Квантовая гипотеза планка кратко
Обновлено: 05.07.2024
До конца 19 века ньютоновская физика доминировала в научном мировоззрении. Однако, к началу 20-го века физики обнаружили, что законы классической механики не применяются в атомном масштабе.
Фотоэлектрический эффект не может быть рационализирован на основе существующих теорий света, поскольку увеличение интенсивности свечения не приводит к тому же результату, что и увеличение частоты волны.
Планк постулировал, что энергия света пропорциональна частоте, а постоянная, которая их связывает, известна как постоянная Планка (h). Его работа привела к тому, что Альберт Эйнштейн определил, что свет существует в дискретных квантах энергии или фотонах.
Где c - постоянная 3,0 x 10 8 м / с (скорость света в вакууме), [latex] \ lambda [/ latex] = длина волны в метрах и [latex] \ nu [/ latex] = частота в герцах (1 / с). Важно отметить, что с помощью этого уравнения можно определить длину волны света от заданной частоты и наоборот.
Длина волны электромагнитного излучения. Показано расстояние, используемое для определения длины волны. Свет имеет много свойств, связанных с его волновой природой, и длина волны частично определяет эти свойства.
Больше доказательств для теории энергии частиц:
Спектр излучения газообразного азота. Каждая длина волны испускаемого света (каждая цветная линия) соответствует переходу электрона с одного энергетического уровня на другой, высвобождая квант света с определенной энергией, цветом.
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:
E = h ν (1)
C оотношение (1) называется формулой Планка, а коэффициент пропорциональности h - постоянной Планка.
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:
h = 6 , 63 * 10 - 34 Дж с ( 2 )
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.
Опыты Столетова
В своих экспериментах А.Г.Столетов использовал фотоэлемент собственной конструкции.
В стеклянную колбу, из которой выкачан воздух (чтобы не мешать лететь электронам), введены два электрода: цинковый катод K и анод A . На катод и анод подается напряжение, величину U которого можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром V .
Катод освещается ультрафиолетовыми лучами УФ через специальное кварцевое окошко, сделанное в колбе (стекло поглощает ультрафиолет, а кварц пропускает). Ультрафиолетовое излучение выбивает с катода электроны e , которые разгоняются напряжением U и летят на анод. Включенный в цепь миллиамперметр mA регистрирует электрический ток. Этот ток называется фототоком, а выбитые электроны, его создающие, называются фотоэлектронами.
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.
Полученная кривая показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и в разных направлениях; максимальную скорость, которую имеют фотоэлектроны в условиях опыта, обозначим v .
e = - 1,6 10 -19 Кл - его заряд. Рис. 2 . Характеристика фотоэлемента
Будем постепенно увеличивать напряжение, т. е. двигаться слева направо вдоль оси U из отрицательных значений в положительные.
Поначалу тока по-прежнему нет, но точка разворота электронов становится все ближе к аноду. Наконец, при достижении напряжения U з , которое называется задерживающим напряжением, электроны разворачиваются назад в момент достижения анода (иначе говоря, электроны прибывают на анод с нулевой скоростью). Имеем:
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.
При достаточно больших положительных значениях напряжения ток достигает своей предельной величины I н , называемой током насыщения, и дальше возрастать перестает - напряжение, ускоряющее электроны, становится настолько велико, что анод захватывает вообще все электроны, выбитые из катода в каком бы направлении и с какими бы скоростями они не начинали движение. Дальнейших возможностей увеличиваться у фототока нет.
Законы фотоэффекта
Величина I н тока насыщения - количество электронов, выбиваемых из катода за одну секунду. Будем менять интенсивность света, не трогая частоту. Опыт показывает, что ток насыщения меняется пропорционально интенсивности света.
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
Гипотеза Планка — является предположением того, что атомы испускают электромагнитную энергию (свет) отдельными порциями — квантами, а не непрерывно.
Гипотеза Планка — является предположением того, что атомы испускают электромагнитную энергию (свет) отдельными порциями — квантами, а не непрерывно.
Энергия каждой порции является пропорциональной частоте излучения:
где h = 6,63 • 10 -34 Дж • с — является постоянной Планка,
v — является частотой света.
Эта формула является второй из простых великих формул физики (первая — это формула Эйнштейна, которая связывает энергию покоя тела с его массой). Квантовая теория начала развиваться после открытия Планка.
Постоянная Планка (квант действия) — является фундаментальной физической константой, была введена М. Планком в 1900 году. Самое точное значение постоянной Планка h = 6,626176(36) • 10 34 Дж • с.
Однако, чаще всего пользуются постоянной Дж • с, также называемой постоянной Планка.
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:
- одна из физических теорий,
- научное сообщество в Германии,
- квантовое уравнение,
- астероид,
- кратер на Луне ,
- современный космический телескоп.
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.
Формирование теории Планка
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:
- длину волны;
- энергию и насыщенность действия электромагнитного поля;
- температуру светового излучения, которое предназначалось в значительной мере для абсолютно черного вещества.
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.
Смущала исследователей только постоянная $h$, которая никак не могла получить физический смысл. Только позже Пауль Эренфест и Альберт Эйнштейн, тщательно исследуя новые явления радиоактивности и изучая математические обоснования оптическим спектрам, смогли понять всю важность теории Планка. Известно, что научный доклад, на котором впервые была озвучена формула квантования энергии, открыл век новой физики.
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).
Читайте также: