УРОКИ ФІЗИКИ 11 КЛАС: березня 2022

Тема: Формула Планка. Світлові кванти

Мета: Формувати знання учнів про історію виникнення квантової теорії, формулу Планку, фотони як кванти світла з певними властивостями; формувати навички та вміння визначати масу, енергію та імпульс фотона, розв’язувати фізичні задачі, застосовуючи отримані знання.

«...Ми знаємо, що світло – це хвильовий рух. Сумніватися в цих фактах більше неможливо, спростовувати ці погляди незбагненно для фізика...» – писав у 1889 р. Г. Герц. 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?

1. 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).

Штучно можна виготовити практично абсолютно чорне тіло, вичорнивши внутрішню поверхню нагрітого до певної температури непрозорого тіла з порожниною і малим отвором. Всякий промінь, проходячи крізь отвір А у порожнину С, назад практично не виходить, бо зазнає багаторазового відбиття і поглинання. Отже, отвір А поглинає проміння так, як абсолютно чорне тіло.

До випромінювання абсолютно чорного тіла близьке випромінювання багаття, нитки розжарення лампи, випромінювання більшості зір. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла залежить лише від його температури. Експериментальні дослідження показали, що розподіл енергії випромінювання залежно від довжини хвилі має вигляд низки кривих. Але всі спроби вчених одержати універсальну формулу цієї залежності зазнавали поразки.

Залежність енергії Wλ електромагнітних хвиль, випромінюваних за 1 с з одиниці площі поверхні абсолютно чорного тіла, від довжини λ хвилі. Графік показує, яка частина всієї енергії випромінювання припадає на хвилі певної довжини

Восени 1900 р., зіставивши всі відомі на той час результати досліджень, німецький фізик Макс Планк нарешті встановив формулу, яка повністю відповідала експериментальним кривим. Точніше, вчений цю формулу просто вгадав, він так і не зміг її вивести, спираючись на закони класичної електродинаміки Максвелла. Тому 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 E кожної з яких прямо пропорційна частоті ν випромінювання.

E=hν

h – стала Планка.

h=6,63∙10^(-34) Дж∙с

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 N=W/hν незалежних один від одного квантів енергії величиною hν 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.

Фотон – це мінімальна порція (квант) світлової енергії, яка локалізована в частинці

Властивості фотонів:

1. Заряд фотона дорівнює нулю: q=0 – фотон є електрично нейтральною частинкою.

2. Маса фотона дорівнює нулю: m=0 – 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 (c≈3∙10^8м⁄с) і пов’язана з частотою і довжиною відповідної світлової хвилі формулою хвилі: c=λν.

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=hν. 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:

p=E/c=hν/c=h/λ

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.

3. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