Краткое содержание
школьного курса физики
Квантовая
физика
Санкт-Петербург
2000 г.
Краткое содержание школьного курса физики –
Квантовая физика.
Составлял, набирал и редактировал Ерофеев Павел Владимирович.
© 2000 Pashon’s SOFT Laboratory
Распечатано 12.05.2000 г.
Световые кванты Фотоэффект и его законы
Явление фотоэффекта заключается в вырывании электронов с поверхности металла при его облучении светом (внешний фотоэффект).
Фотоэффект можно обнаружить с помощью следующего прибора:
Законы фотоэффекта:
Увеличение мощности источника света (светового потока, падающего на фотокатод) без изменения спектрального состава света вызовет увеличение тока насыщения.
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от мощности светового потока, падающего на фотокатод, но зависит от спектрального состава света.
Если изменять спектральный состав падающего на фотокатод света, то можно дойти до так называемой красной границы фотоэффекта – такой длины волны света, при которой еще наблюдается фотоэффект.
Фотоэффект практически безинерционен.
Рассмотрим график зависимости силы фототока Iф от разности потенциалов между анодом и фотокадодом U, где Uз – запирающая разность потенциалов.
Зная задерживающую разность потенциалов, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:
Постоянная Планка. Кванты света
Согласно Максу Планку, атомы испускают энергию отдельными порциями – квантами. Энергия каждого кванта прямо пропорциональна частоте излучения:
 , где – частота излучения, h – постоянная Планка, равная 
При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называют корпускулярными. Частица света была названа фотоном или квантом электромагнитного излучения.
Фотон не имеет массы покоя, т.е. в состоянии покоя не существует. Энергия фотона: . Импульс фотона:  , направлен по световому лучу.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
А. Эйнштейн считал, что свет распространяется, поглощается и излучается отдельными порциями (квантовыми частицами). Он применил идею Макса Планка (энергия излучается и поглощается в виде квантов энергии) к фотоэффекту. Уравнение фотоэффекта представляет собой закон сохранения энергии: одни фотон с энергией h полностью поглощается (рассеивается) одним электроном.
 , где
A – работа выхода – характеристика фотокатода.
 ,  .
Красная граница фотоэффекта:  (вся энергия фотона идет на совершение электроном работы выхода).
Построим график зависимости кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света:
Применение фотоэффекта в технике
Фотоэлементы: вакуумные (внешний фотоэффект), полупроводниковые (внутренний фотоэффект – при освещении полупроводникового кристалла в результате поглощения света происходит изменение распределения электронов и дырок по энергиям; в результате увеличивается количество свободных электронов и дырок в полупроводнике). Под действием светового потока в фотоэлементе возникает электрический ток. Таким образом фотоэлементы используются для преобразования световой энергии в электрическую.
Фотохимические процессы: диссоциации молекул, химические реакции (фотосинтез, фотография).
Атом и атомное ядро Опыт Резерфорда по рассеянию -частиц
Масса электрона много больше массы атома. Т.к. атом в целом нейтрален, то основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть. Резерфорд в 1906 г. предложил применить зондирование атома с помощью -частиц. Эти частицы образуются при распаде радия и некоторых других элементов и представляют собой полностью ионизированные атомы гелия.
Т.к. масса -частицы много больше массы электрона, рассеяние частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома; электроны не будут оказывать существенного влияние на движение частиц.
Результаты эксперимента показали, что массивные положительные заряды представляют собой по сути материальные точки. На основе эксперимента, Резерфорд пришел к выводу, что ядро в 10 – 100 тыс. раз меньше размера атома.
Ядерная (планетарня) модель атома
Из опытов Резерфорда вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Покоиться электроны внутри атома не могут: они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения определяется действием кулоновских сил со стороны ядра.
Планетарная модель атома объясняет основные закономерности рассеяния заряженных частиц: т.к. большая часть пространства в атоме между атомным ядром и электронами пуста, быстрые заряженные частицы могут почти свободно проникать через довольно значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.
Квантовые постулаты Бора
Планетарная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию -частиц вещества, но встретилась с другой принципиальной трудностью. Т.к. электрон движется в атоме по окружности, т.е. с ускорением, он должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте обращения электрона вокруг ядра. Это должно приводить к уменьшению энергии электрона, постепенному приближению его к ядру и, наконец, падению на ядро. Поэтому с точки зрения классической физики такой атом неустойчив. Он может существовать лишь короткое (порядка 10-8 с) время, за которое электроны израсходуют всю свою энергию на излучение и упадут на ядро. Но в действительности атомы устойчивы.
Выход из сложившегося положения был найден Нильсом Бором, который сформулировал свои представления об особых свойствах атомов в виде постулатов:
Атомная система может находиться только в особых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия; в стационарных состояниях атом не излучает.
При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух стационарных состояниях:
 .
Все стационарные состояния, кроме одного, являются стационарными лишь условно. Бесконечно долго каждый атом может находиться лишь в стационарном состоянии с минимальным запасом энергии. Это состояние атома называется основным. Все остальные состояния называются возбужденными.
Испускание и поглощение света атомами
Из постулатов Бора следует, что каждому стационарному состоянию атома соответствует определенная стационарная орбита электрона.
Двигаясь по каждой из разрешенных стационарных орбит, электрон обладает определенным запасом кинетической энергии, а также и потенциальной энергией в электрическом поле атомного ядра.
Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетических состояний в высшие. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из высших энергетических состояний в низшие.
Непрерывный и линейчатый спектры
В непрерывном спектре представлены все длины волн определенного диапазона; в спектре нет разрывов, на экране спектрографа можно увидеть сплошную разноцветную полоску.
Непрерывные спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы, т.к. характер и непрерывного спектра и сам факт его существования определяется не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.
