Занятие №79 Кванты. Гипотеза Планка. Энергия и импульс фотонов.

Занятие №79
Кванты. Гипотеза Планка. Энергия и импульс фотонов.
КВАНТ СВЕТА (фотон) – порция энергии электромагнитного излучения, элементарная частица,
являющаяся порцией электромагнитного излучения, переносчик электромагнитного
взаимодействия. Термин, используемый для описания света как потока нейтральных частиц,
проявляющих и волновые свойства в ряде экспериментов.
ФОТОН – это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения (в узком
смысле – света). Является истинно нейтральной частицей (т. е. не обладает никакими зарядами).
Распространяется всегда с фундаментальной скоростью, равной 3×108 метра в секунду.
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ – это универсальное свойство природы, заключающееся
в том, что в поведении микрообъектов проявляются и корпускулярные, и волновые черты. Было
установлено, что свет для объяснения закономерностей фотоэффекта приходится считать потоком
частиц, а для электронов и протонов можно наблюдать интерференцию и дифракцию.
Поскольку у фотона нет массы покоя, то он не подчиняется законам Ньютона. В частности, его
нельзя ни ускорить, ни замедлить и никакие силы на него не действуют.
Е  h
Энергия фотона.
Е - энергия фотона (Дж); h - постоянная Планка 6,63 . 10-34 Дж . с; ν - частота света (Гц).
р 
Импульс фотона.
h h

c

р – импульс фотона (кг . м/с); h – постоянная Планка 6,63 . 10-34 Дж. с; ν - частота света (Гц);
с – скорость света в вакууме (м/с); λ – длина волны (м).
Масса фотона.
m
h
h

2
c
c
Задача №1. Найти энергию фотона для света частотой 1015 Гц.
Задача №2. Найти энергию фотона рентгеновского излучения с длиной волны 10-12 м. Ответ
выразить в пикоджоулях (пДж).
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 15.2 (п.1,2). Решить задачу: №1152. Каков
импульс фотона ультрафиолетового излучения с длиной волны 100 нм?
Занятие №80
Тепловое излучение. Чёрное тело. Спектральные классы звёзд.
Представьте себе большой черный ящик с зеркальной внутренней поверхностью, в одной из
стенок которого проделана маленькая дырочка. Луч света, проникающий в ящик через
микроскопическое отверстие, навсегда остается внутри, бесконечно отражаясь от стенок.
Объект, не отражающий света, а полностью поглощающий его, выглядит черным,
поэтому его и принято называть черным телом.
Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени
обладает Солнце.
-чем выше волновая частота лучей, тем больше их накапливается внутри черного тела .
-чем выше частота волны, тем большую энергию она несет и, соответственно, тем больше ее
сохраняется внутри черного тела.
По совокупности два этих заключения привели к немыслимому результату: энергия излучения
внутри черного тела должна быть бесконечной! Эта злая насмешка над законами классической
физики была окрещена ультрафиолетовой катастрофой, поскольку высокочастотное
излучение лежит в ультрафиолетовой части спектра.
Порядок удалось восстановить немецкому физику Максу Планку. Он показал, что проблема
снимается, если допустить, что атомы могут поглощать и излучать свет только порциями и только
на определенных частотах. Позже Альберт Эйнштейн обобщил эту идею, введя понятие
фотонов — строго определенных порций светового излучения .
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ – это электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней
энергии испускающего его вещества.
ЧЁРНАЯ ДЫРА – это область пространства, в которой существует настолько сильное
гравитационное поле, что даже свет не может покинуть эту область и уйти в бесконечность.
Спектральные классы звёзд.
Задача №1. Чему равна энергия фотона красного света, имеющего в вакууме длину волны 0,72 мкм?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 18.1, 18.2. Решить задачу:№1684 (Степанова Г.Н.)
Какой массой обладает фотон с длиной волны 6 . 10-5 см?
Занятие №81
Внешний фотоэффект. Законы Столетова. Уравнение Эйнштейна
для фотоэффекта.
Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света.
Законы фотоэффекта.
1-й закон ( Закон Столетова): количество электронов, выбиваемых светом заданной длины
волны с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света;
2-й закон: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно
возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности;
3-й закон: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая
минимальная частота света (или максимальная длина волны), при которой еще возможен
фотоэффект, и если частота света меньше этого критического значения, то
фотоэффекта уже не происходит.
