Квантові властивості світла. Гіпотеза М. Планка. Світлові кванти. Маса, енергія та імпульс фотона

  Квантові властивості світла. Гіпотеза М. Планка.     

Світлові кванти. Маса, енергія та імпульс фотона.

 Мета: навчальна – поглибити знання студентів про кванти

електромагнітного поля, ввести фізичні величини, що характеризують властивості фотона.

розвивальна – розвивати спостережливість, логічне та

просторове мислення, вміння аналізувати та робити висновки, а також розвивати вміння слухати;

         виховна – виховувати працелюбність та наполегливість.

Тип заняття: комбінований урок.

Обладнання: ультрафіолетовий освітлювач «Фотон», електрометр, пластинки: цинкова, мідна, свинцева, з плексигласу або целофану, шматок віконного скла, лампочка розжарення, гальванометр.

                                ХІД ЗАНЯТТЯ

І. Організаційний момент

Актуалізація знань 

Важко перелічити всі ті властивості світла, які роблять нашу життя не сумній і одноманітною, а яскравою, різнобарвною і радісною. Страшно уявити собі життя без світла. Закрийте на хвилину очі! Страшно? 

Ніколи більше не побачити блакитного неба, рожевого заходу, яскраво-зеленої трави! Дійсно, світло - це диво, подароване людині природою. 

• А як називається розділ фізики, в якому вивчають світлові явища? 
• Так що ж таке світло? 

Фізики жартують, що світло - це темна пляма в фізиці. Такий вислів виправдано, до сих пір вчені до кінця не пізнали природу світла.

ІІ. Перевірка знань студентів

1.Бліц-опитуваня

2.Фізична розминка 

3. Фізичний диктант.
4. Оптика в художній літературі.
5. Робота студентів у малих групах. 
6. Валеологічна пауза. 

1.Бліц-опитуваня (відповіддю на питання може бути тільки так чи ні, для кращого огляду відповідей можна використовувати сигнальні карточки, «так» - червоні, «ні» - зелені, необхідно уточнювати правильну відповідь). 

1. Дзеркала бувають плоскими, опуклими, увігнутими? (так) 
2. Кут відображення позначається латинською буквою бета? (немає) 
3. Відображення буває дзеркальним і дифузним? (так) 
4. Чи бачимо ми чисте дзеркало? (немає) 
5. На кордоні двох прозорих середовищ, світловий промінь змінює свій напрямок? (так) 
6. Кут падіння завжди більше кута відображення? (немає) 
7. Швидкість світла в будь-якому середовищі однакова і дорівнює 3 * 10 ⁸ м / с? (немає) 
8. Швидкість світла в воді менше швидкості світла у вакуумі?

(так) 

2.Фізична розминка 

1. У однорідної прозорому середовищі світло поширюється .... (Прямолінійно). 

8 м / с).  2. Швидкість світла у вакуумі .... (3 · 10

3. При переході з вакууму в середу швидкість світла ... (зменшується в n раз). 

4. На межі розділу двох середовищ світло частково .... (Відбивається і заломлюється). 
5. При переході світла з оптично більш щільного середовища в менш щільне середовище спостерігається явище ... (повного відображення). 
6. Промінь світла падає на поверхню дзеркала під кутом 30 ° до горизонту, то кут відбиття дорівнює ....... (60°). 
7. Лінія, уздовж якої поширюється енергія світлової хвилі називається ... .. (світловий промінь). 
8. Людина стояв перед плоским дзеркалом, потім відійшов від нього на відстань 1м. При цьому відстань між людиною і його зображенням збільшилася на ...... (на 2м). 
9. Запишіть закон заломлення світла ..  

3. Фізичний диктант.

1. Світло в прозорій однорідному середовищі поширюється ... 
2. Кут відбиття дорівнює ... 
3. Зміна напрямку поширення світла при його проходженні через кордон розділу двох середовищ називається ... 
4. Кут заломлення, в залежності від того, з якого середовища в яку переходить промінь, може бути ... 
5. Величину, зворотну фокусної відстані лінзи, називають ... і вимірюють в ... 
6. Кут між падаючим і відбитим променями становить 50 о. Під яким кутом до дзеркала падає світло? 
7. Дівчинка наближається до плоского дзеркала зі швидкістю 0,25 м / с. З якою швидкістю вона рухається до свого зображення? 
8. На малюнку показано, як змінився напрям світлового променя на межі поділу двох середовищ. Яке середовище - 1 або 2 - вважається оптично більш щільною? 
9. Які з лінз непридатні для отримання дійсних зображень предметів? 

