Кванттық физика. Квант теориясының шығуы

Кванттық физика

Квант теориясының шығуы.

Квант теоиясының шығуы

КВАНТ ТЕОРИЯСЫНЫҢ ШЫҒУЫ

Физикада болған ең ұлы төңкеріс XX ғасырдың бас кезіне дәл келеді. Тәжірибеде байқалған жылулық сәуле шығару (қызған дененің электромагниттік толқьшдар шығаруы)

спектрлерінде энергияның үлестірілу заңдылықтарын түсіңдіру мүмкін болмады. Максвеллдің сан рет тексерілген электромагнетизм заңда-рьш заттың қысқа электромагниттік толқындар шығару

проблемасына қолданбақшы болғанда, кенет "қарсылық көрсетті". Бұл заңдардың антеннаның электромагниттік толқындардың бәрын осы заңдар негізінде алдын ала айтуы таңқаларлық еді.

Максвеллдің қызға

н дене электромагниттік толқындар шығару салдарынан үнемі энергия жұмсап шығындана отырып, абсолют нелге дейін салқындауы тиіс деген электродинамикасы мағынасыз түжырым жасауға келтірілгенді.

Классикалық теория

бойынша зат пен толқын шығару арасында жылулық тепе-теңдік болуы мүмкін емес. Алайда күнделікті тәжірибеде шындығында мүндай ешнәрсе жоқ екенін көрсетеді. Қызған дене өзінің барлық энергиясын

электромагниттік толқын шығаруға жұмсайды.

Теория мен тәжірибе арасындағы осы қарама-қайшылықтан шығудың

жолын іздеу барысында неміс физигі Макс П л а н к атомдар электромаг-ниттік энергияны жеке порциялармен

- кванттармен шығарады деп болжаған. Әрбір порцияның Е энер-гиясы оны шығару жиілігі у-те тура пропорционал':

Е = Һу.

Пропорционалдық коэффициенті һ Планк тұрақшысы деп аталды.

Планк болжамының езі нақтылы классикалық физика заңдары мик-родүние құбылыстарында қолданыл-майды дегенді білдіретін еді.

Планк жасап шығарған жылулық сәуле шығару теориясы экспериментпен

тамаша үйлесті. Тәжірибеден белгілі энергияның жиіліктерге қарай үлестірілуі бойынша Планк

тұрақтысының мәні анықталған бола-тын. Ол өте кішкене болып шықты:

һ = 6, 63 ■ 1(Г34Дж с.

Келесі параграфта біз

басқа бір физикалық қүбылысты қарастырамыз, бұл арқылы да Планк тұ-рақтысын оңайырақ тәсілмен анықтауга болады. Теория - кванттық теория дами бастады. Оның дамуы бұл күнге дейін аяқталған жоқ.

Планк теориясы қиыншылықтардан шығу жолын көрсетіп берді.

Макс Планк

Макс Планк (1858-1947) - немістің үлы теоретик-физигі, квант теориясының - қозғалыстың, микроскопиялық бөлшек-тердің өзара әсерлері мен өзара ауысуларының қазіргі кездегі теориясыныц негізін салушы. 1900 ж.

тепе-тендік жылулык сәуле шығаруға арналған жұмысында Планк алғаш рет мынадай болжам енгізді: осциллятор (гармоникалық тербелістер жасайтын) энергиясы тербеліс жиілігі г-те пропорционал дискреттік мәндер

қабылдайды. Осциллятор электромагниттік энергияны жеке һ порциялармен шығарады. Планк термодинамиканы дамытуға үлкен үлес қосты.

Фотоэффект

Жарық табиғаты жөнінде кванттық ұғымдары дамытуда маңызды қадам Г. Герц ашқан және орыстың атақты физигі Александр Григорьевич Столетов мұқият зерттеген тамаша қүбылысты қатыстырудан басталды. Бұл құбылыс фотоэффект деген атақ алды.

Жарықтың әсерінен заттардан электрондардың ыршып шыгуы фо-тоэффект деп аталады.

