В чем заключается суть квантовой гипотезы планка

В чем заключается суть квантовой гипотезы планка

Гипотеза Планка о квантах

Классическая электродинамика дала серьезный сбой, когда ее попытались использовать для описания излучения нагретого тела (так называемого теплового излучения).

Суть проблемы состояла в том, что простая и естественная электродинамическая модель теплового излучения приводила к бессмысленному выводу: любое нагретое тело, непрерывно излучая, должно постепенно потерять всю свою энергию и остыть до абсолютного нуля. Однако ничего подобного не наблюдается.

В ходе решения этой проблемы Макс Планк высказал свою знаменитую гипотезу.

Гипотеза о квантах. Электромагнитная энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными неделимыми порциями квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения:

Принятие этой гипотезы позволило Планку построить теорию теплового излучения, прекрасно согласующуюся с экспериментом. Располагая известными из опыта спектрами теплового излучения, Планк вычислил значение своей постоянной:

Успешность гипотезы Планка наводила на мысль, что законы классической физики неприменимы к малым частицам вроде атомов или электронов, а также к явлениям взаимодействия света и вещества. Подтверждением данной мысли как раз и послужило явление фотоэффекта.

Фотоэффект это выбивание электронов из вещества падающим светом. Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году в ходе его знаменитых экспериментов по излучению электромагнитных волн.

Герц, однако, был поглощен исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание. Год спустя фотоэффект был независимо открыт русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Тщательные экспериментальные исследования, проведенные Столетовым в течение двух лет, позволили сформулировать основные законы фотоэффекта.

В своих экспериментах А.Г.Столетов использовал фотоэлемент собственной конструкции.

Сейчас к катоду подсоединен «минус», а аноду «плюс», но можно сделать и наоборот (и эта перемена знака существенная часть опытов Столетова). Напряжению на электродах приписывается тот знак, который подан на анод. В данном случае, например, напряжение U положительно.

В опытах Столетова можно независимо изменять три величины: анодное напряжение,

интенсивность света и его частоту.
Рис. 1. Фотоэлемент Столетова

З ависимость фототока от напряжения

Меняя величину и знак анодного напряжения, можно проследить, как меняется фототок. График этой зависимости, называемый характеристикой фотоэлемента, представлен на рис. 2.

Будем постепенно увеличивать напряжение, т. е. двигаться слева направо вдоль оси U из отрицательных значений в положительные.

Таким образом, величина задерживающего напряжения позволяет определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

При небольшом превышении задерживающего напряжения появляется слабый фототок. Его формируют электроны, вылетевшие с максимальной кинетической энергией почти точно вдоль оси колбы (т. е. почти перпендикулярно катоду): теперь электронам хватает этой энергии, чтобы добраться до анода с ненулевой скоростью и замкнуть цепь. Остальные электроны, которые имеют меньшие скорости или полетели в сторону от анода, на анод не попадают.

При повышении напряжения фототок увеличивается. Анода достигает большее количество электронов, вылетающих из катода под все большими углами к оси колбы. Обратите внимание, что фототок присутствует при нулевом напряжении!

Когда напряжение выходит в область положительных значений, фототок продолжает возрастать, т.к. электрическое поле теперь разгоняет электроны, поэтому все большее их число получают шанс оказаться на аноде. Однако достигают анода пока еще не все фотоэлектроны. Например, электрон, вылетевший с максимальной скоростью перпендикулярно оси колбы (т. е. вдоль катода), хоть и развернется полем в нужном направлении, но не настолько сильно, чтобы попасть на анод.

Первый закон фотоэффекта: Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте).

Чем больше энергии несет излучение, тем ощутимее наблюдаемый результат.

Теперь будем изучать зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты и интенсивности падающего света. По формуле (3) нахождение максимальной кинетической энергии выбитых электронов фактически сводится к измерению задерживающего напряжения.

Сначала меняем частоту излучения при фиксированной интенсивности. Получается такой график (рис. 3):

Как видим, существует некоторая частота ν₀, называемая красной границей фотоэффекта, разделяющая две принципиально разные области графика. Если ν

Если же ν > ν ₀, то максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой.

Теперь, наоборот, фиксируем частоту и меняем интенсивность света. Если при этом ν ν₀: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов от интенсивности света не зависит.

Все эти факты нашли отражение во втором и третьем законах фотоэффекта. Рис. 3. Зависимость энергии

фотоэлектронов от частоты света

Второй закон фотоэффекта: Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Третий закон фотоэффекта: Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта наименьшая частота света ν₀, при которой фотоэффект еще возможен. При ν

Источник

Конспект учебного материала для студентов «Квантовая гипотеза Планка. Фотоны»

Квантовая гипотеза Планка

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:

Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения.