         4.Оптика в художній літературі. 

Прислів'я «Сонце сяє, а місяць світить». 

Питання: Чим відрізняються дані джерела світла? 

Відповідь: Сонце випромінює електромагнітні хвилі, а Місяць лише відбиває сонячне світло. 

Загадки: 

Прийде до хати - не виженеш колом,  Пора прийде - сам піде. 

(Сонячний промінь)

Попутниця за мною ходить слідом, 

Мені від неї ні зла, ні користі немає.  (Тінь) І мови немає, а правду скаже.  (Дзеркало) Коли небо під землею буває?  (Коли відбивається у воді)

Перед нами - догори ногами,  Перед тобою - вгору головою. 

(Відображення в воді)

5.Робота студентів у малих групах 

1. група. Побудувати зображення предмета в збирає лінзі: 

а) предмет знаходиться за фокусом лінзи. 

б) предмет знаходиться між фокусом і лінзою. 

2. група. Побудувати зображення предмета в розсіює лінзі: 

а) предмет знаходиться за фокусом лінзи. 

б) предмет знаходиться між фокусом і лінзою. 

6.Валеологічна пауза. 

Коли очі втомлюються, гострота зору неминуче втрачається. Очам можна і потрібно дати перепочинок, для цього бажано припинити роботу і піти в темну кімнату, або в кімнату зі слабким освітленням. Що ж, не завжди така кімната є в наявності, тому є і більш простий варіант. Самий універсальний і доступний спосіб - просто прикрити очі долонями або однією долонею. Наведемо цей метод докладніше. Така вправа виконується швидко і просто.

Отже, закрийте очі і покладіть зверху на них розкриті долоні таким чином, щоб нижня область долоні спиралася безпосередньо на вилицю (можна і вище), а чотири заздалегідь розкритих пальця розміщувалися на лобі. Долоньку потрібно зігнути так, щоб ви могли як відкривати очей, так і мигати їм. При цьому важливо, щоб долоня не стосувалася самих очей. Перш ніж накласти долоні бажано їх зігріти. Основне завдання вправи полягає в тому, щоб очі відчули тепло і провели деякий час в темряві. Всього декількох хвилин достатньо, щоб очі відпочили, а гострота зору відновилося. 

Очі працюють в тандемі з мозком, тому закриваючи очі долоньками, ви одночасно даєте відпочити і мозку.

У цей момент бажано подумати, а чим-небудь приємне.   Мотивація начально-пізнавальної діяльності

Шукаючи вихід із суперечності між теорією і досвідом, німецький фізик Макс Планк зробив припущення, що атоми випромінюють електромагнітну енергію окремими порціями – квантами.

Ідею квантування енергії, висловлену М. Планком, А. Ейнштейн поширив на світлові явища. Гіпотезу про подвійну природу світла — корпускулярно-хвильовий дуалізм — уперше висловив А. Ейнштейн.

У 1905 р. А. Ейнштейн показав, що закони фотоефекту легко пояснюються, якщо припустити, що всяке електромагнітне випромінювання, в тому числі і світло, поширюється в просторі у вигляді окремих порцій енергії (квантів електромагнітного поля). Ці кванти інакше називають фотонами.

Відкриття фотонів та фотоефекту знайшли широке застосування в техніці.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

План

1. Квантові властивості світла.
2. Гіпотеза М.Планка.
3. Світлові кванти.
4. Енергія світлових квантів.
5. Імпульс світлових квантів.

1. Квантові властивості світла.

У 1887 р. один з основоположників електродинаміки Р. Герц при освітленні цинкової пластини, з'єднаної зі стрижнем електрометра, виявив явище фотоелектричного ефекту, який

полягає у тому, що з поверхні металевої пластини під дією світла вириваються негативно заряджені частинки. Позденее було доведено, що зарядженими частинками є електрони. Випущення електронів речовиною під дією електромагнітного випромінювання називається фотоефектом. Закономірності фотоефекту були встановлені експериментально у 1888-1889 рр. російським фізиком А.Г. Столєтова (1839-1896). Спроба пояснити їх в рамках електромагнітної теорії світла Максвелла не вдалася.