Фотоэффектіні бақылау. Фотоэф-

фектіні анықтау үшін мырыш пласти-

на қосылған электрометрді қолдануға болады) . Егер пластинаны оң зарядтайтын болсақ,

онда пластинаны жарықтандыру, мысалы электр доғасымен, электрометрдің разрядталу шапшаңдығына әсер етпейді. Бірақ егер пластина теріс зарядталған болса, онда доғадан шығатын жарық шоғы электрометрді өте тез разрядтайды.

Мұны бір ғана жолмен түсіңдіруге болады. Жарық электрондарды плас-тинаның бетінен ыршытып шыгарады. Егер ол теріс зарядтала, электровдар одан тебіліп, электро-

метр разрядталады. Пластинада оң зарад болғанда жарық әсерінен ыршып шыққан электрондар пластинаға тартылады да, оның бетіне қайта шөгеді. Сондықтан электрометрдің заряды езгермейді.

Бірақ жарық ағынының жольгаа әдеттегі шыньшы қойсақ, қаншалықты интенсивті жарық ағынын жібергенмен, теріс зарядталған пластина электрондарын жоғалтпайды.

Шынының ультракүгін саулелерді

жтатыны

белгілі

болғандықтан, бүл тәжірибеден фотоэффект тудыратын спектрдің ультракүлгін белігі деген қорытынды жасауға болады. Сырттай қарағанда

онша күрделі емес бүл фактіні жарықтың толқындық теориясы түсіндіре алмайды. Аз жиілікті жарық толқыңдары, тіпті олардың амплитудалары өте үлкен, демек, электрондарға әсер ететін күш үлкен болса да не себепті

электрондарды ыршытып шыгара алмайтыны түсініксіз жағдай.

Фотоэффект заңдары. Фотоэффект туралы толығырақ түсінік алу үшін, заттың бетінен жарықтың әсерінен ыршып шығатын электрондардың (фотоэлектрондардың

) саны неге байланысты екенін және олардың жылдамдығын немесе кинетика-

лық энергиясын анықтап алу қажет. Осы мақсатпен эксперименттік зерттеулер жасалған, олар мьнадай. Ішінен ауасы сорылып алынған шыны

баллонның ішіне екі электрод салы-нады Тек көрінетін жарық үшін ғана емес, сондай-ақ ультракүлгін сәулелер үшін де мөлдір, шағын кварц "көз" арқылы баллон ішіңдегі электродтардың біріне жарық түседі. Электродтарға кернеу

беріледі, оны потенциометрдің жәрдемімен өзгертіп, вольтметрмен елшеуге болады. Жарықталынатын электродқа батареяның теріс полюсі қосылады. Бүл электрод жарықтың әсерінен электрондар шығарады, олар

электр өрісінде қозғалып, электр то-

гын туғызады. Кернеу аз болғанда, жарық әсерінен ыршып шыққан элек-трондардың бәрі бірдей екінші элек-тродқа жете бермейді. Егер жарық ағьшын өзгертпей

электродтардың арасындағы потенциалдар айырмасьш арттырсақ, онда ток күші көбейеді. Кернеудің белгілі мәнінде, ток күші максимал мәніне жетеді де, одан әрі артпайды Ток күшінің максимал мәні Ік қанығу тогы

деп аталады. Қанығу тогы жарықталы-натын электродтың 1 с ішінде шығаратын электрондарының сан-ымен анықталады.

Бүл тэжірибеде жарық ағынын өзгерте отырып, мынадай қарапайым тәуелділікті анықтау мүмкін болады: жарьщтьщ метсииі бетінен 1 с ішінде ыршытып шыгаратын элек-трондарының мөлшері сол уақыт ішінде жүтылатын жарық энергия-сына тура пропорционал. Мүнда то-сын ешнәрсе жоқ: түсетін жарық шоғынъщ

энергиясы неғүрлым көп болса, оның әсері соғүрлым күшті болады.

Енді электрондардың кинетикалық энергияларын (не жылдамдықтарын) өлшеуге тоқталайық. берілген графиктен нөлдік кернеуде де фототоктың күші нөлден езгеше екені керінеді. Бүл - жарықтың әсерінен ыршытып шығарылған электровдардың бір белігі кернеу болмағанда да оң жақтағы электродқа жете алатьпшн керсетеді. Егер батареяның полюстігін әзгертсек,

онда ток күші азаяды да, кері полюстіктің кандай да бір кернеуінде ол нөлге тең бола-ды. Ол - электр өрісі ыршып шыққан электрондарды толық тоқтағанша тежейді де, сонан соң оларды электродқа қайта қайырады деген сөз.