Подведен прочный фундамент под термодинамику.

Завершена максвелловская теория электромагнетизма.

Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса момента импульса, массы и электрического заряда).

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятии пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

Этот закон был назван законом Стефана — Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре.

Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка в электрон-вольтах (эВ). 1 эВ=1,6 . 10 -19 Дж).

Таким образом, М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться современная физическая теория, называемая квантовой физикой.

Основные свойства фотона:

Является частицей электромагнитного поля.

Движется со скоростью света.

Существует только в движении.

Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью , равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Энергия фотона : .

Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как ,

Импульс фотона . Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества

Источник

Квантовая теория электромагнитного излучения

Данный раздел физики изучает свойства электромагнитного поля и связанных с ним процессов.

Суть квантовой теории электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение частичек тела сопровождается ускорением их движения, что провоцирует выброс внутренней энергии. Данное излучение названо тепловым. Тело, осуществляющее такое излучение теряет внутреннюю энергию, что сопровождается падением его температуры.

Рассмотрим понятие «абсолютно черное тело». Оно способно поглотить всю энергию, с которой сталкивается, не зависимо от ее частоты и температуры. Данное тело получило название черной дыры.

Явление несоответствия результатов опытов положениям теории волн в классическом понимании называется ультрафиолетовой катастрофой.

Мельчайшие частички вещества излучают энергию при помощи квантов, то есть дозировано. Квант электромагнитного излучения – это фотон. К его свойствам относятся:

К параметрам, описывающим процесс теплового излучения, относят:

Законы теплового излучения

Основные законы теплового излучения таковы:
1. Закон Стефана-Больцмана имеет вид:

где \(R_t \) – интегральная светимость черной дыры;
\(T\) – абсолютная температура черной дыры;
\( Q \) – постоянная Стефана-Больцмана.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

2. Закон смещения Вина. Он записывается следующим образом:

где \(λ_m\) – длина волны при наибольшем значении спектральной плотности энергетической светимости черной дыры;
\( T\) – температура черной дыры;
\( b\) – постоянная Вина.

Понятие фотоэффекта

Фотоэффектом есть процесс вышибания электронов из твердых или жидких веществ посредством воздействия на них света.

Постулаты законов фотоэффекта гласят:

Уравнение А. Эйнштейна выглядит так:

Фотон расходует свою энергию на осуществление работы по выходу и передаче кинетической энергии выбитому фотоэлектрону. Работа по выходу при этом минимальна, она требуется для вышибания электрона из металла.

Квантовая гипотеза Планка

Известный физик М. Планк на основании своих экспериментов в начале XX века вывел зависимость для вычисления значения спектральной плотности энергетического свечения черной дыры.

Ученый утверждал, что существует зависимость между частотой и энергией излучения. Из этого следует, что электромагнитному излучению мельчайших частичек тела свойственна дискретность, иными словами, оно осуществляется дозировано – квантами. Энергию кванта рассчитывают по нижеприведенному выражению:

Это излучение способствует ускорению движения частичек, в следствии чего от тела исходит тепло. С ростом энергии, полученной частицей во время удара, растет энергия теплового излучения этой частицы. Однако, количество частиц с высоким значением энергии при конкретной температуре \(Т\) невелико. То есть вероятность излучения значительного количества энергии небольшая.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Положения теории теплового излучения черной дыры, которые предложил Планк, базируясь на квантовой гипотезе, вполне соответствовали опытам.

Теория волн в классическом понимании построена на положении о непрерывном излучении электромагнитных волн. Сравнивая энергию кванта с тепловой энергией, она оказывается бесконечно низкой. Именно поэтому в данном диапазоне частоты классическая теория признает результаты данного эксперимента.

Если рассматривать большие частоты, то энергия кванта очень высока, и это не дает возможности применять привычные положения о непрерывном излучении. В этом и состоит суть ультрафиолетовой катастрофы.
Квантовая теория является достаточно востребованной и используется для характеристики света в условиях небольшой интенсивности, то есть когда число фотонов незначительное.

Не нашли нужную информацию?

Закажите подходящий материал на нашем сервисе. Разместите задание – система его автоматически разошлет в течение 59 секунд. Выберите подходящего эксперта, и он избавит вас от хлопот с учёбой.

Гарантия низких цен

Все работы выполняются без посредников, поэтому цены вас приятно удивят.

Доработки и консультации включены в стоимость

В рамках задания они бесплатны и выполняются в оговоренные сроки.

Вернем деньги за невыполненное задание

Если эксперт не справился – гарантируем 100% возврат средств.

Тех.поддержка 7 дней в неделю

Наши менеджеры работают в выходные и праздники, чтобы оперативно отвечать на ваши вопросы.

