E.S.,
, Kommunal uddannelsesinstitution gymnasiet nr. 16 med UIOP, Lysva, Perm-regionen.

Kvantefysikkens fødsel

Find begyndelsen på alt, og du vil forstå en masse!
Kozma Prutkov

Lektionens pædagogiske mål: introducere begrebet stoffets diskrethed, formulere begrebet kvante-bølge dualisme af stoffet, begrunde introduktionen af ​​Plancks formler og de Broglie bølgelængde.

Lektionens udviklingsmål: udvikle logisk tænkning, evnen til at sammenligne og analysere situationer og se tværfaglige sammenhænge.

Lektionens pædagogiske mål: at danne dialektisk-materialistisk tænkning.

Fysik som videnskab har universelle menneskelige værdier og et enormt humanitært potentiale. Under studiet afsløres de grundlæggende videnskabelige metoder (videnskabeligt eksperiment, modellering, tankeeksperiment, skabelse og struktur af videnskabelig teori). Eleverne skal have mulighed for at se på verden gennem en fysikers øjne for at forstå verdens evighed og konstante forandring - en verden, hvor der er så meget, der er stort og ubetydeligt lille, meget hurtigt og usædvanligt langsomt , enkel og svær at forstå - at føle menneskets konstante ønske om viden, der giver den dybeste tilfredsstillelse, at stifte bekendtskab med eksempler på dyb oplevelse af "videnskabelig tvivl" og modig bevægelse ad en ukendt vej i søgen efter elegance, korthed og klarhed .

JEG. Lærer. Da vi begyndte at studere optik, stillede jeg spørgsmålet: "Hvad er lys?" Hvordan ville du svare på det nu? Prøv at formulere din tanke i én sætning. Start med ordene "lys er..." Fra F.I. Tyutchev har følgende linjer: "Igen med grådige øjne // Jeg drikker det livgivende lys." Prøv venligst at kommentere disse linjer fra et fysisk synspunkt. I poesi - fra Homer til i dag - har fornemmelser frembragt af lys altid fået en særlig plads. Oftest opfattede digtere lys som en særlig lysende, skinnende væske.

For at gøre dagens samtale om lys komplet, vil jeg gerne læse ordene fra S.I. Vavilova: "Den kontinuerlige, sejrrige krig for sandheden, som aldrig ender med endelig sejr, har imidlertid sin indiskutable berettigelse. På vejen til at forstå lysets natur modtog mennesket mikroskoper, teleskoper, afstandsmålere, radioer og røntgenstråler; denne forskning hjalp med at mestre atomkernens energi. I søgen efter sandheden udvider mennesket grænseløst områderne for sin beherskelse af naturen. Er dette ikke videnskabens egentlige opgave? (fremhæv min. – E.U.)»

II. Lærer. I processen med at studere fysik stiftede vi bekendtskab med mange teorier, for eksempel MCT, termodynamik, Maxwells teori om elektromagnetiske felter osv. I dag er vi ved at afslutte studiet af bølgeoptik. Vi må opsummere studiet af emnet og måske sætte en sidste pointe på spørgsmålet: "Hvad er lys?" Kunne du bruge eksempler fra bølgeoptik til at vise teoriens rolle i processen med at forstå naturen?

Lad os huske, at teoriens betydning ikke kun ligger i, at den giver mulighed for at forklare mange fænomener, men også i, at den gør det muligt at forudsige nye, endnu ikke kendte fysiske fænomener, egenskaber ved kroppe og mønstre. Således forklarede bølgeteorien fænomenerne interferens, diffraktion, polarisering, brydning, spredning af lys og gjorde det muligt at gøre en "opdagelse i spidsen af ​​en pen" - en forudsigelse. I 1815 præsenterede en ukendt pensioneret ingeniør, Augustin Fresnel, et papir, der forklarede fænomenet diffraktion, for Paris Academy of Sciences. Analysen af ​​arbejdet blev betroet til berømte videnskabsmænd - fysiker D. Arago og matematiker S. Poisson. Poisson, der læste dette værk med lidenskab, opdagede en åbenlys absurditet i Fresnels konklusioner: Hvis et lille rundt mål placeres i en lysstrøm, så skulle der dukke en lys plet op i midten af ​​skyggen! Hvad tror du, der skete derefter? Et par dage senere eksperimenterede Arago og opdagede, at Fresnel havde ret! Så det 19. århundrede er århundredet for bølgeoptikkens triumf.

Hvad er lys? Lys er en elektromagnetisk tværgående bølge.

Efter at have afsluttet studiet af et stort afsnit af fysik relateret til naturen af ​​lys og elektromagnetiske bølger, foreslår jeg selvstændigt at udføre testopgaven "Elektromagnetiske bølger" (se bilag 1). Vi kontrollerer udførelsen frontalt.

III. Lærer. Og her er, hvad London-aviserne skrev på tærsklen til 1900: "Da Londons gader blev oplyst med festlige lys lavet af skarpe lyspærer i stedet for svage olieskåle, kørte førerhuse op til den gamle bygning på Fleet Street efter hinanden. Respektable herrer klædt i klæder steg op ad den brede, stærkt oplyste trappe ind i hallen. Så samledes medlemmer af Royal Society of London til deres næste møde. Høj, gråhåret, med et tykt skæg, Sir William Thomson (ved du om hans præstationer inden for fysik? - E.U.), for otte år siden gav dronning Victoria titlen som jævnaldrende og Lord Kelvin (kender du dette navn? - E.U.), og nu formanden for selskabet, begyndte sin nytårstale. Den store fysiker i det 19. århundrede bemærkede de succeser, der er opnået i det sidste århundrede, opremsede fordelene ved de tilstedeværende ...

De forsamlede nikkede bifaldende. For at være beskedne gjorde de et godt stykke arbejde. Og Sir William havde ret, da han sagde, at fysikkens storslåede bygning var blevet bygget, at der kun var små finpudsninger tilbage.

Sandt nok (Lord Kelvin afbrød sin tale et øjeblik), i fysikkens skyfri horisont er der to små skyer, to problemer, der endnu ikke har fundet en forklaring fra den klassiske fysiks synspunkt... Men disse fænomener er midlertidige og flygtige. Roligt sat sig til rette i antikke stole med høj ryg, smilede herrerne. Alle vidste, hvad vi talte om:

1) klassisk fysik kunne ikke forklare Michelsons eksperimenter, som ikke bestemte indflydelsen af ​​Jordens bevægelse på lysets hastighed. I alle referencesystemer (både i bevægelse og i hvile i forhold til Jorden) er lysets hastighed den samme - 300.000 km/s;

2) klassisk fysik kunne ikke forklare grafen for sort kropsstråling opnået eksperimentelt."

Sir William kunne ikke engang forestille sig, hvilken slags lyn der snart ville slå ned fra disse skyer! Når jeg ser fremad, vil jeg sige: løsningen af ​​det første problem vil føre til en revision af klassiske ideer om rum og tid, til skabelsen af ​​relativitetsteorien, vil løsningen på det andet problem føre til skabelsen af ​​en ny teori - kvante. Dette er løsningen på det andet problem, der vil blive diskuteret i dagens lektion!

IV. (Eleverne laver noter i deres notesbøger: Dato Lektion nr. Lektionens emne: "Oprindelsen af ​​kvantefysik.") Ved overgangen til det 19. og 20. århundrede. Der opstod et problem i fysikken, som akut skulle løses: en teoretisk forklaring på strålingsgrafen for et absolut sort legeme. Hvad er en perfekt sort krop? ( Elevernes hypoteser. Demonstration af videofragmentet "Thermal Radiation" .)

Lærer. Skriv ned: "Et helt sort legeme er et legeme, der er i stand til uden refleksion at absorbere hele den indfaldende strålingsflux, alle elektromagnetiske bølger af enhver bølgelængde (en hvilken som helst frekvens)."

