Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

Розділ 3. Квантова фізика

§ 23. Квантові властивості світла

Опрацювавши параграф ви навчитесь оперувати поняттями і термінами: стала Планка та її значення, фотон.

Зможете пояснити: сутність квантових постулатів Бора, корпускулярно-хвильовий дуалізм.

ГІПОТЕЗА ПЛАНКА. МОДЕЛЬ АТОМА БОРА. Вивчення явищ дифракції, інтерференції та поляризації світла привело до утвердження наприкінці ХІХ ст. електромагнітної теорії світла. Випромінювання електромагнітних хвиль відбувається під час прискореного руху електронів, наприклад, при коливаннях електронів у антені радіопередавача.

Електрон у запропонованій Ернестом Резерфордом у 1911 р. ядерній планетарній моделі (рис. 23.1) обертається навколо важкого позитивного ядра, а такий рух є прискореним. Тож електрон мав би випромінювати під час свого руху хвилю, проте цього не відбувається.

Рис. 23.1. Ядерна модель атома Е. Резерфорда

Німецький фізик Макс Планк у 1900 р. висловив таку гіпотезу: запас енергії коливальної системи, яка перебуває в рівновазі з електромагнітним випромінюванням, не може набувати довільних значень. Мінімальна кількість енергії, яку система може поглинати або випромінювати (квант енергії), пропорційна частоті коливань v:

E = hv,

де v — частота коливань електромагнітного випромінювання; h = 6,625 · 10-34 Дж · с — стала Планка, її ще називають квантом дії.

Нільс Бор (рис. 23.2) у 1913 р. запропонував удосконалений варіант планетарної моделі атома, що усувала суперечність із класичною фізикою і враховувала експериментальні факти й припущення, викладені у працях М. Планка та А. Ейнштейна (який у 1905 р. передбачив, що будь-яке випромінювання є потоком енергії, що випромінюється порціями енергії — фотонами).

Рис. 23.2 Нільс Бор (1885—1962), данський фізик-теоретик, лауреат Нобелівської премії з фізики (1922)

В основу своєї теорії Бор поклав квантові постулати:

1. Електрон в атомі може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових, станах, кожному з яких відповідає певна енергія Еn. У стаціонарному стані електрон рухається по орбіті радіусом r і енергію не випромінює.

2. Перехід атома з одного стаціонарного стану в інший супроводжується випромінюванням чи поглинанням фотонів (рис. 23.3), енергію яких визначають за формулою hvkn = Ek - En, де k і n — цілі числа (номери стаціонарних станів), якщо Ek > En фотон випромінюється, якщо Ek < En — поглинається.

3. Радіуси rn стаціонарних станів задовольняють умову:

де n = 1, 2, 3, ..., m — маса електрона; vn — швидкість електрона на n-й стаціонарній орбіті.

Рис. 23.3. Ядерна планетарна модель атома Бора

Слід зазначити, що постулати Бора і його модель атома вважають правильними і сьогодні, попри великий поступ науки, оскільки вони є прямим вираженням експериментальних фактів.

ЕНЕРГІЯ ТА ІМПУЛЬС ФОТОНА. Випромінюючи і поглинаючи енергію, світло поводиться, як потік частинок з енергією. 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 з елементарних частинок.

Відповідно до теорії відносності енергія завжди пов'язана з масою відношенням E= mc2 .

Імпульс фотона напрямлений уздовж променю світла, і якщо на шляху фотона виникає перешкода, він передає цей імпульс їй, здійснює поштовх, тобто діє як частинка.

КОРПУСКУЛЯРНО-ХВИЛЬОВИЙ ДУАЛІЗМ. У 1924 р. Луї де Бройль висунув теорію, згідно з якою електрон виявляє властивості, притаманні частинці та хвилі (цю властивість у науці називають корпускулярно-хвильовим дуалізмом)... Детальніше: http://peddumka.edukit.kiev.ua/Files/downloadcenter/QR-Phys11-183.pdf

! Головне в цьому параграфі

Мінімальна кількість енергії, яку система може поглинати або випромінювати (квант енергії), пропорційна частоті коливань E = hv. Випромінюючи і поглинаючи енергію, світло поводиться, як потік частинок з енергією — фотонів. Однак фотон має масу доти, доки він рухається зі швидкістю світла.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. У чому полягає сутність гіпотези М. Планка? 2. Наведіть формулу енергії фотона. 3. Як визначити масу та імпульс фотона? 4. Сформулюйте перший постулат Бора — постулат стаціонарних станів. 5. Запишіть і сформулюйте другий постулат Бора. 6. Запишіть і сформулюйте правило квантування колових орбіт — третій постулат Бора.