МЧС России

Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы

Утверждаю

Начальник кафедры физики и теплотехники, полковник вн.сл. Иванов А.Н.

(должность, звание, ФИО)

«13» октября 2008 года

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине «Физика»

Специальность 280104.65 - Пожарная безопасность

Заочное отделение, 6 лет

Тема № 8 «Квантовая физика »

Обсуждена на заседании кафедры

Протокол № 2/10 от

«13» октября 2008 года

Санкт- Петербург

2008

I. Цели занятия

1. Образовательная – изучение явлений, которые характеризуют квантовые свойства света и вещества

2. воспитательные

- применение рассмотренных явлений в пожарной безопасности

- повышение квалификации сотрудников ГПС

II. Расчёт учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Учебные вопросы: 1.Ультрафиолетовая катастрофа 2.Фотоэффект 3.Эффект Комптона 4. Теория Бора ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	5 170 15 40 25 45 5

III. Литература

Основная:

1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2003, с.376-403.

Дополнительная:

Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1989, Т.1.

Звонов В.С., Трубилко А.И., Снегирев А.Ю. Оптика. Квантовая и ядерная физика. Учебно-методическое пособие.- СПб.: СПбВПТШ МВД России, 1997.

IV. Учебно-материальное обеспечение

1. Технические средства обучения: мультимедийный проектор, интерактивная доска.

V. Текст лекции

Вводная часть. Ставятся цели занятия.

Учебные вопросы

1.Ультрафиолетовая катастрофа

Квантование энергии. Квантовые явления удается наблюдать в области коротких длин волн. Согласно классическим представлениям прив спектральная излучательная способность нагретого тела должна стремительно расти. Однако такое поведение излучательной способности явно противоречит наблюдаемому спектру нагретых тел в коротковолновой области (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость спектральной излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны

Указанное расхождение получило в физике название ультрафиолетовой катастрофы. Для его объяснения М.Планк предположил, что тела излучают энергию не непрерывно, а строго определенными порциями –квантами. Квант света названфотоном. Энергия квантаопределяется частотой:

, (1)

где – постоянная Планка.

А.Эйнштейн доказал, что свет не только излучается, но и поглощается квантами. С помощью этих предположений удалось найти распределение энергии в спектре нагретых тел

2. Фотоэффект

Фотоэффект. Существенно квантовую природу имеет явление выбивания электронов с поверхности металлов под действием внешнего излучения. Это явление называетсяфотоэффектом.

Согласно волновой теории света энергия колебаний электронов в приповерхностном слое металла пропорциональна интенсивности падающего света. Следовательно, энергия вылетающих электронов должна расти при увеличении интенсивности падающего излучения. Кроме того, из волновой теории следует существование пороговой интенсивности, вызывающей фото эффект, и уменьшение энергии и числа вылетающих электронов с ростом частоты. Ни одно из этих положений не наблюдается на опыте. Фотоэффект объясняет квантоваятеория излучения.

 Экспериментальное изучение фотоэффекта. Схема установки (опыт А.Г.Столетова) показана на рис. 2. В колбу, из которой откачан воздух, помещены два электрода - катод и анод. Свет проходит через кварцевую пластинку, не поглощающую ультрафиолетовую часть спектра, и падает на поверхность катода. В ходе опыта изменяется разность потенциалов между катодом и анодом и измеряется ток через колбу, т.е. изучаетсявольтамперная характеристика. Типичная характеристика показана на рис.3. ЗависимостьI = I (U)имеет важные особенности.

Рис. 2. Схема опыта А.Г.Столетова

• Даже если в цепь не подано никакого внешнего напряжения (U=0), часть выбитых из катода электронов способна достичь анода, что и создаёт токI> 0.

• Если в колбе создать электрическое поле, препятствующеедвижению электронов от катода к аноду, то фототок уменьшится. Для этого между катодом и анодом необходимо подать отрицательную разность потенциаловU < 0 (на катоде – "+", на аноде – "–"). Разность потенциаловU_з, при которой фототок полностью исчезает (I = 0), называется запирающим напряжением. ПриU =U_зни один(даже самый быстрый) электрон, вылетевший из катода, не достигает анода. Это значит, что максимальная энергия вылетевших электронов оказывается равной работе электрического поля:

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика фотоэффекта

• Если в колбе создано разгоняющееэлектрическое поле cU > 0 (на катоде – "–", на аноде – "+"), то с ростом разности потенциаловUфототок увеличивается, т.к. все большее число электронов достигает анода. Наконец, наступает состояние, когдавсевыбитые светом из катода электроны (фотоэлектроны) достигают анода, и ток перестает зависеть от приложенного напряжения (горизонтальный участок на рис. 3). Такой ток называетсятоком насыщения. Зная ток насыщения, можно определить число электроновn, вылетающих из поверхности катода в единицу времени:

Опыт показывает, что при увеличении интенсивности падающего света значение тока насыщения растет. Следовательно, растет и число выбитых фотоэлектронов. Значение запирающего напряжения (и максимальной кинетической энергии электронов) при этом не меняется. В то же время оказалось, что запирающее напряжение зависит от частоты падающего света.

Законы фотоэффекта. На основании проведенных экспериментов сформулированы следующие законы фотоэффекта.

• Максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит только от его частоты.

• Число фотоэлектронов пропорционально интенсивности падающего света.

• Существует максимальное значение длины волны, выше которого фото эффект не наблюдается.

Объяснение фотоэффекта. Приведенные закономерности противоречат волновой теории света. Их можно объяснить, если рассматривать свет как поток квантов (корпускул), сталкивающихся с электронами в приповерхностном слое металла. Интенсивность света пропорциональна количеству квантов в потоке. Математическое описание фотоэффекта оказалось возможным с помощью феноменологического соотношения, предложенного А.Эйнштейном, согласно которомуэнергия фотона расходуетсяна работувыхода электрона из металла и сообщение емукинетической энергии(формула Эйнштейна):

(2)

Работа выходаA_вых– это работа, которую нужно совершить, чтобы вырвать электрон из металла. Она определяется внутренней энергией связи электрона с ионами кристаллической решетки металла. Работа выхода зависит от рода вещества и состояния поверхности. Значения работы выхода для некоторых металлов приведены в табл. 1.

Для измерения энергии микрочастиц используется специальная единица измерения – электронвольт(эВ). Электронвольт равен приращению энергии электрона, прошедшего разность потенциалов 1В: 1эв= 1.6·10^-19Дж.

Формула Эйнштейна (2) объясняет наблюдаемые законы фотоэффекта.Энергии кванта может быть недостаточно для выбивания электрона из металла. Предельной является ситуация, когда электрон выбивается с нулевой кинетической энергией. В этом случае из (2) следует выражение для минимальной частоты света (и, следовательно, максимальной длины волны), при которой возможен фотоэффект:

(3)

Указанные предельные значения называют красной границейфотоэффекта (табл. 1).

Таблица 1