Линейчатый спектр содержит узкие спектральные интервалы. Состоит из отдельных линий.
Линейчатый спектр получается только в том случае, если атомы излучают или поглощают энергию не зависимо друг от друга. Это возможно в случае разреженного газа в атомарном состоянии.
Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн. Это объясняется на основе постулатов Бора: все атомы одного химического элемента обладают одинаковым строением, и, следовательно, одинаковый набор возможных энергетических состояний и переходов между ними. Излучение и поглощение фотонов происходи при переходах атома из одного разрешенного состояние в другое. Энергия фотона во всех случаях будет одинаковой и равной разности энергий атома в стационарных состояниях.
Спектральный анализ
Исследование линейчатого спектра вещества позволяет определить, из каких химических элементов оно состоит и в каком количестве содержится каждый элемент в данном веществе.
Спектральным анализом называется метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру.
Количественное содержание элемента в исследуемом образце определяется путем сравнения интенсивности отдельных линий спектра этого элемента с интенсивностью линий другого химического элемента, содержание которого в образце известно.
Спектральный анализ широко применяется при поисках полезных ископаемых для определения химического состава образцов руды. В промышленности спектральный анализ позволяет контролировать составы сплавов и примесей, вводимых в металлы для получения металлов с заданными свойствами.
Достоинством спектрального анализа являются высокая чувствительность и быстрота получения результатов.
Спектральный анализ позволяет определить химический состав и температуру небесных тел.
Состав ядра атомов. Изотопы
Атомы состоят из нуклонов: протонов и нейтронов. Протон ( ) – положительно заряженная элементарная частица. Заряд:  . Нейтрон ( ) – элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Масса нуклонов:
 .
Зарядовое число Z – число протонов в ядре, равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.
Массовое число A – число нуклонов в ядре: A=Z+N.
Изотопами называются атомы одного химического элемента, имеющие разные массовые числа, т.е. отличающиеся количеством нейтронов и имеющие одинаковое количество протонов. Химические свойства изотопов абсолютно одинаковы, т.к. определяются зарядовым числом.
Ядерные силы и их свойства
Т.к. размеры атомных ядер малы, силы кулоновского отталкивания между протонами в ядре достигают больших значений. Но ядра не разваливаются на части под их действием, т.к. между нуклонами действуют ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят кулоновские, действуют между большинством элементарных частиц наряду с электромагнитным взаимодействием, короткодействующие.
Радиоактивность. -, -частицы, -излучение
Не всякое атомное ядро может существовать неограниченно долго. Многие атомные ядра оказываются способными к самопроизвольному превращению в другие атомные ядра. Устойчивыми являются лишь те атомные ядра, которые обладают минимальным запасом полной энергии среди всех ядер, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться.
-распадом называется самопроизвольный распад атомного ядра на -частицу (ядро атома гелия  ) и ядро-продукт. -радиоактивны почти исключительно ядра с Z>82.
-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра путем испускания электрона (-частицы).
- и -распад может сопровождаться -излучением, которое возникает вследствие возбуждения ядра-продукта. Возбужденное ядро через малый промежуток времени освобождается от избытка энергии путем испускания одного или нескольких -квантов.
По своим свойствам -лучи очень сильно напоминают рентгеновские, но только с большей проникающей способностью. Они представляют собой электромагнитные волны с длиной волны от 10-8 до 10-11 см.
Методы регистрации ионизирующих излучений
Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений.
Газоразрядный счетчик Гейгера
Наиболее широкое распространение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества.
Цилиндрическая трубка служит корпусом счетчика, по оси ее натянута тонкая металлическая нить. Нить и корпус разделены изолятором. Рабочий объем счетчика заполняется смесью газов, например аргоном с примесью метилового спирта, при давлении около 0,1 атм.
Для регистрации ионизирующих частиц между корпусом счетчика и нитью прикладывается высокое постоянное напряжение, нить является анодом. Пролетающая через рабочий объем счетчика быстрая заряженная частица производит на своем пути ионизацию атомов наполняющего газа. Под действием электрического поля свободные электроны движутся к аноду, положительные ионы – к катоду. Напряженность электрического поля вблизи нити анод счетчика настолько велика, что свободные электроны при приближении к нему на пути между соударениями с двумя нейтральными атомами приобретают энергию, достаточную для их ионизации. В счетчике возникает коронный разряд, который через короткий промежуток времени прекращается.
С включением последовательно со счетчиком резистора на вход регистрирующего устройства поступает импульс напряжения. По показаниям электронного счетного устройства определяется число быстрых заряженных частиц, зарегистрированных счетчиком.
Камера Вильсона
Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создают вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.
Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. При резком опускании поршня (см. рисунок), вызванном уменьшением давления под поршнем, пар в камере адиабатически расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение, и пар становится перенасыщенным. Это неустойчивое состояние пара: пар легко конденсируется. Центрами конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или сразу после него, то на ее пути возникают капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы – трек. Затем камера возвращается в исходное состояние и ионы удаляются электрическим полем.
Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно больше той, которую могут дать счетчики. Под длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценить ее скорость: чем длиннее трек, тем больше энергия частицы, чем больше капелек, тем меньше ее скорость.
При помещении камеры Вильсона в магнитное поле, на движущиеся частицы действует сила Лоренца, которая искривляет треки. Трек имеет тем большую кривизну, чем больше заряд частицы и чем меньше ее масса. По кривизне трека можно определить отношение заряда к массе.
Пузырьковая камера
В пузырьковой камере для обнаружения треков используется перенагретая жидкость. В такой жидкости на ионах, образующихся при движении быстрой заряженной частицы, возникают пузырьки пара, дающие видимый трек.
Метод фотоэмульсий
Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристаллов AgBr. Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зерен серебра образует трек частицы.
|