Тысячи проверенных экспертов

Мы отбираем только надёжных исполнителей – профессионалов в своей области. Все они имеют высшее образование с оценками в дипломе «хорошо» и «отлично».

Гарантия возврата денег

Эксперт получил деньги, а работу не выполнил?
Только не у нас!

Деньги хранятся на вашем балансе во время работы над заданием и гарантийного срока

Гарантия возврата денег

В случае, если что-то пойдет не так, мы гарантируем возврат полной уплаченой суммы

Отзывы студентов о нашей работе

«Всё сдал!» — безопасный онлайн-сервис с проверенными экспертами

Используя «Всё сдал!», вы принимаете пользовательское соглашение
и политику обработки персональных данных
Сайт работает по московскому времени:

Принимаем к оплате

Источник

Квантовая теория Планка

Вы будете перенаправлены на Автор24

Окружающий нас мир сегодня кардинально отличается по технологиям от всего, что было привычно в обществе еще сотню лет назад. Все это стало вероятным только благодаря тому, что на заре двадцатого столетия исследователи смогли преодолеть барьер и осознать, наконец: любой элемент в самом маленьком масштабе действует не непрерывно. А открыл эту уникальную эру своей гипотезой талантливый ученый – Макс Планк.

Рисунок 1. Квантовая гипотеза Планка. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Именем указанного физика названы:

Изображение Планка было напечатано на купюрах и выбито на монетах. Такая выдающаяся личность своими предположениями смогла покорить общество и стать узнаваемым ученым еще при жизни.

Макс Планк родился в середине девятнадцатого столетия в обычной небогатой немецкой семье. Его предки были служителями церкви и хорошими юристами. Высшее образование физик получил достаточно хорошее, но коллеги-исследователи в шутку называли его «самоучкой». Ключевые знания он получил посредством получения информации из книг.

Формирование теории Планка

Гипотеза Планка родилась из концепций, которые он изначально вывел теоретически. В своих научных работах он пытался описать принцип «наука важнее всего», а во время первой мировой войны ученый не потерял важные связи с зарубежными коллегами из небольших стран Германии. Неожиданные приход нацистов застал Планка его на должности руководителя большой научной группы – и исследователь стремился защитить своих коллег, помогал своим сотрудникам выехать за границу и сбежать от режима.

Готовые работы на аналогичную тему

Так что квантовая теория Планка была не единственной, за что его уважали. Стоит отметить, что ученый никогда не высказывал свое мнение в отношении действий Гитлера, очевидно осознавая, что может нанести не только себе вред, но и тем, кто нуждался в его помощи. К сожалению, многие представители научного мира не приняли такой позиции Планка и полностью прекратили переписку с ним. У него было пятеро детей, и только самый младший смог пережить отца. При этом современники подчеркивают, что только дома физик был самим собой – искренним и справедливым человеком.

Еще с юношеских лет ученый был вовлечен в изучение принципов термодинамики, которые гласят, что любой физический процесс идет исключительно с увеличением хаоса и уменьшением массы или массы.

Планк является первым, кто грамотно сформулировал определение термодинамической системы (в терминах энтропии, которая может наблюдаться только в этой концепции).

Позже именно эта научная работа привела к тому, что была создана известная гипотеза Планка. Также он смог разделить физику и математику, разработав комплексный математический раздел. До талантливого физика все естественные науки имели смешанные корни, а эксперименты проводились на элементарном уровне одиночками в лабораториях.

Гипотеза о квантах

Исследуя энтропию электрических и магнитных волн в пределах терминов осцилляторов и опираясь на научные данные, Планк представил общественности и другим ученым универсальную формулу, которая впоследствии будет названа в честь своего создателя.

Новое уравнение связывало между собой:

После официального представления данной формулы коллеги Планка под руководством Рубенса в течение нескольких дней ставили эксперименты, чтобы с научной точки зрения подтвердить эту теорию. В результате, она оказалась абсолютно верной, но, чтобы обосновать теоретически вытекающую из этого уравнения гипотезу и при этом не допустить математических сложностей, ученому пришлось признать, что электромагнитная энергия излучается отдельными порциями, а не непрерывным потоком, как считалось ранее. Такой метод окончательно разрушил все существующие представления о твердом физическом теле. Квантовая теория Планка совершила настоящую революцию в физике.

Современники считают, что изначально исследователь не осознавал значимость сделанного им открытия. Некоторое время представленная им гипотеза использовалась только как удобное решение для сокращения количества математических формул для вычисления. При этом Планк, как и его коллеги, применяли в своей работе непрерывные уравнения Максвелла.