Men absolut sorte kroppe har en funktion mere. Kan du huske, hvorfor mennesker med sort hud lever i de ækvatoriale territorier? "Sorte kroppe vil, hvis de opvarmes, lyse klarere end nogen anden krop, det vil sige, at de udsender energi i alle frekvensområder," skriv dette ned i dine notesbøger.

Forskere har eksperimentelt bestemt strålingsspektret af en helt sort krop. ( Tegner en graf.) Rν – spektraltæthed af energetisk lysstyrke – energien af ​​elektromagnetisk stråling, der udsendes pr. tidsenhed fra en enhedsoverfladeareal af et legeme i et enhedsfrekvensinterval ν. Maxwells teori om elektromagnetiske felter forudsagde eksistensen af ​​elektromagnetiske bølger, men den teoretiske sorte krops strålingskurve konstrueret på basis af denne teori havde en uoverensstemmelse med den eksperimentelle kurve i det højfrekvente område. Datidens bedste hoveder arbejdede på problemet: den engelske Lord Rayleigh og J. Jeans, tyskerne P. Kirchhoff og V. Wien, Moskva-professor V.A. Mikhelson. Intet virkede!

Tilbyd en vej ud af den nuværende situation. Den teoretiske kurve adskiller sig fra den eksperimentelle. Hvordan skal man være og hvad skal man gøre? ( Eleverne udtrykker hypoteser: udfør eksperimenter mere omhyggeligt - det gjorde de, resultatet er det samme; ændre teorien - men dette er en katastrofe, hele grundlaget for klassisk fysik, som blev skabt gennem tusinder af år, kollapser!) Den skabte situation i fysikken hed ultraviolet katastrofe.

Skriv ned: "Den klassiske fysiks metoder viste sig at være utilstrækkelige til at forklare strålingen fra et helt sort legeme i højfrekvensområdet - det var en "ultraviolet katastrofe."

Hvem kan gætte, hvorfor denne krise blev navngivet ultraviolet katastrofe, og ikke infrarød eller violet? En krise er brudt ud i fysikken! Det græske ord κρίση [ en krise] betegner en vanskelig overgang fra en stabil tilstand til en anden. Problemet skulle løses og løses omgående!

V.Lærer. Og så den 19. oktober 1900, på et møde i Physical Society, foreslog den tyske videnskabsmand M. Planck at bruge formlen til at beregne strålingen fra et absolut sort legeme E = hν. Plancks ven og kollega Heinrich Rubens sad ved sit skrivebord hele natten og sammenlignede sine målinger med resultaterne givet af Plancks formel, og var forbløffet: hans vens formel beskrev strålingsspektret af en absolut sort krop til mindste detalje! Så Plancks formel eliminerede den "ultraviolette katastrofe", men til hvilken pris! Planck foreslog, i modsætning til etablerede synspunkter, at overveje, at emissionen af ​​strålingsenergi fra stofatomer sker diskret, det vil sige i portioner, kvanter. "Quantum" ( kvant) oversat fra latin betyder blot antal .

Hvad betyder "diskret"? Lad os lave et tankeeksperiment. Forestil dig, at du har en krukke fuld af vand i hænderne. Er det muligt at støbe halvdelen? Hvad med at tage en slurk? Og endnu mindre? I princippet er det muligt at reducere eller øge vandmassen med en vilkårlig lille mængde. Lad os nu forestille os, at vi har i hænderne en kasse med børneterninger på 100 g hver. Er det muligt at reducere for eksempel 370 g? Ingen! Du kan ikke knække kuberne! Derfor kan boksens masse ændres diskret, kun i portioner, der er multipla af 100 g! Den mindste mængde, hvormed boksens masse kan ændres, kan kaldes del, eller massekvantum.

Således blev en kontinuerlig strøm af energi fra en opvarmet sort krop til et "maskingeværbrud" af separate dele - energikvanta. Det virker ikke som noget særligt. Men faktisk betød dette ødelæggelsen af ​​hele den klassiske fysiks fremragende konstruerede bygning, eftersom Planck i stedet for de grundlæggende grundlæggende love bygget på kontinuitetsprincippet foreslog diskrethedsprincippet. Planck selv kunne ikke lide tanken om diskrethed. Han søgte at formulere teorien, så den ville passe helt inden for den klassiske fysiks rammer.

Men der var en person, der tværtimod gik endnu mere beslutsomt ud over de klassiske ideers grænser. Denne mand var A. Einstein. For at du forstår den revolutionære karakter af Einsteins synspunkter, vil jeg kun sige, at han ved hjælp af Plancks idé lagde grundlaget for teorien om lasere (kvantegeneratorer) og princippet om at bruge atomenergi.

Akademiker S.I. I meget lang tid kunne Vavilov ikke vænne sig til ideen om lys som et stof af kvante, men han blev en ivrig beundrer af denne hypotese og kom endda med en måde at observere kvante på. Han beregnede, at øjet er i stand til at skelne den belysning, der skabes af 52 kvanter af grønt lys.

Så ifølge Planck er lys... ( eleverklæringer).

VI. Lærer. Minder Plancks hypotese dig ikke om den allerede kendte hypotese om lysets natur? Sir Isaac Newton foreslog at betragte lys som bestående af bittesmå partikler - blodlegemer. Ethvert lysende legeme udsender dem i alle retninger. De flyver i lige linjer, og hvis de rammer vores øjne, ser vi deres kilde. Hver farve svarer til sine egne blodlegemer, og de adskiller sig højst sandsynligt ved, at de har forskellige masser. Den kombinerede strøm af blodlegemer skaber hvidt lys.

På Sir Isaac Newtons tid blev fysik kaldt for naturfilosofi. Hvorfor? Læs (se bilag 2) en af ​​dialektikkens grundlove - loven om negation af negation. Prøv at anvende det på spørgsmålet om lysets natur. ( Elevernes begrundelse.)

Så ifølge M. Plancks hypotese er lys en strøm af partikler, blodlegemer, kvanter, som hver har energi E = hν. Analyser venligst denne formel: hvad er ν? hvad er der sket h (en af ​​eleverne vil helt sikkert foreslå, at dette er en form for konstant, opkaldt efter Planck)? Hvad er enheden for Plancks konstant? hvad er værdien af ​​konstanten ( arbejde med tabellen over fysiske konstanter)? Hvad hedder Plancks konstant? Hvad er den fysiske betydning af Plancks konstant?

For at værdsætte skønheden i Plancks formel, lad os vende os til problemer... biologi. Jeg inviterer eleverne til at besvare spørgsmål fra biologiområdet (bilag 3).

Synsmekanisme. Gennem vision modtager vi omkring 90 % af informationen om verden. Derfor har spørgsmålet om synsmekanismen altid interesseret folk. Hvorfor opfatter det menneskelige øje, og faktisk de fleste af Jordens indbyggere, kun en lille række af bølger fra spektret af elektromagnetisk stråling, der findes i naturen? Hvad hvis en person havde infrarødt syn, for eksempel som pit-slanger?

Om natten ville vi, som om dagen, se alle organiske kroppe, fordi deres temperatur adskiller sig fra temperaturen på livløse kroppe. Men den mest kraftfulde kilde til sådanne stråler for os ville være vores egen krop. Hvis øjet er følsomt over for infrarød stråling, ville solens lys simpelthen forsvinde for os på baggrund af sin egen stråling. Vi ville ikke se noget, vores øjne ville være ubrugelige.