Формула Эйнштейна для фотоэффекта.
m 2
h  Aвых 
2
h- постоянная Планка; ν - частота (Гц); Авых- работа выхода электронов (Дж); m- масса электрона
(кг);  - скорость электрона (м/с).
Красная граница (порог) фотоэффекта.
h min  Авых
Задача №1. Найдите работу выхода электрона из металла, если фотоэффект начинается при
частоте падающего света 6. 1014 Гц.
Задача №2. Длина волны, соответствующая красной границе (порогу) фотоэффекта для
бромистого серебра, равна 0,6 мкм. Определите работу выхода электронов из бромистого
серебра.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 15.1. Решить задачу: №1137. Найти красную
границу фотоэффекта для калия.
Занятие №82
Внутренний фотоэффект. Применение фотоэффекта в технике.
Внутренний фотоэффект , при котором, в отличие от внешнего, оптически возбужденные
электроны остаются внутри освещенного тела, не нарушая нейтральности последнего. При этом в
веществе изменяется концентрация носителей заряда или их подвижность, что приводит к
изменению электрических свойств вещества под действием падающего на него света.
Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам.
Применение фотоэффекта.
С помощью фотоэффекта «заговорило» кино и стала возможной передача движущихся
изображений (телевидение).
Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия
человека изготавливают детали по заданным чертежам.
Основанные на фотоэффекте приборы вовремя включают и выключают маяки и уличное
освещение, и т.п.
Автомат в метро выдвигает перегородку при пересечении светового пучка, если предварительно
не опущен жетон.
На заводах фотоэлементы мгновенно останавливают пресс, если рука человека оказывается в
опасной зоне, и т.д.
Вакуумный фотоэлемент.
Действие солнечных элементов (СЭ) основано на использовании явления внутреннего
фотоэффекта .
Задача №1. Работа выхода электрона из натрия равна 3,6 .10-19 Дж. Найти длину волны, которая
соответствует красной границе фотоэффекта для натрия.
Задача №2.Определите минимальную частоту, при которой возможен фотоэффект на калии, если
работа выхода для калия 4,4 .10-19 Дж.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 15.2 (п.3,4). Решить задачу: №1136.
Длинноволновая (красная) граница фотоэффекта для меди 282 нм. Найти работу выхода
электронов из меди (в эВ).
Занятие №83
Давление света. Опыты П.Н. Лебедева.
Давление электромагнитного излучения, давление света — давление, которое оказывает
световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела.
Экспериментально световое давление впервые исследовал П. Н. Лебедев в 1899 г. Опыты
Лебедева наряду с опытами Комптона можно рассматривать как экспериментальное
доказательство того, что фотоны обладают импульсом.
Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие тем не менее может
оказаться существенным. Внутри звёзд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин
давление электромагнитного излучения должно достигнуть громадного значения. Силы светового
давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль во внутризвёздных
процессах.
Задача №1. Определить энергию фотона, соответствующего длине волны λ= 5,0 . 10-7 м.
Задача №2. Определить длину волны λ света, которым освещается поверхность металла, если
фотоэлектроны имеют кинетическую энергию 4,5 . 10-20 Дж, а работа выхода электрона из металла
7,6 . 10-19 Дж.
Домашнее задание. Учить конспект. Прочитать § 15.3. Решить задачу: №1151. Найти частоту и
длину волны излучения, энергия фотонов которого равна энергии покоя электрона (8,187 . 10-14
Дж).
Занятие №84
Химическое действие света. Понятие о фотосинтезе.
ХИМИЧЕСКИЕ ДЕЙСТВИЯ СВЕТА – это действия света, в результате которых в веществах,
поглощающих свет, происходят химические превращения – фотохимические реакции.
К химическим действиям света относятся: реакции фотосинтеза в зеленых частях растений;
появление загара; выцветание тканей на солнце; разложение на составные части молекул
бромистого серебра в светочувствительном слое фотопластинки и т. д.
Большую роль фотохимические превращения играют в механизме зрения человека и
животных.
Химическое действие света – квантовое явление. Как и в случае фотоэффекта, для каждой
фотохимической реакции существует красная граница, т. е. минимальная частота, при которой
свет еще химически активен.
Фотосинтез –( от греч. φωτο- — свет и σύνθεσις — синтез, совмещение, помещение вместе) —
процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии
фотосинтетических пигментов.
Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части:
углерод и кислород. Происходит это как установил русский биолог К. А.Тимирязев, в молекулах
хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра. Пристраивая к углеродной
цепочке атомы других элементов, извлекаемых корнями из земли, растения строят молекулы
белков, жиров и углеводов – пищу для нас и животных. Всё это происходит за счёт энергии
солнечных лучей. Причём здесь особенно важна не только сама энергия, а та форма, в которой
она поступает.
Эквивалентность массы и энергии — физическая концепция, согласно которой масса тела
является мерой энергии, заключённой в нём. Масса тела равна полной внутренней энергии тела,
делённой на размерный множитель квадрата скорости света в вакууме:
E  mc2
Импульс фотона: p 
h

Масса фотона: m 
h
c
Масса покоя фотона равна нулю.
Задача №1. Если бы Земля не излучала энергию, приносимую солнечными лучами в течение года,
то её масса увеличилась бы на 6 . 104 т. Какое количество солнечной энергии поступает на Землю
за год?
Задача №2. Солнце за 1 с излучает в пространство 4 . 1023 кДж энергии. На сколько уменьшается
его масса за это время?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 15.4. Решить задачу: № 1154. При какой
скорости электроны будут иметь энергию, равную энергии фотонов ультрафиолетового света с
длиной волны 200 нм?
Занятие №85
Модель атома Резерфорда, Бора. Излучение и поглощение
атомом энергии.
В 1903-1904гг. Бор выдвинул идею, что атом представляет собой положительно заряженную
сферу, внутри которой находятся электроны. Модель получила меткое название «пудинг с
изюмом».
Решающий вклад в создание современной теории строения атома внёс Эрнст Резерфорд, который
в 1911 году совместно со своими ассистентами Гансом Гейгером и Эрнстом Марсденом
экспериментально обосновал ядерную модель атома.
Одна из 20 000 отклонялась на φ порядка 900; Одна из 40 000 на φ порядка 1200; Одна из 70 000 на
φ порядка 1500.
Планетарная модель атома
Согласно законам классической механики и электродинамики ядерная модель атома не
может быть стабильной системой.
ПОСТУЛАТЫ БОРА. Первый постулат Бора: атом может находиться не во всех состояниях,
допускаемых классической физикой, а только в особых квантовых (или стационарных) состояниях,
каждому из которых соответствует определенная энергия; в стационарном состоянии атом не
излучает.
Второй постулат Бора: при переходе атома из одного стационарного состояния в другое
испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия излучаемого или
поглощаемого при этом кванта (фотона) равна разности энергий стационарных состояний :
hν= En- Ek.
Задача №1. При переходе электрона в атоме водорода с одного энергетического уровня на
другой был излучён световой квант с частотой 5 . 1014 Гц. На сколько уменьшилась при этом
энергия атома?
Задача №2. При переходе электрона в атоме водорода с одной стационарной орбиты на другую
излучаются фотоны, соответствующие длине волны 0,55 мкм. Какую энергию теряет при этом
атом водорода?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § § 16.1 - 16.3. Решить задачу: №1175. Для
ионизации атома азота необходима энергия 14,53 эВ. Найти длину волны излучения, которое
вызовет ионизацию.
Занятие №86
Естественная радиоактивность и её виды. Закон распада.
Биологическое действие излучения.
Радиоактивность. Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения,
обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами,
получило название естественной радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение
называются радиоактивными. Радиоактивными являются все элементы с порядковым номером
более 83 в таблице Менделеева.(Z >83).
Закон радиоактивного распада. Каждый радиоактивный элемент можно охарактеризовать
промежутком времени Т, в течение которого распадается половина ядер, имевшихся в момент
начала отсчета времени. Период полураспада- основная константа радиоактивного элемента.
Период полураспада характеризует скорость распада. Например: радий 88Ra226 имеет период
полураспада Т=1600 лет; торий 90Th231 -25,64 часа; полоний 84Po212 -3·10-7 сек.
N  N0 2

t
T
Т- период полураспада (время, в течении которого распадается половина наличного числа
атомов); N0- число радиоактивных атомов в начальный момент времени; N- число нераспавшихся
атомов; t- промежуток времени.
Распад любого атомного ядра- это, так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный случай» в
его жизни. Для радиоактивных атомов (точнее, ядер) не существует понятия возраста. Можно
определить только среднее время жизни.
Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и
отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γизлучениями. АЛЬФА-ЧАСТИЦА (a-частица) – ядро атома гелия. БЕТА-ЧАСТИЦА – испускаемый
при бета-распаде электрон. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ - (гамма- кванты) коротковолновое
электромагнитное излучение с длиной волны меньше 2×10–10 м. Биологическое действие
излучения.
Основным процессом, объясняющим биологическое действие излучения, является растрата
поглощённой энергии на разрыв химических связей с образованием высокоактивных в
химическом отношении соединений, так называемых свободных радикалов.
Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном
атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название
экспозиционная доза.
Использование ионизирующего излучения: для ускорения химических реакций; «меченые
атомы»; для выведения высокоактивных штаммов пенициллина; для выведения новых сортов
растений.
Индивидуальное задание: проанализируйте источники радиации, с которыми вы сталкиваетесь в
повседневной жизни и придумайте способы защиты.
Домашнее задание. Учить конспект. Читать §17.2
Занятие №88
Состав атомных ядер. Ядерные силы. Дефект массы. Энергия
связи ядер.
Протон (от греч. первый, основной)– это положительно заряженная элементарная частица,
имеющая массу, превышающую массу электрона в 1836 раз; ядро атома водорода. Протон
(наряду с нейтроном) является одним из нуклонов и входит в состав атомных ядер всех
химических элементов.
НЕЙТРОН - это электрически нейтральная частица, имеющая массу, в 1839 раз превышающую
массу электрона. Свободный нейтрон – нестабильная частица, распадающаяся на протон и
электрон.
НУКЛОНЫ – это общее наименование для протонов и нейтронов – частиц, из которых построены
атомные ядра.
КВАРКИ – это точечные, бесструктурные образования, относящиеся к истинно элементарным
частицам, которые были введены для систематизации многочисленных (более сотни)
элементарных частиц, открытых в XX веке (электрон, протон, нейтрон и т.д.).
МАССОВОЕ ЧИСЛО – это число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Массовое число
равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента. 11Na23, 26Fe55, 13Al27.
СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – это одно из четырех фундаментальных взаимодействий
элементарных частиц, частным проявлением которого являются ядерные силы.
ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА – это минимальная энергия, которая необходима для полного
расщепления ядра на отдельные нуклоны. При образовании ядра из нуклонов происходит
уменьшение энергии ядра, что сопровождается уменьшением массы, т. е. масса ядра должна
быть меньше суммы масс отдельных нуклонов, образующих это ядро. Мя< Zmp+ Nmn
Не считая самых лёгких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон.
ДЕФЕКТ МАССЫ: ∆ М= Zmp+ Nmn- Мя
Задача №1. Сколько электронов содержится в электронной оболочке нейтрального атома, в ядре
которого содержится 16 протонов и 15 нейтронов.
Задача №2. Сколько протонов Z и сколько нейтронов N в ядре изотопа кислорода 8О17?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 17.1. Решить задачу: № 1205. Каков состав
изотопов неона 10Ne20, 10Ne21 и 10Ne22 ?
Занятие №89
Деление тяжёлых ядер. Цепная ядерная реакция.
Ядерной реакцией - по аналогии с химической реакцией называют превращение атомных ядер,
происходящее либо самопроизвольно (и тогда оно называется радиоактивным распадом), либо
при соударении данного ядра с какой-либо частицей: фотоном, протоном, нейтроном,
электроном или другим ядром.
Для реакций, которые изучаются в курсе достаточно использовать законы сохранения энергии,
импульса, зарядового числа, массового числа. 88Ra226 → 86Rn222+ 2He4 α-распад радия на радон и
α-частицу.
Вначале ядро, поглощая частицу, превращается в возбуждённое промежуточное ядро; затем
промежуточное ядро выбрасывает новую частицу (или гамма-фотон), освобождаясь тем самым от
избытка энергии.
При делении ядра урана освобождаются два- три нейтрона. Это позволяет осуществлять цепную
реакцию деления урана.
Изотопы (от греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов
(и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре.
Для течения цепной реакции нет необходимости , чтобы каждый нейтрон обязательно вызвал
деление ядра. Необходимо лишь, чтобы среднее число освобождённых нейтронов в данной
массе урана не уменьшалось с течением времени. Это условие будет выполнено, если
коэффициент размножения нейтронов k больше или равен единице. Для стационарного
течения цепной реакции коэффициент размножения нейтронов должен быть равен единице. Это
равенство необходимо поддерживать с большой точностью. Уже при k=1,01 почти мгновенно
произойдёт взрыв.
