№7. Квантовая и атомная физика

1.

ЛЕКЦИЯ № 8.
КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ
1. Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта.
Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
2. Масса и импульс фотона. Давление света.
3. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа – частиц.
Ядерная модель атома.
4. Закономерности в атомных спектрах водорода.
Постулаты Бора.

2.

1 вопрос – Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта
Виды фотоэффекта :
1. Внешний фотоэффект – это испускание
электронов веществом под действием света.
2. Внутренний фотоэффект – это вызванные
электромагнитным излучением переходы
электронов внутри полупроводников или
диэлектриков из связанных состояний в свободные
без вылета наружу.

3.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта
выполнены Столетовым.

4.

вольтамперная
характеристика
фотоэффекта.
Максимальное значение силы фототока называется током
насыщения.
Напряжение , при котором фототок исчезает, называется
запирающим или задерживающим напряжением.
m 2
eU з
2

5.

Обобщая экспериментальные данные были установлены
законы внешнего фотоэффекта:
1.Число фотоэлектронов, вырываемых светом из
катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности
света.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
линейно возрастает с частотой света и не зависит от
интенсивности падающего светового потока.
3. Для каждого вещества существует так называемая
красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая
частота min , при которой еще возможен внешний
фотоэффект.

6.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
m max
h A
2
2
Красная граница фотоэффекта определяется из условия
Применение фотоэффекта. Фотоэлемент преобразует электромагнитную энергию излучения в
электрическую (вакуумный фотоэлемент,
фотоэлектронный умножитель, фоторезистор).

7.

2 вопрос – Масса и импульс фотона. Давление света.
h
mc
2
h
mф 2
c
Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы
покоя, m = 0.
фотон обладает импульсом

8.

Раз свет обладает импульсом то свет, падающий на тело
должен оказывать на него давление (экспериментальное
подтверждение получено Лебедевым).
E
P (1 ) w(1 )
c
где P-давление света, E Nh -энергия падающих
фотонов, N –число фотонов падающих на единицу
поверхности за единицу времени, коэффициент
поглощения, w-обьемная плотность энергии излучения.

9.

3 вопрос
Опыты Резерфорда по рассеянию альфа – частиц. Ядерная
модель атома.
Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры
атомов были выполнены Э. Резерфордом в 1909–1911 годах.
Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц.
K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый
сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

10.

Планетарная модель атома:
В центре атома располагается
положительно заряженное ядро, в
котором сосредоточена почти вся
масса атома. Вокруг ядра, подобно
планетам, вращаются электроны под
действием кулоновских сил со стороны
ядра.

11.

Однако эта модель оказалась
неспособной объяснить сам
факт длительного
существования атома, т. е. его
устойчивость. По законам
классической
электродинамики, движущийся
с ускорением заряд должен
излучать электромагнитные
волны, уносящие энергию. За
короткое время (порядка 10 8с)
все электроны в атоме должны
растратить энергию и упасть на
ядро.
Неустойчивость
классического атома
То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома,
показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются
классическим законам.
Также классические законы физики не могли объяснить
дискретный характер излучения атома водорода.

12.

4 вопрос - Закономерности в атомных спектрах водорода
Еще в начале XIX века были открыты дискретные
спектральные линии в излучении атома водорода в
видимой области спектра(серия Бальмера) в
ультрафиолетовой (серия Лаймана) и инфракрасной (серии
Пашена, Брэкета Пфунда) областях спектра. Все
эмпирические формулы для частот спектральных линий
можно представить одной обобщенной формулой
Бальмера:
Серия Лаймана m = 1, n = 2,3,4,…
Серия Бальмера m = 2, n = 3, 4, 5, ...
Серия Пашена
m = 3, n = 4, 5, 6, ... .
Серия Брэкета m = 4, n = 5, 6, 7, …
Серия Пфунда m = 5, n = 6, 7, 8, …
R = 3,29·1015 Гц - постоянная Ридберга.

13.

Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца.
Н. Бор проанализировав всю совокупность опытных
фактов, пришел к выводу, что при описании поведения
атомных систем следует отказаться от многих
представлений классической физики.
Первый постулат Бора
(постулат стационарных состояний)
атомная система может находиться только в особых
стационарных или квантовых состояниях, каждому из
которых соответствует определенная энергия Еn. В
стационарных состояниях атом не излучает.
Для круговых орбит правило квантования Бора
me – масса электрона, rn – радиус стационарной
круговой орбиты

14.

Второй постулат Бора (правило частот)
при переходе атома из одного стационарного состояния с
энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em
излучается или поглощается квант, энергия которого равна
разности энергий стационарных состояний:
h nm En Em
En Em
nm
h

15.

Теория Бора не отвергла полностью законы
классической физики при описании поведения
атомных систем. В ней сохранились
представления об орбитальном движении
электронов в кулоновском поле ядра.
Классическая ядерная модель атома
Резерфорда была дополнена в теории Бора
идеей о квантовании электронных орбит.
Поэтому теорию Бора иногда называют
полуклассической.

16.

Рисунок
иллюстрирует
образование
спектральных
серий в
излучении
атома
водорода при
переходе
электрона с
высоких
стационарных
орбит на более
низкие.

17.

Диаграмма
энергетических
уровней атома
водорода.
Показаны
переходы,
соответствующие
различным
спектральным
сериям. Для
первых пяти
линий серии
Бальмера в
видимой части
спектра указаны
длины волн