Hvorfor reagerer vores øjne ikke på infrarødt lys? Lad os beregne energien af ​​kvanter af infrarødt og synligt lys ved hjælp af formlen:

Energien af ​​IR-kvanter er mindre end energien af ​​synlige lys-kvanter. Flere kvanter kan ikke "gå sammen" for at forårsage en handling, der ligger uden for et kvantes magt - i mikroverdenen er der en en-til-en interaktion mellem et kvante og en partikel. Kun et kvantum af synligt lys, som har en energi, der er større end infrarødt lys, kan forårsage en reaktion i rhodopsin-molekylet, dvs. nethinden. Effekten af ​​et synligt lys kvante på nethinden kan sammenlignes med virkningen af ​​en tennisbold, som flyttede... en bygning i flere etager. (Følsomheden af ​​nethinden er så høj!)

Hvorfor reagerer øjet ikke på ultraviolet stråling? UV-stråling er også usynlig for øjet, selvom energien af ​​UV-kvanter er meget større end den af ​​synlige lys-kvanter. Nethinden er følsom over for UV-stråler, men de absorberes af linsen, ellers ville de have en ødelæggende effekt.

I evolutionsprocessen har levende organismers øjne tilpasset sig til at opfatte energien fra stråling fra den mest kraftfulde kilde på Jorden - Solen - og netop de bølger, der tegner sig for den maksimale energi af solstråling, der falder ind på Jorden.

Fotosyntese. Hos grønne planter stopper processen, hvorigennem alle levende ting får ilt til vejrtrækning og mad, ikke et eneste sekund. Dette er fotosyntese. Bladet har en grøn farve på grund af tilstedeværelsen af ​​klorofyl i dets celler. Fotosyntesereaktioner sker under påvirkning af stråling i den rødviolette del af spektret, og bølger med en frekvens svarende til den grønne del af spektret reflekteres, så bladene har en grøn farve.

Klorofylmolekyler er "ansvarlige" for den unikke proces med at omdanne lysenergi til energien fra organiske stoffer. Det begynder med absorptionen af ​​en mængde lys af et klorofylmolekyle. Absorption af et kvantum af lys fører til kemiske reaktioner af fotosyntese, som omfatter mange enheder.

Hele dagen lang "er klorofylmolekyler travlt" med det faktum, at de efter at have modtaget en kvante bruger dens energi og omdanner den til en elektrons potentielle energi. Deres handling kan sammenlignes med virkningen af ​​en mekanisme, der løfter en bold op ad en trappe. Når bolden ruller ned ad trinene, mister bolden sin energi, men den forsvinder ikke, men bliver til den indre energi af stoffer, der dannes under fotosyntesen.

Klorofylmolekyler "virker" kun i dagtimerne, når synligt lys rammer dem. Om natten "hviler de", på trods af at der ikke er mangel på elektromagnetisk stråling: Jorden og planterne udsender infrarødt lys, men energien af ​​kvanterne i dette område er mindre end den, der kræves til fotosyntese. I evolutionsprocessen har planter tilpasset sig til at akkumulere energien fra den mest kraftfulde energikilde på Jorden - Solen.

Arvelighed.(Eleverne besvarer spørgsmål 1-3 fra bilag 3, kort "Arvelighed"). Organismers arvelige karakteristika er kodet i DNA-molekyler og overføres fra generation til generation på en matrix-måde. Hvordan forårsager man en mutation? Under påvirkning af hvilken stråling sker mutationsprocessen?

For at forårsage en enkelt mutation er det nødvendigt at give DNA-molekylet tilstrækkelig energi til at ændre strukturen af ​​en del af DNA-genet. Det er kendt, at γ-kvanter og røntgenstråler, som biologer udtrykker det, meget mutagen- deres mængder bærer energi, der er tilstrækkelig til at ændre strukturen af ​​en sektion af DNA. IR-stråling, og tilsyneladende er en sådan handling "ikke i stand til" deres frekvens, og derfor er energien for lav. Hvis energien fra det elektromagnetiske felt nu ikke blev absorberet i portioner, men kontinuerligt, så ville disse strålinger kunne påvirke DNA, for i forhold til dets reproduktive celler er organismen selv den nærmeste og mest kraftfulde, konstant fungerende kilde til stråling.

I begyndelsen af ​​30'erne. XX århundrede Takket være kvantemekanikkens succeser havde fysikere en følelse af en sådan magt, at de vendte sig til selve livet. Der var mange ligheder i genetik. Biologer har opdaget en diskret udelelig partikel - et gen - der kan bevæge sig fra en tilstand til en anden. Ændringer i genernes konfiguration er forbundet med ændringer i kromosomerne, som forårsager mutationer, og det viste sig at være muligt at forklare ud fra kvantebegreber. En af grundlæggerne af molekylærbiologien, som modtog Nobelprisen for forskning inden for mutationsprocesser i bakterier og bakteriofager, var den tyske teoretiske fysiker M. Delbrück. I 1944 udkom en kort bog af fysikeren E. Schrödinger, "Hvad er liv?" Det gav en klar og kortfattet præsentation af genetikkens grundlæggende principper og afslørede sammenhængen mellem genetik og kvantemekanik. Bogen satte skub i fysikernes angreb på genet. Takket være de amerikanske fysikere J. Watsons, F. Cricks, M. Wilkins' arbejde lærte biologer, hvordan det mest grundlæggende "levende" molekyle, DNA, er "struktureret". Røntgendiffraktionsanalyse gjorde det muligt at se det.

VII. Lærer. Jeg vender tilbage til spørgsmålet: hvad er lys? ( Eleven svarer.) Det viser sig, at fysikken vendte tilbage til den newtonske lyspartikel - korpusklen - og afviste ideen om lys som en bølge? Ingen! Det er umuligt at overstrege hele arven fra bølgeteorien om lys! Diffraktion, interferens og mange andre fænomener har jo længe været kendt, som eksperimentelt bekræfter, at lys er en bølge. Hvad skal jeg gøre? ( Elevernes hypoteser.)

Der er kun én ting tilbage: at på en eller anden måde kombinere bølger med partikler. Erkend, at der er én cirkel af fænomener, hvor lys udviser bølgeegenskaber, og der er en anden cirkel, hvor lysets korpuskulære essens kommer først. Med andre ord – skriv det ned! – lys har kvantebølgedualitet! Dette er lysets dobbelte natur. Det var meget svært for fysikere at kombinere to hidtil uforenelige ideer til én. En partikel er noget fast, uforanderligt, med en vis størrelse, begrænset i rummet. En bølge er noget flydende, ustabilt og har ingen klare grænser. Mere eller mindre tydeligt var disse ideer forbundet ved hjælp af konceptet med en bølgepakke. Dette er noget som en bølge "afskåret" i begge ender, eller rettere sagt en flok bølger, der rejser gennem rummet som en enkelt helhed. Klumpen kan krympe eller strække sig afhængigt af det miljø, den kommer ind i. Det ligner en flyvende fjeder.

Hvilken egenskab ved bølgepakken ændrer sig, når lys passerer fra et medium til et andet? ( Eleven svarer.)

I 1927 foreslog den amerikanske fysiker Lewis at kalde denne bølgepakke foton(fra græsk φωτóς [phos, fotos] – ). Hvad er en foton? ( Eleverne arbejder med lærebogen og drager konklusioner.)

Konklusioner. En foton er: et kvantum af elektromagnetisk stråling en foton i hvile eksisterer ikke en partikel, der bevæger sig i et vakuum med lysets hastighed; c= 3 10 8 m/s er en enkelt helhed og udelelig, eksistensen af ​​en brøkdel af en foton er umulig E = hν, hvor h= 6,63 · 10-34 J · s; ν er frekvensen af ​​lys en partikel med momentum er en elektrisk neutral partikel.

Verden er opbygget sådan, at lyset oftest viser os en bølgenatur, indtil vi overvejer dens interaktion med stoffet. Og stof dukker op foran os i korpuskulær form, indtil vi begynder at overveje arten af ​​interatomiske bindinger, overførselsprocesser, elektrisk modstand osv. Men uanset vores position i hvert øjeblik, har en mikropartikel begge egenskaber.