Електромагнітна теорія Максвелла та електронна теорія Лоренца незважаючи на величезні успіхи були дещо суперечливі і при їх застосуванні виникали труднощі. Обидві теорії ґрунтувалися на гіпотезі про ефір, тільки «пружний ефір» був замінений «ефіром електромагнітним» (теорія Максвелла) або нерухомим ефіром» (теорія Лоренца). Теорія Максвелла не змогла пояснити не тільки фотоефект, але і процеси випускання і поглинання світла, комптоновского розсіювання і т. д. Теорія Лоренца в свою чергу виявилася неспроможною в объяснии багато явища, пов'язані з взаємодією світла з речовиною, розподіл енергії по довжинах хвиль при тепловому випромінюванні абсолютно чорного тіла та ін.

Перераховані труднощі і протиріччя були подолані завдяки сміливою гіпотезою, висловленою в 1900 р. німецьким фізиком М. Планком (1858-1947), згідно якою випромінювання світла відбувається не безперервно, а дискретно, тобто певними порціями (квантами), енергія яких визначається частотою. 

Теорія Планка не потребувала поняття про ефір і вона пояснила теплове випромінювання абсолютно чорного тіла.

А. Ейнштейн у 1905 р. обґрунтував квантову природу світла:

не тільки випромінювання світла, але і його поширення відбуваються в вигляді потоку світлових квантів - фотонів, енергія яких визначається за наведеною вище формулою Планка. 

Найбільш повно квантові властивості електромагнітних хвиль проявляються в ефекті Комптона: при розсіянні монохроматичного рентгенівського випромінювання з речовиною легкими атомами в складі розсіяного випромінювання поряд з

випромінюванням, характеризується початковою довжиною хвилі, спостерігається випромінювання з більш довгою хвилею.

Квантові уявлення про світлі узгоджуються з законами випромінювання і поглинання світла, законами взаємодії випромінювання з речовиною. Такі оптичні явища, як інтерференція, дифракція та поляризація світла, добре пояснюються в рамках хвильових уявлень. Все різноманіття вивчених властивостей і законів поширення світла, його взаємодії з речовиною показує, що світло має складну природу: він являє собою єдність протилежних властивостей - корпускулярного (квантового) і хвильового (електромагнітного). Тривалий шлях розвитку привів до сучасних уявлень про подвійну корпускулярно-хвильової природи світла. Наведені вище вирази пов'язують корпускулярні характеристики випромінювання - енергію і імпульс кванта - з хвильовими - частотою та довжиною хвилі. Таким чином, світло являє собою єдність дискретності і безперервності.

Намагаючись подолати труднощі класичної фізики щодо пояснення випромінювання нагрітого твердого тіла німецький фізик Макс Планк  висловив таку гіпотезу: запас енергії коливальної системи, яка знаходиться у рівновазі з електромагнітним випромінюванням, не може набувати довільних значень. Мінімальну кількість енергії, яку система може поглинати або випромінювати, називають квантом енергії,  вона пропорційна частоті коливань.

 Найбільша революція у фізиці припала на початок XX століття. Спроби пояснити спостережувані на дослідах закономірності розподілу енергії в спектрах теплового випромінювання (електромагнітного випромінювання нагрітого тіла) виявилися марними. Багато разів перевірені закони електромагнетизму Максвелла несподівано «застрайкували», як тільки їх спробували застосувати для пояснення випромінювання речовиною коротких електромагнітних хвиль. І дуже дивно, що ці закони добре описують випромінювання радіохвиль антеною і що

в свій час на основі цих законів було передбачено саме існування електромагнітних хвиль.

Електродинаміка Максвелла приводила до сумнівного висновку, за яким нагріте тіло, неперервно втрачаючи енергію внаслідок випромінювання електромагнітних хвиль, мало б охолонути до абсолютного нуля. За класичною теорією теплова рівновага між речовиною і випромінюванням неможлива. Проте щоденний досвід показує, що насправді немає нічого подібного. Нагріте тіло не втрачає всієї енергії на випромінювання електромагнітних хвиль.

2. Гіпотеза М.Планка.

 Шукаючи вихід із суперечності між теорією і досвідом, німецький фізик Макс Планк зробив припущення, що атоми випромінюють електромагнітну енергію окремими порціями – квантами.

Ці кванти інакше називають фотонами.

Припущення Планка фактично означало, що закони класичної фізики до явищ мікросвіту незастосовні.

Побудована Планком теорія теплового випромінювання добре узгоджувалася з експериментом. За відомим з досліду розподілом енергії за частотами було знайдено значення сталої Планка.

Воно виявилося дуже малим: h = 6,6310 ^-34 Дж с.

Таким чином, за квантовою теорією світло є потоком фотонів, які рухаються зі швидкістю світла с.

3. Світлові кванти.