Использования теории Планка

Благодаря закону Планка общественность получила весомый аргумент в пользу так называемой гипотезы Большого Взрыва, которая объясняет расширение и возникновение Вселенной в результате мощного взрыве с крайне высокой температурой.

Считается, что на ранних этапах своего становления наша Вселенная была полностью заполнена неким излучением, спектральное свойство которого должно совпадать с лучеиспусканием черного тела.

С тех пор мир только расширялся, а затем остыл до нынешней температуры. То есть, излучение, которое на сегодняшний день распространяется во Вселенной, по своему составу должно быть аналогичным альфа-излучению черного вещества с определенной температурой. В 1965 году Вильсон обнаружили данное излучение на длине магнитной волны 7.35 см, которое постоянно падает на нашу планету с одинаковой энергией абсолютно во всех направлениях. Вскоре стало понятно, что это явление может испускать только черное тело, которое возникло после Большого Взрыва. Итоговые показатели измерений свидетельствуют о том, что температура указанного вещества на сегодняшний день составляет 2,7 К.

В итоге на Землю попадает всего лишь половина излучения, которое приходит от Солнца, так как вторая половина будет направляться в противоположную от планеты сторону. Согласно расчетам ученым, средняя температура Земли снизится на 50 K (это температура ниже самой точки замерзания воды).

Источник

В чем заключается суть квантовой гипотезы планка

Планк Макс (1858–1947) – немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой теории. Работы относятся к термодинамике, теории теплового излучения, теории относительности, квантовой теории, истории и методологии физики, философии науки. Вывел закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела. Ввел фундаментальную постоянную с размерностью действия. Формула Планка для теплового излучения сразу же получила экспериментальное подтверждение.

В своих расчетах Планк выбрал наиболее простую модель излучающей системы (стенок полости) в виде гармонических осцилляторов (электрических диполей) со всевозможными собственными частотами. Здесь Планк следовал Рэлею. Но Планку пришла мысль связать с энергией осциллятора не его температуру, а его энтропию. Оказалось, что полученное выражение хорошо описывает экспериментальные данные (октябрь 1900 г.). Однако обосновать свою формулу Планк смог только в декабре 1900 года, после того, как более глубоко понял вероятностный смысл энтропии, на которую указал Больцман ( ).

Термодинамическая вероятность – число возможных микроскопических комбинаций, совместимое с данным состоянием в целом.

В данном случае это число возможных способов распределения энергии между осцилляторами. Однако, такой процесс подсчета возможен, если энергия будет принимать не любые непрерывные значения, а лишь дискретные значения, кратные некоторой единичной энергии. Эта энергия колебательного движения должна быть пропорциональна частоте.

Итак, энергия осциллятора должна быть целым кратным некоторой единицы энергии, пропорциональной его частоте.

Минимальная порция энергии

То, что – это гениальная догадка Макса Планка.

Принципиальное отличие вывода Планка от выводов Рэлея и других в том, что «не может быть и речи о равномерном распределении энергии между осцилляторами».

Окончательный вид формулы Планка:

Из формулы Планка можно получить и формулу Рэлея–Джинса, и формулу Вина, и закон Стефана–Больцмана.

· В области малых частот, т.е. при ,

, поэтому ,

отсюда получается формула Рэлея–Джинса:

· В области больших частот, при , единицей в знаменателе можно пренебречь, и получается формула Вина:

· Из (1.6.1) можно получить закон Стефана–Больцмана:

Введем безразмерную переменную , тогда

Подставив в (1.6.3) эти величины и проинтегрировав, получим:

То есть получили закон Стефана–Больцмана: .

Таким образом, формула Планка полностью объясняла законы излучения абсолютно черного тела. Следовательно, гипотеза о квантах энергии была подтверждена экспериментально, хотя сам Планк не слишком благосклонно относился к гипотезе о квантовании энергии. Тогда было совершенно не ясно, почему волны должны излучаться порциями.

Для универсальной функции Кирхгофа Планк вывел формулу:

излучения черного тела во всем интервале частот и температур (рис. 1.3). Теоретически вывод этой формулы М. Планк представил 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества. Этот день стал датой рождения квантовой физики.

Из формулы Планка, зная универсальные постоянные h, k и c, можно вычислить постоянную Стефана–Больцмана σ и Вина b. С другой стороны, зная экспериментальные значения σиb, можно вычислить h и k (именно так было впервые найдено числовое значение постоянной Планка).

Таким образом, формула Планка не только хорошо согласуется с экспериментальными данными, но и содержит в себе частные законы теплового излучения. Следовательно, формула Планка является полным решением основной задачи теплового излучения, поставленной Кирхгофом. Ее решение стало возможным лишь благодаря революционной квантовой гипотезе Планка.

Источник