Processen med at skabe kvanteteori og i særdeleshed kvanteteori om lys er dybt dialektisk. Ideerne og billederne fra gammel, klassisk mekanik og optik, beriget med nye ideer, kreativt anvendt på den fysiske virkelighed, gav i sidste ende anledning til en fundamentalt ny fysisk teori.

Dyrke motion: Læs den filosofiske lov om enhed og modsætningers kamp og drag en konklusion vedrørende to teorier om lys: bølge- og kvanteteorier om lys.

VIII. Lærer. I 1924 udtrykte den franske fysiker Louis de Broglie (en tidligere militær radiotelegrafist) fuldstændig paradoksale, selv for datidens modige fysikere, tanker om arten af ​​atompartiklers bevægelse. De Broglie foreslog, at elektronernes og andre partiklers egenskaber i princippet ikke adskiller sig fra egenskaberne ved kvanter! Heraf fulgte, at elektroner og andre partikler også skulle udvise bølgeegenskaber, at der for eksempel skulle observeres elektrondiffraktion. Og det blev så sandelig opdaget i eksperimenter, der i 1927 uafhængigt af hinanden blev udført af de amerikanske fysikere K.-J. Davisson og L. Germer, sovjetisk fysiker P.S. Tartakovsky og den engelske fysiker J.-P. Thomson. De Broglie-bølgelængden beregnes ved hjælp af formlen:

Lad os løse problemer for at beregne de Broglie-bølgelængden (bilag 4).

Som beregninger viser, bevæger en valenselektron sig inde i et atom med en hastighed på 0,01 Med, diffrakterer på et ionisk krystalgitter som en bølge med en bølgelængde på ~10 -10 m, og bølgelængden af ​​en kugle, der flyver med en hastighed på omkring 500 m/s, er omkring 10 -34 m. Så lille en bølgelængde kan ikke registreres på nogen måde, og derfor opfører kuglen sig som en rigtig partikel.

Kampen mellem ideerne om diskrethed og kontinuitet i stoffet, som blev ført helt fra videnskabens begyndelse, endte med sammensmeltningen af ​​begge ideer i ideen om elementarpartiklernes dobbelte egenskaber. Brugen af ​​elektronernes bølgeegenskaber har gjort det muligt at øge opløsningen af ​​mikroskoper markant. Elektronens bølgelængde afhænger af hastigheden, og derfor af den spænding, der accelererer elektronerne (se opgave 5 i bilag 4). I de fleste elektronmikroskoper er de Broglie-bølgelængden hundredvis af gange mindre end lysets bølgelængde. Det blev muligt at se endnu mindre objekter, helt ned til enkelte molekyler.

Bølgemekanikken blev født, grundlaget for kvantefysikkens store bygning. De Broglie lagde grundlaget for teorien om interferens og diffraktion af lys, gav en ny afledning af Plancks formel og etablerede en dyb overensstemmelse mellem partiklernes bevægelse og bølgerne forbundet med dem.

Når vi studerede enhver teori, bemærkede vi altid grænserne for denne teoris anvendelighed. Grænserne for kvanteteoriens anvendelighed er endnu ikke fastlagt, men dens love bør anvendes til at beskrive bevægelsen af ​​mikropartikler i små områder af rummet og ved høje frekvenser af elektromagnetiske bølger, når måleinstrumenter gør det muligt at registrere individuelle kvanter (energi). -10 -16 J). For at beskrive samspillet mellem stof og røntgenstråling, hvis energi er to størrelsesordener større end den ovenfor fastsatte grænse, er det nødvendigt at anvende kvantefysikkens love og at beskrive egenskaberne ved radiobølger, er den klassiske elektrodynamiks love ganske tilstrækkelige. Det skal huskes, at den vigtigste "testplads" for kvanteteori er atomets og atomkernens fysik.

Som afslutning på dagens lektion stiller jeg dig igen spørgsmålet: hvad er lys? ( Eleven svarer.)

Litteratur

1. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Fysik. 11. klasse: pædagogisk. for almene uddannelsesinstitutioner: grundlæggende og professionel. niveauer. M.: Uddannelse, 2009.
2. Video-leksikon for folkeoplysning. Lennauchfilm. Videostudie "Kvart". [Elektronisk ressource] Kassette nr. 2 "Termisk stråling".
3. Tomilin A.N. På jagt efter oprindelse: videnskabelig-pop. udgave. L.: Det. litteratur, 1990.
4. Kvantemekanik. Kvanteelektrodynamik // Encycl. sl. ung fysiker / Komp. V.A. Chuyanov. M.: Pædagogik, 1984.
5. Koltun M. Fysikkens verden. M.: Det. litteratur, 1984.
6. Solopov E.F. Filosofi: lærebog. hjælp til studerende højere lærebog virksomheder. M.: Vlados, 2003.
7. Ilchenko V.R. Korsvej mellem fysik, kemi, biologi: bog. for studerende. M.: Uddannelse, 1986.
8. Katz Ts.B. Biofysik i fysik lektioner: bog. for læreren. M.: Uddannelse, 1988.

Elena Stepanovna Uvitskaya– fysiklærer af den højeste kvalifikationskategori, uddannet fra Tula State Pedagogical Institute opkaldt efter. L.N. Tolstoy i 1977 og blev udstationeret i Ural, til den lille industriby Lysva, hvor hun stadig arbejder. Æresarbejder af almen uddannelse i Den Russiske Føderation, vinder af den all-russiske konkurrence for lærere i fysik og matematik (Dynasty Foundation). Kandidater har med succes bestået Unified State Exam i mange år og er gået ind på universiteter i Moskva, St. Petersborg, Jekaterinburg og Perm. Engang, efter at have læst om Emerald-tabletten, blev jeg slået af den aktuelle relevans af ideen om den legendariske Hermes: hver ting, objekt, proces i vores univers bærer træk fra hinanden og af en enkelt helhed. Siden da har han været meget opmærksom på tværfaglige forbindelser og analogier: fysik og biologi, fysik og matematik, fysik og litteratur, og nu fysik og det engelske sprog. Han er engageret i videnskabeligt arbejde med elever, især i folkeskolen: hvor bor elektriciteten? Hvorfor er almindeligt vand så usædvanligt? Hvordan er det, stjernernes mystiske verden? Familien har to sønner, begge uddannet fra Perm State Technical University. Junioren er ingeniør, senioren er en karate-lærer, har sort bælte, anden dan, flerdobbelt mester i Rusland, deltager i verdensmesterskabet i Japan. Lærerens succes ville have været umulig uden hjælp fra hendes mand, en elektrisk ingeniør af uddannelse: udvikle og udføre eksperimenter, skabe nye enheder og simpelthen støtte og råd, der hjælper i forskellige livssituationer.

Alle ansøgninger er givet i . – Ed.

Rollen af ​​Maxwells teori blev bedst udtrykt af den berømte fysiker Robert Feynman: "I menneskehedens historie (hvis vi ser på det, f.eks. 10.000 år fra nu), vil den mest betydningsfulde begivenhed i det 19. århundrede uden tvivl være Maxwells opdagelse af elektrodynamikkens love. På baggrund af denne vigtige videnskabelige opdagelse vil den amerikanske borgerkrig i samme årti ligne en mindre provinshændelse."

Planck tøvede længe, ​​om han skulle vælge humaniora eller fysik. Alle Plancks værker er kendetegnet ved ynde og skønhed. A. Einstein skrev om dem: "Når man studerer hans værker, får man det indtryk, at kravet om kunstneriskhed er en af ​​hovedkilderne til hans kreativitet."