За сучасними уявленнями світло випромінюється і поглинається порціями, а тому і поширюється порціями. Фотон

зберігає свою індивідуальність протягом всього свого існування. Водночас світлу властиві явища інтерференції, дифракції, поляризації та інші хвильові властивості. Ці факти дозволили зробити припущення, що світлу властивий дуалізм (подвійність). Під час поширення світло виявляє електромагнітні властивості, а під час поглинання - корпускулярні.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм - це загальна властивість матерії, що виявляється особливо на мікроскопічному рівні. Згідно з гіпотезою світлових квантів, світло випромінюється, поглинається і поширюється дискретними порціями – квантами (фотонами).

За наведених міркувань зрозуміло, що фотон, як і будь-яка інша частинка, характеризується енергією, масою та імпульсом. Вирази пов’язують характеристики фотона як частинки (корпускулярні) – енергію, масу та імпульс – з хвильовою характеристикою світла – його частотою . Отже, випливає, що із збільшенням частоти випромінювання  маса і імпульс фотона зростають. 

             4. Енергія світлових квантів.

Під час випромінювання і поглинання світло поводиться подібно до потоку частинок з енергією E  h , що залежить від частоти. Порція світла виявилась несподівано дуже схожою на те,

що прийнято називати частинкою. Властивості світла, які виявляються в процесі випромінювання і поглинання, називають корпускулярними. А сама світлова частинка дістала назву фотона або кванта електромагнітного випромінювання. Пропускаючи і поглинаючи енергію світло поводиться як потік частинок з енергією E = hn. Порція світла випадково почала бути схожою на те, що називають частинкою. Властивості світла, які виявляються під час поглинання і випромінювання, називають корпускулярними, а саму світлову частинку - фотоном чи квантом електромагнітного випромінювання.

У сучасній фізиці фотон розглядають як одну із елементарних частинок. Таблиця елементарних частинок уже декілька десятків років починається із фотона.

У розвитку уявлень про природу світла важливий крок зроблено під час вивчення одного явища, відкритого Г. Герцем і грунтовно вивченого видатним російським фізиком О. Г. Столєтовим.

Це явище отримало назву фотоефект.

Фотоефектом називають явище виривання електронів із речовини під дією світла. Розрізняють:

зовнішній фотоефект - явище вибивання електронів з по-

верхні тіла під дією електромагнітного випромінювання; внутрішній фотоефект - явище збільшення електропровідності напівпровідника або діелектрика за рахунок електронів, вирваних з молекул або атомів під дією світла напівпровідник чи на межі різнорідних напівпровідників.

Кількісні закономірності зовнішнього фотоефекту Столєтов установив, використовуючи вакуумний скляний балон з двома електродами.

На цій установці отримано вольт-амперні характеристики фотоефекту за різних значень світлового потоку  Із вольт-амперних характеристик видно, що:

а) якщо немає напруги між електродами значення фотострум

відмінне від нуля. Це означає, що фотоелектрони мають під час вильоту кінетичну енергію;

б) у разі досягнення між електродами деякої прискорювальної напруги U_H фотострум перестає залежати від напруги, тобто його значення досягає насичення I_H1, I_H2;

в) за деякої затримувальної напруги (на електрод А подано

мінус від джерела струму) фотострум припиняється;

г) значення затримувальної напруги не залежить від світлово-

го потоку Ф.

Із вольт-амперних характеристик можна визначити кількість фотоелектронів, що вилітають із електрода К за 1 с.

адже   (Q_max - максимальний заряд, що переноситься фотоелектронами).

Вимірявши затримувальну напругу, можна знайти максимальне значення кінетичної енергії електронів, що вириваються світлом із катода:

Червоне світло з великою довжиною хвилі не вибивало електрони, а фіолетове за будь-якого малого світлового потоку легко вибивало електрони.

На основі цих дослідів сформульовано закони зовнішнього фотоефекту:

1.              кількість електронів, вирваних світлом з поверхні металу за 1 с, є прямо пропорційні поглинутій енергії світлової хвилі;
2.              максимальна кінетична енергія фотоелектронів зростає лінійно з частотою світла і не залежить від його інтенсивності;
3.              для кожної речовини існує червона межа фотоефекту (поріг фотоефекту) - така найменша частота n_min (чим найбільша довжина світлової хвилі l_max), за якої ще можливий фотоефект. 
4.              фотоефект є безінерційним і виліт фотоелектронів починається з моменту освітлення катода.

Лише перший закон зовнішнього фотоефекту можна було пояснити на основі класичної електромагнітної хвильової теорії.