Тежеуші кернеу жарық ыршытып шығарған электрондардың максимал кинетикалық энергиясына тәуелді. Тежеуші кернеуді елшеп, кинетикалық энергия жөніндегі

теореманы қолдансақ электрондар-дың кинетикалық энергиясының мак-симал мәнін табуға болады:

Жарықтың интенсивтігі сәуле шығару ағынының

тығыздығы езгерген кезде, тәжірибелер көрсеткендей, тежеуші кернеу өзгермейді. Бүл - электрондардың кинетикалық энергиясы өзгермейді дегенді біддіреді. Жарықтың толқындық теория

сы тұрғысынан бұл факті түсініксіз. Жа-рық интенсивтігі неғұрлым көп

болған сайын, жарық толқьшының электромагаиттік өрісі тарапьшан электрондарға соғұрлым зор әсер етеді және электрондарға соғұрлым көп энергия берілуі тиіс қой.

Жарық ыршытып шығаратын электрондардың кинетикалық энергиясы жарық жиілігіне ғана тәуелді екені тәжірибелерден байқалады. Фо-тоэлектрондардьщ максимал кине-

тикальщ энергиясы жарық жиілігіне қарай сызықты турде артады да, жарықтың интенсивтігіне тәуелді болмайды. Егер жарық толқынының

Фотоэффект теориясы

Фотоэффект құбылысының Максвелл электродинамикасы заңдары негізінде түсіндіруге ұмтылудың бәрі нәтижесіз болды. Ол заңдар бойынша жарық -

кеңіс-тікке үздіксіз таралған электро-магниттік толқын. Фото-

электрондар энергиясы неліктен жарықтың жиілігімен ғана анықталатынын және толқын үзындығы шағын болғанда ғана электрондар-ды ыршытып шығаратынын түсінуге болмайтын еді.

1905 жылы Эйнштейн Планктің жарықтың үздікті шығарылуы туралы идеясын әрі қарай

дамыта отырып, фотоэффектіге түсінік берген еді. Фо-тоэффектінің эксперименттік завда-рында Эйнштейн жарықтың уздікті екендігінің және жеке порциялармен жутылатындыгының сенімді тур-дегі дәлелдемесін керді. Жарық шығарудың әрбір порциясының Е энергиясы Планк гипотезасымен то-лық сәйкес жиілікке пропорционал:

жиілігі берілген зат үшін анықталған қавдай да бір минимал уп1і„ жиілігінен кіші болса, овда фотоэффект болмайды.

Фотоэффект заңдары түрі жағынан алғанда қарапайым. Бірақ электрондардың кшіетикалық энергиясының жиілікке тәуелділігі жұмбақ нәрсе болып көрінеді.

? 1. Планк тұрақтысы неге тең? 2. Фото-эффектінің негізгі заңдары не жөнінде?

мүндағы һ - Планк түрақтысы.

Планк көрсеткендей, жарық пор-циямен шығарылады дегеннен жа-рықтың езінің қүрылымы үздікті екен деуге болмайды. Жаңбыр да жерге тамшы түрівде түседі ғой, ал

бүдан бүлақтағы су бөлінбейтін белшектерден - тамшылардан түзіледі деген үғым тумайды. Тек фотоэффект қүбылысы ғана жарықтың қүрылымы үздікті екенін көрсетті: жарық энер-гиясьшың шығарылған Е = һа> порци-ясы өзінің даралығының жарықтың бүдан кейінгі таралу процесінде де сақтайды. Тек барлық порциясы ғана түгелдей жұтыла

алады.

Фотоэлектронның кинетикалық эгергиясьш энергияның сақталу заңьгаың жәрдемімен табуға болады.