I 1935, da kvantemekanikken og Einsteins generelle relativitetsteori var meget unge, lavede den ikke så berømte sovjetiske fysiker Matvei Bronstein i en alder af 28 den første detaljerede undersøgelse af forsoningen af ​​disse to teorier i kvanteteorien om tyngdekraft. Denne "måske en teori om hele verden", som Bronstein skrev, kunne fortrænge Einsteins klassiske beskrivelse af tyngdekraften, hvor den ses som kurver i rum-tidskontinuumet, og omskrive den i kvantesprog, ligesom resten af ​​fysikken.

Bronstein fandt ud af, hvordan man beskriver tyngdekraften i form af kvantificerede partikler, nu kaldet gravitoner, men kun når tyngdekraften er svag - det vil sige (generelt relativitetsteori), når rumtiden er så let buet, at den i det væsentlige er flad. Når tyngdekraften er stærk, "er situationen helt anderledes," skrev videnskabsmanden. "Uden en dyb revision af klassiske begreber, synes det næsten umuligt at forestille sig en kvanteteori om tyngdekraft i dette område."

Hans ord var profetiske. Treogfirs år senere forsøger fysikere stadig at forstå, hvordan rumtidskrumning manifesterer sig på makroskopiske skalaer, der udspringer af et mere fundamentalt og formodentlig kvantebillede af tyngdekraften; Dette er måske det dybeste spørgsmål i fysik. Måske, hvis der var en chance, ville Bronsteins lyse sind fremskynde processen med denne eftersøgning. Udover kvantetyngdekraften ydede han også bidrag til astrofysik og kosmologi, halvlederteori, kvanteelektrodynamik og skrev flere bøger for børn. I 1938 faldt han under Stalins undertrykkelse og blev henrettet i en alder af 31.

Søgen efter en komplet teori om kvantetyngdekraften kompliceres af, at tyngdekraftens kvanteegenskaber aldrig manifesterer sig i virkelige erfaringer. Fysikere kan ikke se, hvordan Einsteins beskrivelse af et jævnt rum-tidskontinuum, eller Bronsteins kvantetilnærmelse af det i en let buet tilstand, bliver overtrådt.

Problemet er den ekstreme svaghed af tyngdekraften. Mens kvantificerede partikler, der transmitterer stærke, svage og elektromagnetiske kræfter, er så stærke, at de binder stof tæt til atomer og kan undersøges bogstaveligt talt under et forstørrelsesglas, er individuelle gravitoner så svage, at laboratorier ikke har nogen chance for at opdage dem. For at have stor sandsynlighed for at fange en graviton, skal partikeldetektoren være så stor og massiv, at den kollapser i et sort hul. Denne svaghed forklarer, hvorfor astronomiske ophobninger af masse er nødvendige for at påvirke andre massive legemer gennem tyngdekraften, og hvorfor vi ser gravitationseffekter på enorme skalaer.

Det er ikke alt. Universet ser ud til at være underlagt en form for kosmisk censur: områder med stærk tyngdekraft – hvor rumtidskurver er så skarpe, at Einsteins ligninger går i stykker, og tyngdekraftens og rumtidens kvantenatur skal afsløres – lurer altid bag de sorte hullers horisonter.

"Selv for få år siden var der en generel konsensus om, at det højst sandsynligt var umuligt at måle kvantiseringen af ​​gravitationsfeltet på nogen måde," siger Igor Pikovsky, en teoretisk fysiker ved Harvard University.

Nu har flere nylige artikler offentliggjort i Physical Review Letters ændret på det. Disse papirer påstår, at det kan være muligt at komme til kvantetyngdekraften - selv uden at vide noget om det. Artiklerne, skrevet af Sugato Bose fra University College London og Chiara Marletto og Vlatko Vedral fra University of Oxford, foreslår et teknisk udfordrende, men gennemførligt eksperiment, der kunne bekræfte, at tyngdekraften er en kvantekraft som alle andre, uden at det kræver påvisning af en graviton . Miles Blencowe, en kvantefysiker ved Dartmouth College, som ikke var involveret i dette arbejde, siger, at et sådant eksperiment kunne afsløre en klar signatur af usynlig kvantetyngdekraft - "Cheshire-kattens smil."

Det foreslåede eksperiment vil afgøre, om to objekter - Boses gruppe planlægger at bruge et par mikrodiamanter - kan blive kvantemekanisk viklet ind i hinanden gennem gensidig gravitationel tiltrækning. Entanglement er et kvantefænomen, hvor partikler bliver uadskilleligt sammenflettet og deler en enkelt fysisk beskrivelse, der definerer deres mulige kombinerede tilstande. (Sameksistensen af ​​forskellige mulige tilstande kaldes "superposition" og definerer et kvantesystem.) For eksempel kan et par sammenfiltrede partikler eksistere i en superposition, hvor partikel A har 50 % sandsynlighed for at spinde fra bund til top, og partikel B vil spinde fra top til bund og med 50 % sandsynlighed omvendt. Ingen ved på forhånd, hvilket resultat du får, når du måler retningen af ​​partiklernes spin, men du kan være sikker på, at det vil være det samme for dem.

Forfatterne hævder, at de to objekter i det foreslåede eksperiment kun kan blive viklet ind på denne måde, hvis kraften, der virker mellem dem - i dette tilfælde tyngdekraften - er en kvanteinteraktion medieret af gravitoner, som kan understøtte kvantesuperpositioner. "Hvis eksperimentet udføres og sammenfiltring opnås, kan vi ifølge arbejdet konkludere, at tyngdekraften er kvantificeret," forklarede Blencowe.

Forvirre diamanten

Kvantetyngdekraften er så subtil, at nogle videnskabsmænd har tvivlet på dens eksistens. Den kendte matematiker og fysiker Freeman Dyson, 94, har siden 2001 argumenteret for, at universet kunne understøtte en slags "dualistisk" beskrivelse, hvor "tyngdefeltet beskrevet af Einsteins generelle relativitetsteori ville være et rent klassisk felt uden nogen kvanteadfærd." , mens alt stof i dette glatte rum-tidskontinuum vil blive kvantificeret af partikler, der adlyder sandsynlighedsreglerne.

Dyson, der hjalp med at udvikle kvanteelektrodynamik (teorien om interaktioner mellem stof og lys) og er professor emeritus ved Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, mener ikke, at kvantetyngdekraften er nødvendig for at beskrive det uopnåelige indre af sorte huller. . Og han mener også, at det i princippet kan være umuligt at opdage en hypotetisk graviton. I så fald, siger han, ville kvantetyngdekraften være metafysisk, ikke fysisk.

Han er ikke den eneste skeptiker. Den berømte engelske fysiker Sir Roger Penrose og den ungarske videnskabsmand Lajos Diosi foreslog uafhængigt, at rumtiden ikke kan understøtte superpositioner. De mener, at dens glatte, stive, grundlæggende klassiske natur forhindrer den i at bøje sig ind i to mulige baner på én gang - og det er denne stivhed, der fører til sammenbruddet af superpositioner af kvantesystemer som elektroner og fotoner. "Gravitationel dekohærens," efter deres mening, tillader en enkelt, solid, klassisk virkelighed at opstå, som kan mærkes på en makroskopisk skala.

Evnen til at finde kvantetyngdekraftens "smil" ser ud til at modbevise Dysons argument. Det dræber også teorien om gravitationel dekohærens ved at vise, at tyngdekraften og rumtiden faktisk understøtter kvantesuperpositioner.

Forslagene fra Bose og Marletto dukkede op samtidigt og fuldstændigt ved et uheld, selvom eksperter bemærker, at de afspejler tidsånden. Eksperimentelle kvantefysiklaboratorier rundt om i verden sætter stadigt større mikroskopiske objekter i kvantesuperpositioner og optimerer protokoller til at teste sammenfiltringen af ​​to kvantesystemer. Det foreslåede eksperiment vil skulle kombinere disse procedurer, samtidig med at det kræver yderligere forbedringer i skala og følsomhed; måske tager det ti år. "Men der er ingen fysisk blindgyde," siger Pikovsky, som også undersøger, hvordan laboratorieeksperimenter kunne undersøge gravitationsfænomener. "Jeg synes, det er svært, men ikke umuligt."