Повне пояснення фотоефекту 1905 року дав А. Ейнштейн, розвиваючи далі ідеї Планка про переривчастість випромінювання світла. В експериментальних законах фотоефекту Ейнштейн побачив докази того, що світло має переривчасту структуру і поглинається окремими порціями. Він висловив припущення, що фотоефект відбувається внаслідок поглинання електроном одного кванта, а інші кванти не можуть брати участі в цьому процесі.

Кінетичну енергію фотоелектрона можна знайти, використавши закон збереження енергії. Енергія порції

світла hn витрачається на виконання роботи виходу A_вих, тобто роботи, яку треба виконати для виривання електрона з поверхні металу, і на передавання електрону кінетичної енергії:

Цей вираз називають рівнянням Ейнштейна для фотоефекту. 

Відкриття явища фотоефекту мало велике значення для більшого розуміння природи світла. Але цінність науки полягає не тільки в тому, що вона з'ясовує складну і багатогранну будову навколишнього середовища, а і в тому, що наука дає нам в руки засоби, за допомогою яких можна удосконалити виробництво, поліпшувати умови матеріального і культурного життя.

Завдяки відкриттю фотоефекту стало можливим:

1) звукове кіно;

2)створення різноманітних апаратів, які слідкують за освітленістю вулиць, своєчасно запалюють і гасять бакени на річках, працюють "контролерами" в метро, рахують готову продукцію, контролюють якість обробки деталей;

3) перетворення світлової енергії в електричну за допомогою фотоелементів.

Промисловість виготовляє фотоелементи двох типів

1.              Вакуумні фотоелементи із зовнішнім фотоефектом. Дно невеликої скляної колби з глибоким вакуумом покривають цезієм і приєднують до "-" батареї. У центрі колби знаходиться металеве кільце, яке з'єднують із затискачем "+" батареї. Внаслідок освітлення приладу світлом із цезію вириваються електрони і летять до металевого кільця. У результаті в центрі фотоелемента виникає струм.
2.              Напівпровідникові фотоелементи з внутрішнім фотоелементом: фотоопори, фотодіоди, сонячні батареї та ін. Це напівпровідники із власною чи домішковою провідністю. У сонячних батареях створюють р-п - перехід, доступний для світла. Під час освітлення фотоелемента змінюється концентрація вільних носіїв зарядів, а з нею і струм. Якщо в сонячній батареї світло потрапить в п-р - перехід, то між р і п ділянками виникає напруга.

Найважливіше значення фотоефекту полягає в тому, що його відкриття і дослідження стали експериментальною основою квантової теорії. Саме за пояснення законів фотоефекту на основі

квантової теорії А. Ейнштейну було присуджено Нобелівську премію.

Фотон — особлива елементарна частинка. Він не має маси спокою m₀, тобто в стані спокою він не існує, народжуючись, відразу набуває швидкості с, тобто його не можна зупинити. Справді, якби була така система відліку, в якій він не рухався б, то в такій системі втрачає сенс саме поняття світла, адже не відбувається його поширення.

Таким чином, за квантовою теорією світло є потоком фотонів, які рухаються зі швидкістю світла с. Згідно з гіпотезою світлових квантів, світло випромінюється, поглинається і поширюється дискретними порціями – квантами (фотонами).

                  5. Імпульс світлових квантів.

Маса, що визначається формулою – це маса фотона, який рухається зі швидкістю с за відомою масою і швидкістю фотона можна знайти його імпульс.

Імпульс фотона напрямлений за світловим променем. 

Чим більша частота, тим більші енергія і імпульс фотона і тим виразніше виступають корпускулярні властивості світла. Через те, що стала Планка мала, енергія фотонів видимого світла дуже мала. Фотони, які відповідають зеленому світлу мають ене-

ргію.

Проте в дослідах С.І. Вавілова було встановлено, що око людини, це найчутливіший з «приладів», здатне реагувати на відмінність освітленості, що вимірюється одиничними квантами. 

ІV. Закріплення вивченого матеріалу

Запитання для самоперевірки

1. Викладіть історію розвитку поглядів на природу світла.
2. Чому довелося звернутися до уявлення про дискретність світлового потоку ?
3. У чому полягає сутність гіпотези М. Планка?
4. Запишіть формулу енергії кванта.
5. Чому дорівнює стала Планка?
6. Чим є фотон?
7. Назвіть основні властивості фотона.
8. Наведіть формулу енергії фотона, знаючи частоту коливань світла або використовуючи довжину хвилі.
9. Як визначити масу та імпульс фотона?
10. Як спрямований імпульс фотона?

V. Підсумок заняття.