

1. Заряд фотона дорівнює нулю.  Фотон є електрично нейтральною частинкою.

2. Маса фотона дорівнює нулю. Фотон є безмасовою частинкою. Ця властивість стосується тільки окремого фотона, а світло в цілому (як потік фотонів) має масу.

3. Швидкість руху фотона не залежить від вибору системи відліку, завжди дорівнює швидкості поширення світла у вакуумі  і пов’язана з частотою і довжиною відповідної світлової хвилі формулою хвилі c= λง.

Зверніть увагу! Не слід плутати швидкість поширення світлової хвилі в речовині зі швидкістю руху фотона. Фотони в речовині рухаються від атома до атома, поглинаються ними і знову випромінюються.

4. Енергія фотона прямо пропорційна частоті електромагнітного випромінювання, квантом якого і є цей фотон:E=hง. У разі поглинання світла речовиною фотон передає всю енергію частинкам речовини.

5. Імпульс фотона дорівнює відношенню його енергії до швидкості руху та обернено пропорційний довжині хвилі фотона:

6. Фотони випромінюються під час: 

• переходів частинок речовини зі збудженого стану в стан з меншою енергією; 
• прискорення заряджених частинок; 
• розпаду деяких частинок;
• анігіляції. 

Під час поглинання світла речовиною фотон цілком передає всю енергію частинкам речовини.

Наведені властивості фотонів були встановлені не відразу. На початку XX ст. навіть ідея існування частинок світла зустрічала різке неприйняття. Адже інтерференція і дифракція світла показували, що світло – це хвилі. Через 50 років після появи гіпотези М. Планка, коли існування фотонів уже не викликало сумнівів, А. Ейнштейн писав: «...після 50 років роздумів я так і не зміг наблизитися до відповіді на питання, що ж таке світловий квант*.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ (записати конспект уроку та розв'язок задач в зошит,  переглянути відеофрагменти, у яких  розв'язаня задачі вправи 33 підручника)