Denne plan er skitseret mere detaljeret i arbejdet af Bose et al - Ocean's Eleven Experts for Different Stages of the Proposal. For eksempel arbejder medforfatter Gavin Morley i sit laboratorium ved University of Warwick på det første trin, idet han forsøger at sætte en mikrodiamant ind i en kvantesuperposition to steder. For at gøre dette vil han begrænse et nitrogenatom i mikrodiamanten ved siden af ​​en ledig plads i diamantstrukturen (det såkaldte NV-center eller nitrogensubstitueret ledighed i diamant) og oplade det med en mikrobølgeimpuls. En elektron, der roterer rundt om NV-centret, absorberer samtidig lys og gør det ikke, og systemet går i en kvantesuperposition af to spin-retninger - op og ned - som en top, der roterer med uret med en vis sandsynlighed og mod uret med en vis sandsynlighed. En mikrodiamant fyldt med dette superpositionsspin udsættes for et magnetfelt, der får det øverste spin til at bevæge sig til venstre og det nederste spin til at bevæge sig til højre. Selve diamanten deler sig i en superposition af to baner.

I et komplet eksperiment ville videnskabsmænd gøre alt dette med to diamanter - for eksempel røde og blå - placeret side om side i et ultrakoldt vakuum. Når fælden, der holder dem, er slukket, vil de to mikrodiamanter, hver i en superposition af to positioner, falde lodret i et vakuum. Når diamanterne falder, vil de mærke tyngdekraften af ​​hver af dem. Hvor stærk vil deres tyngdekraft være?

Hvis tyngdekraften er en kvantekraft, er svaret: det afhænger. Hver komponent af den blå diamants superposition vil opleve en stærkere eller svagere tiltrækning mod den røde diamant, afhængig af om sidstnævnte er i en gren af ​​superpositionen, der er tættere på eller længere væk. Og tyngdekraften, som hver komponent i den røde diamants superposition vil føle, afhænger på samme måde af den blå diamants tilstand.

I hvert tilfælde virker forskellige grader af tyngdekraftens tiltrækning på de udviklende komponenter i diamantsuperpositionerne. De to diamanter bliver indbyrdes afhængige, fordi deres tilstande kun kan bestemmes i kombination - hvis dette betyder det - så til sidst vil spin-retningerne for de to systemer af NV-centre korrelere.

Efter at mikrodiamanterne falder side om side i tre sekunder - længe nok til at blive viklet ind i tyngdekraften - vil de passere gennem et andet magnetfelt, som vil bringe grenene af hver superposition sammen igen. Det sidste trin i eksperimentet er entanglement vidne-protokollen udviklet af den danske fysiker Barbara Theral og andre: blå og røde diamanter kommer ind i forskellige enheder, der måler spin-retningerne af NV-centersystemer. (Måling får superpositioner til at kollapse i visse tilstande.) De to resultater sammenlignes derefter. Ved at udføre eksperimentet igen og igen og sammenligne mange par af spin-målinger, kan forskerne bestemme, om to kvantesystemers spin faktisk korrelerede oftere end den øvre grænse for objekter, der ikke er kvantemekanisk sammenfiltrede. Hvis ja, vikler tyngdekraften faktisk diamanter ind og kan understøtte superpositioner.

"Det interessante ved dette eksperiment er, at du ikke behøver at vide, hvad kvanteteori er," siger Blencowe. "Alt, der er nødvendigt, er at sige, at der er et eller andet kvanteaspekt i denne region, der er medieret af kraften mellem to partikler."

Der er mange tekniske vanskeligheder. Den største genstand, der var blevet placeret i superposition to steder før, var et 800-atom molekyle. Hver mikrodiamant indeholder mere end 100 milliarder kulstofatomer - nok til at akkumulere en mærkbar tyngdekraft. Udpakning af dens kvantemekaniske natur vil kræve lave temperaturer, dybe vakuum og præcis kontrol. "Det er meget arbejde at få den indledende superposition op at køre," siger Peter Barker, en del af det eksperimentelle team, der forfiner laserkøling og mikrodiamantfangstteknikker. Hvis dette kunne gøres med én diamant, tilføjer Bose, "en anden ville ikke være et problem."

Hvad er unikt ved tyngdekraften?

Kvantetyngdekraftforskere er ikke i tvivl om, at tyngdekraften er en kvanteinteraktion, der kan forårsage sammenfiltring. Naturligvis er tyngdekraften noget unik, og der er stadig meget at lære om rummets og tidens oprindelse, men kvantemekanikken bør bestemt være involveret, siger videnskabsmænd. "Virkelig, hvad er meningen med en teori, hvor det meste af fysikken er kvante og tyngdekraft er klassisk," siger Daniel Harlow, en kvantetyngdekraftforsker ved MIT. De teoretiske argumenter mod blandede kvante-klassiske modeller er meget stærke (dog ikke afgørende).

På den anden side har teoretikere taget fejl før. "Hvis du kan tjekke det, hvorfor ikke? Hvis dette lukker munden på disse mennesker, der stiller spørgsmålstegn ved tyngdekraftens kvantenatur, ville det være fantastisk,« siger Harlow.

Efter at have læst avisen skrev Dyson: "Det foreslåede eksperiment er bestemt af stor interesse og kræver udførelse under betingelserne for et rigtigt kvantesystem." Han bemærker dog, at forfatternes tankegange om kvantefelter adskiller sig fra hans. "Det er ikke klart for mig, om dette eksperiment kan løse spørgsmålet om eksistensen af ​​kvantetyngdekraft. Spørgsmålet, jeg stillede - om der observeres en separat graviton - er et andet spørgsmål og kan have et andet svar."

Bose, Marletto og deres kollegers tankegang om kvantiseret tyngdekraft stammer fra Bronsteins arbejde så tidligt som i 1935. (Dyson kaldte Bronsteins værk "et smukt stykke arbejde", som han ikke havde set før). Især viste Bronstein, at svag tyngdekraft genereret af lille masse kan tilnærmes ved Newtons tyngdelov. (Dette er den kraft, der virker mellem superpositioner af mikrodiamanter). Ifølge Blencowe er beregninger af svag kvantiseret tyngdekraft ikke blevet specielt udført, selvom de bestemt er mere relevante end fysikken i sorte huller eller Big Bang. Han håber, at det nye eksperimentelle forslag vil tilskynde teoretikere til at søge subtile justeringer af Newtons tilnærmelse, som fremtidige bordpladeeksperimenter kan prøve at teste.

Leonard Susskind, en berømt kvantetyngdekraft og strengteoretiker ved Stanford University, så værdien af ​​det foreslåede eksperiment, fordi "det giver observationer af tyngdekraften i en ny række af masser og afstande." Men han og andre forskere understregede, at mikrodiamanter ikke kan afsløre noget om den fulde teori om kvantetyngdekraft eller rumtid. Han og hans kolleger vil gerne forstå, hvad der sker i centrum af et sort hul og i øjeblikket med Big Bang.

Måske er et fingerpeg om, hvorfor kvantificering af tyngdekraften er så meget sværere end noget andet, at andre naturkræfter har det, der kaldes "lokalitet": kvantepartikler i en region af feltet (fotoner i et elektromagnetisk felt, for eksempel) er "uafhængige af andre fysiske enheder i en anden region af rummet," siger Mark van Raamsdonk, en kvantetyngdekraftteoretiker ved University of British Columbia. "Men der er en masse teoretiske beviser for, at tyngdekraften ikke fungerer på den måde."

