Квантовые представления о строении вещества и физическая

Вселенная

Цель: развитие представлений о строении вещества и его расположении во Вселенной.

Вопросы:

1. Квантовые представления о строении вещества (фотоэффект и эффект Комптона; опыты по дифракции электронов и фотонов).

2. Современные представления о строении атома (волновые свойства атомов и молекул; лазерное излучение).

3. Соотношение неопределенностей и квантово-волновой дуализм.

4. Представление об элементарных частицах и их взаимодействии. Ядерные взаимодействия. Атомная и термоядерная энергетика.

5. Квантовая инженерия в наномире.

Блок базовых понятий:фотоэффект, эффект Комптона, дифракция, соотношение неопределенностей, квантово волновой дуализм, лазеры, атомная и термоядерная энергетика, наномир

Квантовые представления о строении вещества

(фотоэффект и эффект Комптона, опыты по дифракции электронов

И фотонов).

Испускаемый источником свет уносит с собой энергию. Существует много различных механизмов подвода энергии к источнику света. В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается нагреванием, то есть подводом тепла, излучение называется тепловым или температурным. Этот вид излучения представлял для физиков конца XIX века особый интерес, так как в отличие от всех других видов люминесценции, тепловое излучение может находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами.

Изучая закономерности теплового излучения тел, физики надеялись установить мост между термодинамикой и оптикой.

Если в замкнутую полость с зеркально отражающими стенками поместить несколько тел, нагретых до различной температуры, то, как показывает опыт, такая система с течением времени приходит в состояние теплового равновесия, при котором все тела приобретают одинаковую температуру. Тела обмениваются энергией только путем испускания и поглощения лучистой энергии. В состоянии равновесия процессы испускания и поглощения энергии каждым телом в среднем компенсируют друг друга, и в пространстве между телами плотность энергии излучения достигает определенного значения, зависящего только от установившейся температуры тел. Это излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется равновесным или черным излучением. Плотность энергии равновесного излучения и его спектральный состав зависят только от температуры.

Если через малое отверстие заглянуть внутрь полости, в которой установилось термодинамическое равновесие между излучением и нагретыми телами, то глаз не различит очертаний тел и зафиксирует лишь однородное свечение всей полости в целом.

Пусть одно из тел в полости обладает свойством поглощать всю падающую на его поверхность лучистую энергию любого спектрального состава. Такое тело называют абсолютно черным. При заданной температуре собственное тепловое излучение абсолютно черного тела, находящегося в состоянии теплового равновесия с излучением, должно иметь тот же спектральный состав, что и окружающее это тело равновесное излучение. В противном случае равновесие между абсолютно черным телом и окружающем его излучением не могло бы установиться. Поэтому проблема сводится к изучению спектрального состава излучения абсолютно черного тела. Решить эту проблему классическая физика оказалась не в состоянии.

Для установления равновесия в полости необходимо, чтобы каждое тело испускало ровно столько лучистой энергии, сколько оно и поглощает. Это одна из важнейших закономерностей теплового излучения. Отсюда следует, что абсолютно черное тело при заданной температуре испускает с поверхности единичной площади в единицу времени больше лучистой энергии, чем любое другое тело.

Рис. 5.1. Модель абсолютно черного тела.

Абсолютно черных тел в природе не бывает. Хорошей моделью такого тела является небольшое отверстие в замкнутой полости (рис. 5.1.). Свет, падающий через отверстие внутрь полости, после многочисленных отражений будет практически полностью поглощен стенками, и отверстие снаружи будет казаться совершенно черным. Но если полость нагрета до определенной температуры T, и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела. Именно таким образом моделируется абсолютно черное тело во всех экспериментах по исследованию теплового излучения.

С увеличением температуры внутри полости будет возрастать энергия выходящего из отверстия излучения и изменяться его спектральный состав.

Распределение энергии по длинам волн в излучении абсолютно черного тела при заданной температуре T характеризуется излучательной способностью r(λ, T), равной мощности излучения с единицы поверхности тела в единичном интервале длин волн. Произведение r(λ, T)Δλ равно мощности излучения, испускаемого единичной площадкой поверхности по всем направлениям в интервале Δλ длин волн (рис. 5.2). Аналогично можно ввести распределение энергии по частотам r(ν, T). Функцию r(λ, T) (или r(ν, T)) часто называют спектральной светимостью, а полный поток R(T) излучения всех длин волн, равный

называют интегральной светимостью тела.

К концу XIX века излучение абсолютно черного тела было хорошо изучено экспериментально. В 1879 году Йозеф Стефан на основе анализа экспериментальных данных пришел к заключению, что интегральная светимость R(T) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры T:

Несколько позднее, в 1884 году, Л. Больцман теоретически получил эту зависимость из термодинамических соображений. Этот закон получил название закона Стефана–Больцмана. Числовое значение постоянной σ, по современным измерениям, составляет

Рисунок 5.2. Спектральное распределение r(λ, T) излучения черного тела при различных температурах.

Выступая в 1900 г. на заседании Немецкого физического общества, Планк изложил теорию квантовой природы теплового излучения. Основой этой теории служила гипотеза, что тепловое излучение испускается не сплошным потоком, а квантами, энергия каждого кванта равна произведению частоты на некоторую постоянную (постоянную Планка h) E=h v. В 1922 г. М. Планку присуждена Нобелевская премия за это открытие.

Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения нагретым телом электромагнитной энергии, происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света:

где h – так называемая постоянная Планка, равная h = 6,626·10^–34 Дж·с. Постоянная Планка – это универсальная константа, которая в квантовой физике играет ту же роль, что и скорость света в СТО.

С точки зрения Д.Максвелла электромагнитные волны представляют собой процесс распространения в пространстве электромагнитных колебаний. Максвелл показал, что скорость распространения электромагнитных волн определяется выражением c = √ 1/ ε ₀ μ ₀ . Вычисления дают результат близкий к значению скорости света, что позволило сделать вывод о природе света. Свет-это электромагнитная волна определенной частоты. Постепенно в науке сложилось представление о диапазонах электромагнитных излучений и спектре.

На основе квантовой теории А.Эйнштейн в 1905г. построил теорию фотоэффекта, который был открыт Герцем в 1887 г. и подробно описан Столетовым в 1890г. Явление фотоэффекта состоит в том, что при облучении светом тел происходит испускание электронов с их поверхности.

Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона (1922 г.). Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения, названный впоследствии эффектом Комптона, не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изменяться при рассеянии.

Схема Комптона представлена на рис. 5.3. Монохроматическое рентгеновское излучение с длиной волны λ₀, исходящее из рентгеновской трубки R, проходит через свинцовые диафрагмы и в виде узкого пучка направляется на рассеивающее вещество-мишень P (графит, алюминий). Излучение, рассеянное под некоторым углом θ, анализируется с помощью спектрографа рентгеновских лучей S, в котором роль дифракционной решетки играет кристалл K, закрепленный на поворотном столике. Опыт показал, что в рассеянном излучении наблюдается увеличение длины волны Δλ, зависящее от угла рассеяния θ:

где Λ = 2,43·10^–3 нм – так называемая комптоновская длина волны, не зависящая от свойств рассеивающего вещества. В рассеянном излучении наряду со спектральной линией с длиной волны λ наблюдается несмещенная линия с длиной волны λ₀. Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода рассеивающего вещества.

Рис. 5.3. Схема эксперимента Комптона.

На рис. 5.4. представлены кривые распределения интенсивности в спектре излучения, рассеянного под некоторыми углами.

Рисунок 5.4. Спектры рассеянного излучения.

Объяснение эффекта Комптона было дано в 1923 году А. Комптоном и П. Дебаем (независимо) на основе квантовых представлений о природе излучения. Если принять, что излучение представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными. В процессе столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствии с законами сохранения.

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц – налетающего фотона, обладающего энергией E₀ = hν₀ и импульсом p₀ = hν₀ / c, с покоящимся электроном, энергия покоя которого равна Фотон, столкнувшись с электроном, изменяет направление движения (рассеивается). Импульс фотона после рассеяния становится равным p = hν / c, а его энергия E = hν < E₀. Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны. Энергия электрона после столкновения в соответствии с релятивистской формулой становится равной где p_e – приобретенный импульс электрона. Закон сохранения записывается в виде

или

Закон сохранения импульса

можно переписать в скалярной форме, если воспользоваться теоремой косинусов (см. диаграмму импульсов, рис. 5.5):

Рисунок 5.5. Диаграмма импульсов при упругом рассеянии фотона на покоящемся электроне.

Из двух соотношений, выражающих законы сохранения энергии и импульса, после несложных преобразований и исключения величины p_e можно получить

Переход от частот к длинам волн приводит к выражению, которое совпадает с формулой Комптона, полученной из эксперимента:

Таким образом, теоретический расчет, выполненный на основе квантовых представлений, дал исчерпывающее объяснение эффекту Комптона и позволил выразить комптоновскую длину волны Λ через фундаментальные константы h, c и m:

Как показывает опыт, в рассеянном излучении наряду со смещенной линией с длиной волны λ наблюдается и несмещенная линия с первоначальной длиной волны λ₀. Это объясняется взаимодействием части фотонов с электронами, сильно связанными с атомами. В этом случае фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Из-за большой массы атома по сравнению с массой электрона атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона, поэтому длина волны λ рассеянного излучения практически не отличается от длины волны λ₀ падающего излучения.

Волновые свойства излучения и элементарных частиц хорошо подтверждаются в экспериментах по дифракции. Например, дифракция света – это явление огибания световыми волнами препятствий, размеры которых сравнимы с длиной волны. Явление дифракции наблюдается на расстояниях L от препятствия L = D ²/ 4 λ, где D – линейные размеры препятствия, λ – длина волны. Использование явления дифракции позволяет с большой точностью определять длину волны излучения. Чаще всего для этих целей используется прибор под названием дифракционная решетка. Явление дифракции характерны также и для электронов, что указывает на их волновые свойства.