Главное меню

  • К списку уроков
Гипотеза Планка о световых квантах. Формула Планка.
27.02.2014 9618 0


Цель: ознакомить с новым разделом квантовой физики. Сформулировать гипотезу Планка. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Изучение нового материала

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

1.  Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемир­ного тяготения.

2. Разработана молекулярно-кинетическая теория.

3. Подведен прочный фундамент под термодинамику.

4. Завершена максвелловская теория электромагнетизма.

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

В конце XIX - начале XX вв. открыты:

В. Рентгеном - Х-лучи;

А. Беккерелем - явление радиоактивности;

Дж. Томсоном - электрон.

Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятий пространства и времени. Специальные опыты доказали справедливость гипотезы Д. 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.

Для теоретического рассмотрения законов излучений использо­вали модель абсолютно черного тела, т. е. тела, полностью погло­щающего электромагнитные волны любой длины. Австрийские фи­зики И. Стефан и Л. Больцман экспериментально установили, что полная энергия, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с едини­цы поверхности пропорциональная четвертой степени абсолютной температуры:

Е = оТ\

Закон был назван законом Стефана-Больцмана. Он позволил вы­числить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре. По заданным значениям температуры интенсивность излучения черного тела максимальна и соответствует определенному значению длины волны.

Немецкий физик В. Вин обнаружил, что при изменении темпера­туры длина волны, на которую приходится

Используя законы термодинамики В. Вин получил закон распре­деления энергии в спектре черного тела, который совпадает с экспе­риментальными результатами.

Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку более строгого тео­ретического вывода закона распределения энергии. Его закон приво­дит к хорошему совпадению с опытами в области малых частей. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать на ~v2. Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафио­летовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. За­труднения в согласовании теории и результатов эксперимента полу­чили название ультрафиолетовой катастрофы. Законы, полученные Максвеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой рас­пределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела.

В самом конце прошлого века Макс Планк (1858-1947), как и мно­гие до него, искал универсальную формулу для спектральной функции абсолютно черного тела. Ему повезло больше, чем другим - вначале он ее просто угадал, хотя появилась она не вдруг: два года напря­женных размышлений потребовались Планку, чтобы объединить в одной формуле разрозненные куски единой картины явления тепло­вого излучения.

19 октября 1900 г. происходило очередное заседание Немецкого физического общества, на котором экспериментаторы Генрих Рубенс (1885-1922) и Фердинанд Курлбаум (1857-1927) докладывали о но­вых, более точных измерениях спектра абсолютно черного тела. По­сле доклада состоялась дискуссия, в ходе которой экспериментаторы сетовали на то, что ни одна теория не может объяснить их результа­ты. Планк предложил воспользоваться своей формулой. В ту же ночь Рубенс сравнил свои измерения с формулой Планка и убедился, что она правильно, до мельчайших подробностей, описывает спектр аб­солютно черного тела. На утро он сообщил это коллеге и близкому Другу Планку и поздравил его с успехом.

Однако План был теоретик и потому ценил не только оконча­тельные результаты теорий, но и внутреннее их совершенство. К тому же он и не знал, что открыл новый закон природы, и верил, что его можно вывести из ранее известных. Поэтому он стремился тео­ретически обосновать закон излучения, исходя из простых посылок кинетической теории материи и термодинамики. Последовали два месяца непрерывной работы и предельного напряжения сил. Ему это удалось. Но какой ценой! В процессе вычислений он предположил, что энергия испускается порциями (или квантами), которые опреде­ляются формулой:

E = hv,

где v- частота излучения; h - постоянная Планка.

III. Закрепление изученного

-     Как согласно гипотезе Планка абсолютно черное тело излучает энергию?

-     Согласно электродинамике Максвелла нагретое тело, непре­рывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Так ли это в действительности?

-     За счет чего получена теория теплового излучения Планка в применении к макроскопическим системам?

-     Что происходит с максимумом интенсивности излучения при увеличении температуры нагретого тела?

-     Какие явления изучает квантовая физика?

IV, Подведение итогов урока

Домашнее задание

§  48  Упражнение 37. Задачи с  задачника по Рымкевич А.П