I de bedste sandkassemodeller af kvantetyngdekraft (med forenklede rumtidsgeometrier) er det umuligt at antage, at båndet af rumtidsstof er opdelt i uafhængige tredimensionelle stykker, siger van Raamsdonk. I stedet foreslår moderne teori, at de underliggende, grundlæggende komponenter i rummet er "organiseret snarere på en todimensionel måde." Rumtidens stof kunne være som et hologram eller et videospil. "Selvom billedet er tredimensionelt, gemmes informationen på en todimensionel computerchip." I dette tilfælde ville den tredimensionelle verden være en illusion i den forstand, at dens forskellige dele ikke er så uafhængige. I en videospilsanalogi kan nogle få bits på en todimensionel chip kode globale funktioner i hele spiluniverset.

Og denne forskel har betydning, når du forsøger at skabe en kvanteteori om tyngdekraft. Den sædvanlige tilgang til at kvantisere noget er at identificere dets uafhængige dele - for eksempel partikler - og derefter anvende kvantemekanik på dem. Men hvis du ikke definerer de rigtige komponenter, ender du med de forkerte ligninger. Den direkte kvantisering af det tredimensionelle rum, som Bronstein ønskede at udføre, virker til en vis grad med svag tyngdekraft, men viser sig at være ubrugelig, når rumtiden er meget buet.

Nogle eksperter siger, at det at være vidne til kvantetyngdekraftens "smil" kan føre til motivation for denne form for abstrakt ræsonnement. Når alt kommer til alt, er selv de mest højlydte teoretiske argumenter om eksistensen af ​​kvantetyngdekraft ikke understøttet af eksperimentelle fakta. Når van Raamsdonk forklarer sin forskning på et videnskabeligt kollokvium, siger han, starter det normalt med en historie om, hvordan tyngdekraften skal gentænkes med kvantemekanik, fordi den klassiske beskrivelse af rumtid bryder sammen med sorte huller og Big Bang.

"Men hvis du laver dette simple eksperiment og viser, at gravitationsfeltet var i superposition, bliver fejlen i den klassiske beskrivelse indlysende. For der vil være et eksperiment, der antyder, at tyngdekraften er kvante."

Baseret på materialer fra Quanta Magazine

Lektionens mål:

Uddannelsesmæssigt: at danne eleverne en idé om den fotoelektriske effekt og at studere dens love, som den adlyder; teste lovene for den fotoelektriske effekt ved hjælp af et virtuelt eksperiment.

Udviklingsmæssigt: udvikle logisk tænkning.

Pædagogisk: fremme omgængelighed (evnen til at kommunikere), opmærksomhed, aktivitet, ansvarsfølelse, skabe interesse for emnet.

Under timerne

I. Organisatorisk øjeblik.

- Emnet for dagens lektion er "Fotoeffekt".

Når vi overvejer dette interessante emne, fortsætter vi med at studere afsnittet "Kvantefysik", vi vil forsøge at finde ud af, hvilken effekt lys har på stof, og hvad denne effekt afhænger af. Men først vil vi gennemgå det materiale, der er dækket i den sidste lektion, uden hvilket det vil være svært at forstå forviklingerne af fotoeffekten. I den sidste lektion så vi på Plancks hypotese.

Hvad er den mindste mængde energi, som et system kan udsende og absorbere? (kvante)

Hvem introducerede først begrebet "energikvante" i videnskaben? (M. Planck)

En forklaring på hvilken eksperimentel afhængighed, der bidrog til kvantefysikkens fremkomst? (loven om stråling af opvarmede faste stoffer)

Hvilken farve ser vi i en helt sort krop? (enhver farve afhængig af temperatur)

III. At lære nyt stof

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede blev kvanteteorien født - teorien om bevægelse og interaktion mellem elementarpartikler og systemer, der består af dem.

For at forklare lovene for termisk stråling foreslog M. Planck, at atomer udsender elektromagnetisk energi ikke kontinuerligt, men i separate portioner - kvanter. Energien af ​​hver sådan portion bestemmes af formlen E = h, Hvor
-Plancks konstant; v er frekvensen af ​​lysbølgen.

En anden bekræftelse af kvanteteoriens rigtighed var Albert Einsteins forklaring i 1905. fænomen fotoelektrisk effekt

Foto effekt– fænomenet med, at elektroner udstødes fra faste og flydende stoffer under påvirkning af lys.

Typer af FOTOEFFEKT:

1. Den eksterne fotoelektriske effekt er emission af elektroner fra et stof under påvirkning af elektromagnetisk stråling. Den eksterne fotoelektriske effekt observeres i faste stoffer og også i gasser.

2. Intern fotoelektrisk effekt er den elektromagnetiske stråling, der forårsager overgangen af ​​elektroner inde i en leder eller dielektrikum fra bundne tilstande til frie uden at undslippe udenfor.

3. Ventil fotoelektrisk effekt - udseendet af foto - emf. ved belysning af kontakten mellem to forskellige halvledere eller en halvleder og et metal.

Fotoelektrisk effekt blev opdaget i 1887 af en tysk fysiker G. Hertz og i 1888-1890 blev det eksperimentelt undersøgt af A.G. Stoletov. Den mest komplette undersøgelse af fænomenet den fotoelektriske effekt blev udført af F. Lenard i 1900. På dette tidspunkt var elektronen allerede blevet opdaget (1897, J. Thomson), og det blev klart, at den fotoelektriske effekt (eller mere præcist, den eksterne fotoelektriske effekt) består af udstødning af elektroner fra et stof under påvirkning af lys, der falder ind på det.

Undersøgelse af den fotoelektriske effekt.

De første eksperimenter med den fotoelektriske effekt blev startet af Stoletov allerede i februar 1888.

Forsøgene brugte en glasvakuumflaske med to metalelektroder, hvis overflade blev grundigt rengjort. En vis spænding blev påført elektroderne U, hvis polaritet kunne ændres ved hjælp af en dobbelttast. En af elektroderne (katode K) blev belyst gennem et kvartsvindue med monokromatisk lys af en vis bølgelængde. Ved en konstant lysstrøm blev afhængigheden af ​​fotostrømstyrken taget jeg fra den påførte spænding.

Lovene for den fotoelektriske effekt

Mætningsfotostrømmen er direkte proportional med den indfaldende lysflux.

fotoelektronernes maksimale kinetiske energi stiger lineært med lysets frekvens og afhænger ikke af dets intensitet.

For hvert stof er der en fastsat minimumsfrekvens, kaldet den røde grænse for den fotoelektriske effekt, under hvilken den fotoelektriske effekt er umulig.

Ifølge M. Plancks hypotese består en elektromagnetisk bølge af individuelle fotoner og stråling forekommer diskontinuerligt - i kvantum, fotoner. Optagelsen af ​​lys skal således også ske diskontinuerligt - fotoner overfører deres energi til hele stoffets atomer og molekyler.

- Einsteins ligning for den fotoelektriske effekt

mv 2 /2 = eU 0 – maksimal værdi af fotoelektronens kinetiske energi;

– den mindste lysfrekvens, ved hvilken den fotoelektriske effekt er mulig;

V max = hc/ Aout – maksimal lysfrekvens, ved hvilken den fotoelektriske effekt er mulig

- rød fotoeffektkant

- foton momentum

Samtale med afklaring af begreber og begreber.

Fænomenet med et stof, der udsender elektroner under påvirkning af lys, kaldes...

Antallet af elektroner, der udsendes af lys fra overfladen af ​​et stof på 1 s, er direkte proportional med...

Den kinetiske energi af fotoelektroner stiger lineært med ... og afhænger ikke af ...

For hvert stof er der en minimumsfrekvens af lys, hvor den fotoelektriske effekt stadig er mulig. Denne frekvens kaldes...