Задача №1. Определить массу ядра X, образующегося в результате ядерной реакции:
7
4
1
.
-27
кг.
3Li + 2He → X +0n . Массы протона и нейтрона считать одинаковыми и равными 1,7 10
Задача №2. В результате распада ядра плутония 94Pu239 образуется ядро урана 92U235. Найти заряд
образовавшейся при распаде частицы.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 17.3 (п.1-5). Решить задачу: №1210. Написать
ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке алюминия 13Al27 α-частицами и
сопровождающуюся выбиванием протона.
Занятие №90
Атомный реактор. АЭС.
Первый ядерный реактор построен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. В
Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1. Она была запущена 25 декабря 1946
года в Москве под руководством И. В. Курчатова. 26 декабря 1946 года в СССР запущен первый
атомный реактор «Ф-1» («Физический первый»), главным конструктором которого был Николай
Доллежаль.
Первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5 МВт была запущена 27 июня
1954 года в СССР, в городе Обнинск, расположенном в Калужской области.
Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная
реакция, сопровождающаяся выделением энергии.
Схематическое устройство реактора на тепловых нейтронах
1 — управляющий стержень; 2 — биологическая защита; 3 — теплоизоляция; 4 — замедлитель;
5 — ядерное топливо; 6 — теплоноситель.
Домашнее задание. Учить конспект. Читать §17.3 (п.6).
Занятие №91
Термоядерный синтез. Проблемы термоядерной энергетики.
ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ – это ядерные реакции между легкими атомными ядрами,
протекающие при очень высоких температурах (~108 К и выше). При этом вещество находится в
состоянии полностью ионизованной плазмы.
Условия в которых могут быть реализованы столь высокие температуры: в недрах Солнца и звёзд;
при взрыве атомной бомбы (это используется в водородной бомбе); путём сжатия и
термоизоляции дейтериево-тритиевой плазмы стационарным или импульсным магнитным полем
(управляемые термоядерные реакции).
В результате реакции синтеза гелия из дейтерия и трития высвобождается 3,5 МэВ на нуклон (при
делении урана 1 МэВ на нуклон).
ТОКАМАК– устройство для осуществления реакции термоядерного синтеза.
Большой адро́нный колла́йдер - (сокр. БАК) — ускоритель заряженных частиц на встречных
пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения
продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского
совета ядерных исследований на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК
является самой крупной экспериментальной установкой в мире.
Задача №1. Какая энергия выделяется при термоядерной реакции
2
1H
+ 1H3 → 2 He4 + 0n1 ?
Задача №2. При облучении углерода 6С12 протонами образуется изотоп углерода 6С13. Какая при
этом выбрасывается частица?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 17.3 (п.7). Решить задачу: №1221. Какая
энергия выделяется при ядерной реакции 3Li7 + 2He4 → 5B10 + 0n1 ?
.
Занятие №92
Ядра звёзд как естественный термоядерный реактор. Этапы
эволюции звёзд.
В основном Солнце состоит из тех же химических элементов, что и Земля. Среди этих элементов
более 80% составляют атомы водорода и 18% - атомы гелия. Термоядерные реакции – основной
источник солнечной энергии – происходит в ядре Солнца.
Звёздная эволюция в астрономии — последовательность изменений, которым звезда
подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов
лет, пока она излучает свет и тепло. В течение таких колоссальных промежутков времени
изменения оказываются весьма значительными.
Жизненный путь звезды массой М = 1 М¤
Основные этапы эволюции звезды:
1 - гравитационное сжатие протозвездного облака; 2 - протозвезда; 3 - стабильное положение
звезды на главной последовательности, энергетика основана на термоядерных реакциях
превращения водорода в гелий; 4 - образование гелиевого ядра и превращение звезд в красного
гиганта и, далее, сверхгиганта; 5 - красный сверхгигант; 6 - пульсирующая переменная звезда, в
недрах которой образуется углеродное ядро; 7 - вспышка Новой, образование планетарной
туманности; 8 - белый карлик; 9 - остывший черный карлик
Задача №1. Вы наблюдаете голубую и красную галактики. В какой из них происходит более
активное звёздообразование? Ответ обоснуйте.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать §§ 17.4, 18.2, 19.1. Ответить на вопросы:
1)Какое строение имеет наша Галактика? 2)Как Вы понимаете бесконечность Вселенной? 3)Что
такое реликтовое излучение?