2-й семестр
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
5. Хвильова й квантова оптика
УРОК 14/72
Тема. Зародження квантової теорії
Мета уроку: ознайомити учнів з історією зародження квантової теорії.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Вивчення нового матеріалу | 30 хв. | 1. Суперечності між теорією й дослідом. 2. Гіпотеза Планка. 3. Фотони. |
Закріплення вивченого матеріалу | 15 хв. | 1. Якісні питання. 2. Навчаємося |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Суперечності між теорією й дослідом
Однією з проблем, з якою фізики зіштовхнулися наприкінці XIX сторіччя, було встановлення закономірностей випромінювання абсолютно чорного тіла.
O Абсолютно чорне тіло – це фізична модель тіла, що повністю поглинає будь-яке падаюче на нього випромінювання.
Експериментально було отримано розподіл енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла. Однак аналітичний вид відповідної до цього графіка функції W? = f(?) нікому не був відомий.
Більше того, всі спроби вчених одержати
2. Гіпотеза Планка
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 розв’язання проблеми стало першим кроком у створенні сучасної фізики мікросвіту.
Світло випромінюється й поглинається речовиною не безупинно, а окремими порціями – квантами.
Причому енергія такого кванта визначалася величиною E = hv, де h – стала Планка.
За сучасним 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 мав серйозних наукових підстав.
Після відкриття Планка почала розвиватися нова, найсучасніша й глибока фізична теорія – квантова теорія. Розвиток її не завершений і донині.
3. Фотони
Планк спочатку вирішив, що світло тільки випромінюється квантами, а поширюється й поглинається безупинно. Ситуація змінилася докорінно, коли Альберт Ейнштейн дійшов висновку, що монохроматичне випромінювання поводиться так, начебто складається з N = W/hv незалежних один від одного квантів енергії величиною hv кожний. Ейнштейн припустив, що справа не просто у квантах енергії, а в реальних частинках, з яких складається будь-яке електромагнітне випромінювання. Пізніше частинки світла (кванти світла) почали називати фотонами.
Фотони мають такі властивості:
1. Фотон є електрично нейтральною частинкою; його заряд дорівнює нулю.
2. Швидкість руху фотона не залежить від вибору системи відліку й завжди дорівнює швидкості світла у вакуумі.
3. Енергія фотона пропорційна частоті електромагнітного випромінювання, квантом якого він є: E = hv.
4. Імпульс фотона дорівнює: 
5. Маса фотона дорівнює нулю.
Остання властивість стосується тільки окремого фотона, а світло в цілому (як потік фотонів) має масу. Наприклад, для системи із двох фотонів, які мають однакову енергію й летять під кутом? один до одного, масу визначають співвідношенням:
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.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Наведіть приклади абсолютно чорних тіл.
2. Як пов’язана енергія кванта й частота випромінювання?
3. Яку мікрочастинку називають фотоном?
Другий рівень
1. Які факти свідчать про наявність у світла корпускулярних властивостей?
2. У чому сутність квантових уявлень про поширення й поглинання світла?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Як змінюється енергія фотона у разі збільшення довжини хвилі світла?
2. Що нового вніс Ейнштейн у розвиток квантових уявлень порівняно з гіпотезою Планка?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. Визначте енергію кванта видимого світла довжиною хвилі 500 нм.
2. Скільки фотонів за секунду випромінює волосок електричної лампи накалювання потужністю 100 В, якщо на випромінювання світла затрачається 4,4 % електричної енергії? Довжину хвилі випромінювання вважайте рівною 600 нм.
Розв’язання. Оскільки кожний фотон має енергію E, то сумарна енергія N фотонів дорівнює W = EN, а потужність випромінювання Ркорисн = W/t, де t – час, за який лампа випромінює N фотонів. Корисну потужність можна знайти зі співвідношення:
Оскільки енергія фотона дорівнює 
то
З формули ККД маємо: 
звідки:
Перевіривши одиниці величин і підставивши числові значення, одержуємо N = 1,3 – 1019.
3. Чутливість сітківки ока до жовтого світла становить 3,33 – 10-18 Вт. Скільки фотонів має щомиті поглинати сітківка, щоб виникло зорове відчуття? Довжину хвилі прийміть рівною 600 нм.
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Абсолютно чорне тіло – це фізична модель тіла, яке повністю поглинає будь-яке випромінювання, що падає на нього.
– Світло випромінюється й поглинається речовиною не безупинно, а окремими порціями – квантами.
– Властивості фотонів:
1) заряд дорівнює нулю;
2) рухається зі швидкістю світла у вакуумі;
3) енергія фотона: E = hv.
4) імпульс фотона: 
5) маса фотона дорівнює нулю.
Домашнє завдання
Підр-1: § 47; підр-2: § 23 (п. 1).
(2 votes, average: 4,50 out of 5)