Det arbejde, der skal udføres for at fjerne elektroner fra overfladen af ​​et stof, kaldes...

Einsteins ligning for den fotoelektriske effekt (formulering)...

IV. Konsolidering og generalisering af viden.

Opgave 1. Hvad er den laveste frekvens af lys, hvor den fotoelektriske effekt stadig observeres, hvis arbejdsfunktionen af ​​en elektron fra metallet er 3,3 * 10 -19 J?

Opgave 2. Bestem energien, massen og momentum af fotonen svarende til de længste og korteste bølger i det synlige spektrum?

Løsning:

Opgave 3. Find den fotoelektriske effekttærskel for kalium, hvis arbejdsfunktion A = 1,32 EV?

Løsning:

I Einsteins ligning

Brug de formler, du skrev ned, til at løse følgende problemer på egen hånd.

Arbejdsfunktionen for pladematerialet er 4 eV. Pladen er oplyst med monokromatisk lys. Hvad er energien af ​​fotonerne i det indfaldende lys, hvis fotoelektronernes maksimale kinetiske energi er 2,5 eV?

En nikkelplade udsættes for elektromagnetisk stråling med en fotonenergi på 8 eV. I dette tilfælde, som et resultat af den fotoelektriske effekt, udsendes elektroner med en maksimal energi på 3 eV fra pladen. Hvad er arbejdsfunktionen af ​​elektroner fra nikkel?

En strøm af fotoner med en energi på 12 eV slår fotoelektroner ud fra metallet, hvis maksimale kinetiske energi er 2 gange mindre end arbejdsfunktionen. Bestem arbejdsfunktionen for det givne metal.

Arbejdsfunktion af en elektron, der forlader et metal. Find den maksimale bølgelængde af stråling, der kan slå elektroner ud.

Bestem arbejdsfunktionen af ​​elektroner fra metallet, hvis den røde grænse for den fotoelektriske effekt er 0,255 µm.

For nogle metal er den røde grænse for den fotoelektriske effekt lys med en frekvens . Bestem den kinetiske energi, som elektroner vil erhverve under påvirkning af stråling med en bølgelængde

Forbered en præsentation om emnet "Anvendelse af den fotoelektriske effekt"

VKontakte Facebook Odnoklassniki

Når højenergipartikler interagerer ved en kolliderer, dannes et stort antal forskellige partikler

Denne proces kaldes multipel produktion, og dens forskellige karakteristika forudsiges ved hjælp af teorien om stærke interaktioner - kvantekromodynamik (QCD). Resultaterne af nylige lignende eksperimenter ved LHC (Large Hadron Collider) falder dog ikke sammen med forudsigelserne fra modeller baseret på resultaterne af tidligere eksperimenter med andre acceleratorer. Nick Brooke, professor ved University of Bristol og en af ​​de førende eksperter inden for undersøgelse af multipel partikelproduktion, talte på Ginzburg-konferencen om de mulige årsager til denne uoverensstemmelse og åbningshorisonten for ny eksperimentel højenergifysik.

Teknikken til to eksperimentelle projekter, der finder sted på LHC, er ideel til at identificere fødte partikler. Disse er ALICE-projektet (A Large Ion Collider Experiment), optimeret til at studere tunge ionkollisioner, og LHCb, designet til at studere B-mesoner - partikler, der indeholder en "smuk" kvark. Og informationen om selve partiklernes fødsel er et nødvendigt grundlag for den videre udvikling af QCD. Nick Brooke kommenterer: "De observerede partikelfordelinger karakteriserer den hadroniske tilstand af stof og er følsomme over for den underliggende kvantekromodynamik af proton-proton-interaktioner. ALICE, ATLAS og CMS har allerede målt partikelfordelinger i det centrale interaktionsområde, og geometrien af ​​LHCb giver os mulighed for at spore kollisionsdynamik i det fjerne område. Dette giver os meget tiltrængt information til at udvikle modeller og forbedre Monte Carlo event generatorer."

Kvantekromodynamik opstod i 70'erne af forrige århundrede som en mikroskopisk teori, der beskriver den stærke vekselvirkning på subhadronskalaer, som involverer kvarker, gluoner og partikler sammensat af dem - hadroner, herunder protoner og neutroner i atomkernen bundet af stærk interaktion. Kvantekromodynamikkens grundlæggende postulat tildeler alle kvarker et særligt kvantetal, kaldet en farveladning eller farve. Sådan et velkendt ord har intet at gøre med almindelige optiske egenskaber, men det understreger kort og godt det faktum, at kvarker i naturen kun findes i form af farveløse kombinationer - hadroner, der består af tre kvarker (husk analogien: rød, grøn og blå lægge op til hvid) , eller gluoner fra en kvark og en antikvark med en antifarve.

QCD-forudsigelser om parametrene for multipel partikelproduktion gives enten i analytisk form eller i form af numeriske computerberegninger ved hjælp af Monte Carlo-modeller, som kan sammenlignes i detaljer med eksperimentelle data. Disse modeller kaldes hændelsesgeneratorer i den forstand, at sandsynligheden for forekomst af visse fænomener i disse computerberegninger anses for at være proportional med sandsynligheden for den tilsvarende hændelse i den virkelige verden. Alle disse modeller fungerede godt i overensstemmelse med tidligere eksperimenter med andre acceleratorer og havde endda en vis forudsigelseskraft, men de falder endnu ikke sammen med de nye resultater opnået ved LHC.

FIAN-professor og førende forsker i højenergifysiksektoren Andrei Leonidov kommenterer: "Undersøgelsen af ​​multipel produktion ved høje energier er et af de grundlæggende fysiske problemer, og Brooks rapport var dedikeret til rækken af ​​eksperimentel information, der blev akkumuleret på LHC kolliderer. En meget interessant situation er opstået dér: De eksisterende modeller beskriver ikke mange væsentlige egenskaber ved begivenheder. Deres typiske design kombinerer på en eller anden måde fysikken i bløde hadroniske jetfly og hård hadronisk stråling, og de blev selv kalibreret til med succes at beskrive FNAL, den tidligere accelerator. Som et resultat var der bogstaveligt talt ikke en eneste graf i denne rapport, hvor teorien faldt sammen med det nye eksperiment. Det vil sige, at mange egenskaber ved flerfoldsfødsler slet ikke er beskrevet af moderne modeller."

Professor Brook talte således om uoverensstemmelser mellem forudsigelser og reelle data om fremkomsten af ​​partikler med "mærkelige" kvarker i deres sammensætning eller krænkelser i forholdet mellem baryonisk og antibaryonstof. Men alle disse uoverensstemmelser, som Brook understregede, giver kun forskere frie hænder og viser igen den komplekse struktur af QCD. Nye data kan trods alt hjælpe med at forbedre modeller af hændelsesgeneratorer, produktion af bløde partikler, kollisioner med flere partikler og mange andre fænomener.

Andrei Leonidov er også enig i den engelske fysikers optimisme: ”Alle tidligere modeller i nye eksperimenter har vist sig at være mislykkede i varierende grad, og det skaber et interessant studiefelt. Men de samme modeller blev sat sammen af ​​en grund: dette er det bedste, menneskeheden kan tilbyde om dette emne. Det er ikke sådan, at nogle provinsfolk skrev noget der, og det bliver ved et uheld brugt på LHC. LHC bruger det bedste, der er tilgængeligt, og dette bedste fungerer ikke godt endnu. Og dette emne er meget vigtigt, fordi flere fødselsprocesser konstant forekommer i kollideren. Det er dominerende processer med et stort tværsnit, og de påvirker potentielt alle andre processer og bestemmer deres baggrund. Desuden er det grundlæggende og interessant. Så der er ikke noget trist, vi venter på nye resultater!”

Når højenergipartikler kolliderer, observeres multipel dannelse af nye partikler