Тема № 3. Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц

СЕМИНАР

Понятия

Тепловое излучение, абсолютно черное тело, квант, электрон, нейтрон, элементарные частицы, античастицы, термоядерный синтез.

Принцип

Принцип дополнительности.

Ученые

Макс Планк, Джозеф Джон Томсон, Эрнст Резерфорд, Эрнест Марсден, Нильс Бор, Луи де Бройль, Джеймс Чедвик, Дмитрий Дмитриевич Иваненко, Вернер Гейзенберг, Поль Дирак.

Темы сообщений и презентаций

1. Постулаты Бора.

2. Классификация элементарных частиц.

3. Теория кварков.

План семинара

1. Проблема излучения абсолютно черного тела.

2. Корпускулярно-волновая природа света.

3. Первые модели атома.

4. Принцип дополнительности.

5. Частицы и античастицы.

6. Фундаментальные взаимодействия.

В фундаменте современной физики находятся две теории – теория относительности и квантовая механика. У них разные сферы применения. Теория относительности описывает движение макроскопических тел со скоростями, близкими к скорости света. Макроскопические тела состоят из колоссального количества атомов и молекул. Это тела, которые нас окружают в повседневной жизни. Квантовая механика описывает поведение микроскопических объектов. Это элементарные частицы, атомы, молекулы, иными словами, объекты значительно меньшие, чем человеческое тело.

Рождение квантовой механики связано с проблемой излучения абсолютно черного тела. Для ее решения немецкий физик Макс Планк предложил гипотезу квантов. Она означала разрыв с классическими представлениями о тепловом излучении тел.

С помощью гипотезы квантов физики создали теорию строения атома. Квантовая механика лежит в основании теорий, изучающих фундаментальные взаимодействия.

1. ПРОБЛЕМА ИЗЛУЧЕНИЯ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА

Излучение, испускаемое нагретыми телами, называется тепловым.

Нагретые тела являются источником теплового излучения. Причем, оно возникает не только при высоких температурах, но и при комнатной температуре.

Нагретые тела не только испускают, но и поглощают тепловое излучение. Опыт показывает: чем лучше тело испускает тепловые лучи при определенной температуре, тем лучше оно поглощает такие же лучи при той же температуре. Особенно хорошо поглощают свет черные тела, такие как сажа, бархат.

Тело, которое поглощает всю энергию падающего на него света, называется абсолютно черным телом.

Хорошей моделью абсолютно черного тела является сферическая полость, изнутри покрытая сажей, имеющая небольшое отверстие. Абсолютно черных тел не существует – это абстракция.

Любое нагретое тело состоит из огромного количества атомов. Каждый атом совершает колебания с различными частотами и поэтому является источником электромагнитного излучения. Поэтому нагретое тело излучает электромагнитные волны разной длины и частоты. Физиков интересовала задача, как в излучении абсолютно черного тела распределяется энергия между разными длинами волн. Это распределение досконально изучалось в многочисленных экспериментах. Законы, открытые физиками-теоретиками, правильно описывали лишь определенную часть спектра электромагнитных волн, либо коротковолновую, либо длинноволновую. Но стремления теоретически получить универсальную формулу, которая бы описывала всю шкалу электромагнитных волн, долгое время успеха не приносили. Излучение абсолютно черного тела объяснялось на основе классической физики, и это приводило к абсурдным результатам, которые противоречили закону сохранения энергии.

Проблему излучения абсолютно черного тела блестяще решил великий немецкий физик Макс Планк (1858 ‒ 1947). Он понял причину, по которой проблема излучения абсолютно черного тела не могла быть решена на основе классической физики. Без тени сомнения считалось, что излучение и поглощение электромагнитных волн – непрерывные процессы. Планк пришел к выводу, что именно это утверждение является ошибочным, и его необходимо пересмотреть.

В 1900 году Планк выступил с докладом об излучении абсолютно черного тела на заседании Берлинского физического общества. Он предложил новую формулу распределения энергии в спектре абсолютно черного тела, которая полностью соответствовала экспериментальным данным по всей шкале электромагнитных волн. Он теоретически вывел эту формулу, основываясь на своей гипотезе.

Гипотеза Планка. Абсолютно черное тело испускает и поглощает энергию определенными порциями.

Их Планк назвал квантами. Слово «quantum» в переводе с латинского означает количество.

Энергия кванта равна

E = hν,

где Е – энергия кванта, ν – частота излучения. Величина h называется постоянной Планка. Она является мировой константой и равна

h = 6,62·10^–34 Дж·с.

Излучающее тело испускает энергию, кратную энергии кванта, подобно тому, как в любой стране любая сумма денег является величиной, кратной минимальной денежной единице этой страны.

Гипотеза Планка оказалась революционной. Она явилась началом новой эпохи в развитии физики. Ее стали использовать для объяснения тех явлений, которые не могла описывать классическая физика.

Date: 2015-07-24; view: 686; Нарушение авторских прав