Жарық порциясының энергиясы шығару жүмысы А деп аталатын жүмысқа, яғни электронды металдан бөліп алып, электронға кинетикалық энергия беру үшін істелуге тиіс жүмысқа тең. Ендеше,

Бұл тендеу фотоэффектіге қа-тысты негізгі фактілерді түсіндіреді. Эйнштейнше жарықтың интенсивтігі жарық шоғындағы энергия квантта-рының (порциялар) санына пропор-ционал және сондықтан металдан ыршып шыққан санын анықтайды. Электрондардың жылдамдығы теңдеу бойынша тек жарық жиілігіне және металдың тегі мен оның бетінің күйіне

тәуелді шығу жұмысы арқылы анықталады. Ол жарықтың интенсивтігіне байланысты емес.

Жарықтың V жиілігі белгілі бір минимал мәнінен артық болса ғана, кез келген заттың фотоэффектісі байқалады. Электроңды ме-талдан, оған кинетикалық энергия берместен, ыршытып шығару үшін, А шығару жұмысы істелуі тиіс. Ендеше, кванттың энергиясы бұл жұмыстан артық болуы керек.

тік утт жиілікті фотоэф-фектінің қызыл шекарасы деп атайды. Ол былай ернектеледі

Шығару жұмысы А заттың тегіне тәуелді. Сондықтан әр түрлі заттар үшін фотоэффектінің шектік гтіп жиілігі де (қызыл шекара) түрліше болады.

Мырыш үшін қызыл шекараға Ямах = 3, 7 X 1(Г7 м толқьш үзындығы (ультракүлгін сәуле) сәйкес келеді. Ультракүлгін сәулелерді тежеп қалатын шыны пластинаның

кемегімен фотоэффектіні тоқтату

женінен істелетін тәжірибе соған сүйеніп түсіндіріледі.

Алюминийдің немесе темірдің шығару жұмысы, мырышқа қарағанда артық. Сондықтан сипатталған тәжірибеде мырыш Л, „ах пластина пайдаланады. Сілтілі

металдардың шығару жүмысы, керісінше аз да, қызыл шекараға сәйкес келетін А, „ах = 6, 8 ■ 10~ м толқын үзындығы үлкен. Мысалы, натрий үшін

Атах = 6, 8 • 1(Г7 М.

Эйнштейннің (8. 2) теңдеуінен һ Планк тұрақтысын анықтауға болады. Бұл үшін жарықтың жиілігін, А шығару жүмысын эксперимент жүзінде анықтау және фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясын елшеу керек. Осы тектес өлшеулер мен есептеулерден былай болады:

һ = 6, 63 • 1(Г34 Дж • с.

Қазіргі физикада фотон олардың элементар белшектерінің бірі ретінде қарастырылады. Элементар белшектердің кестесі көп жылдан бері фотоннан басталады.

Фотонның знергиясы мен ипульсі. Жарық сәуле шығаруы және жұтылуы кезіндегі қасиеттері энергия-сы Е = Ы> болатьш жиілік тәуелді бөлшектердің ағынына ұқсас. Жа-рықтың порциясы күтпеген жерден бөлшек деп атау

қабылданғанға ұйқас болып шықты. Сәуле шығару және жұтылу кезінде байқалатын жа-рықтың қасиеттері корпускулалық деп аталады. Жарық бөлшегінің езі фотон немесе жарық кванты деген атақ алды.

Ұқсас жұмыстар

КВАНТ САНДАРЫ

Кванттық физика тарихы және тарихи деректерді физика пәнін оқытуда қолдану әдістемесін оқыту

АТОМ ҚҰРЫЛЫСЫ КВАНТ - МЕХАНИКАЛЫҚ ТЕОРИЯСЫНЫҢ ЕРЕЖЕЛЕРІ

Атомның кванты - механикалық моделі

Жарықтың кванттық қасиеттерімен түсіндірілетін физика

Атомның кванты - механикалық моделі. Квант сандары. ПЖ құрылысы: периодтар, топшалар, s, p, d - элементтер

Атомдық физика. Лазерлер

Нанотехнологияға кіріспе. Нанотехнологиялардағы кванттық эффектілер

Фотоэффект құбылысын түсіндіру

БИОЛОГИЯЛЫҚ ОБЪЕКТІЛЕРДІҢ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯСЫ

Пәндер