Онлайн

Наглядная физика. Квантовая физика

ИНТЕРАКТИВНЫЕ МОДЕЛИ 

1. Фотоэлектрический эффект
2. Изучение закономерностей внешнего фотоэффекта
3. Давление света. Измерение светового давления
4. Опыт Резерфорда
5. Ядерная модель атома (модель Резерфорда)
6. Ядерная модель атома (модель Бора)
7. Ядерная модель атома (квантовая модель)
8. Модель атома водорода
9. Излучение и поглощение света атомами
10. Лазер
11. Наблюдение треков в камере Вильсона
12. Устройство и действие счетчика ионизирующих частиц
13. Протонно-нейтронная модель строения атома
14. Ядерные реакции
15. Радиоактивное излучение (в магнитном поле)
16. Радиоактивное излучение (поглощение)
17. Цепные ядерные реакции
18. Процесс деления ядер на основе капельной модели ядра
19. Ядерный реактор
20. Взаимодействие элементарных частиц.

Фотоэлектрический эффект

model projectorВнешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.
Основным в теории фотоэффекта является гипотеза световых квантов — свет представляет собой поток фотонов. 
 
  
Подробнее

 
Фотоэффект можно представить как результат двух последовательных процессов: 1) поглощение кванта света электроном, 2) вылет электрона за пределы вещества.
Из закона сохранения энергии, при поглощении фотонов электронами и вылете электрона, следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

k1

где h – постоянная Планка, v - частота света, m – масса электрона, u – скорость вылетающего электрона. При этом важно, что электрон не может поглотить лишь часть энергии фотона. Поэтому энергия hv превращается в кинетическую энергию электрона, часть Aвых которой затем тратится на совершение работы выхода. Это полностью объясняет результаты экспериментальных исследований фотоэффекта.

Три закона внешнего фотоэффекта

1. При фиксированной частоте электромагнитного излучения, падающего на фотокатод, сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего на катод света (т.е. числу фотонов, падающих на поверхность катода в единицу времени).
2.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и линейно зависит от его частоты.
3.Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота электромагнитного излучения v0 = Aвых / h , при которой фотоэффект ещё возможен.
В компьютерной модели установки для изучения фотоэффекта имеется трубка, из которой откачан воздух и внутри расположены две пластины, присоединенные к источнику напряжения, и в ту же цепь включены приборы для измерения силы тока и напряжения. Одна из пластин освещается светом, параметры которого можно изменять.

Изучение закономерностей внешнего фотоэффекта

model projector test
Компьютерная модель установки для изучения фотоэффекта позволяет производить измерения физических величин. Можно изменять напряжение на электродах трубки (и менять полярность приложенного напряжения), измерять это напряжение вольтметром, измерять силу тока в цепи. 
 
 
Подробнее
Можно также изменять параметры освещения, изменять частоту и интенсивность освещения. Для проведения опыта нужно установить значения всех параметров, кроме двух, один из них изменяют, а другой – измеряют. Разумеется, это лишь идеализированная модель. Реальный фотоэффект гораздо сложнее.
Опыт 1. Построение вольт-амперной характеристики внешнего фотоэффекта.
Изменяя напряжение, измеряем силу фототока и по результатам измерений строим график зависимости силы тока от напряжения (при различных частотах света).
Опыт 2. Измерение зависимости силы фототока от интенсивности.
Изменяем интенсивность, измеряем силу фототока и по результатам измерений строим график зависимости силы фототока от интенсивности света.
Эксперимент доказывает, что при фиксированной, достаточно высокой, частоте света, падающего на фотокатод, сила фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего на катод света (т.е. пропорциональна числу фотонов, падающих на поверхность катода в единицу времени).
Опыт 3. Измерение кинетической энергии фотоэлектронов.
Измеряем величину запирающего напряжения, изменяя интенсивность света. Измеряем величину запирающего напряжения, изменяя частоту света, и по результатам измерений строим график зависимости запирающего напряжения от частоты.
Эксперимент доказывает, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и линейно зависит от его частоты.
Опыт 4. Измерение красной границы фотоэффекта.
Изменяя частоту света, измеряем минимальную частоту электромагнитного излучения и по результатам измерений строим графики зависимости фототока от частоты света для фотокатодов из различных материалов.
Эксперимент доказывает, что для каждого фотокатода красная граница фотоэффекта, равна
ν0=Aвых /h

Давление света

model lightСветовое давление нормально падающего света равно
light pressure image003

где W – энергия фотонов, падающих на единичную площадь поверхности за 1 с, R - коэффициент отражения освещенной поверхности (т.е. из n упавших фотонов R∙n фотонов отражается).

Подробнее

При одинаковой интенсивности светового излучения давление света на зеркальную поверхность
(R = 1) в два раза больше давления на черную поверхность (R = 0), поглощающую свет.
Для экспериментального исследования давления света используются два легких металлических диска, подвешенных на тонкой упругой нити в стеклянном сосуде, из которого откачен воздух. Один диск – зеркальный и хорошо отражает падающий на него свет. Другой диск – черный и хорошо поглощает падающий свет.
Если на один из дисков направить пучок света, то под действием давления света равновесие нарушается и диски поворачиваются, закручивая нить. По углу закручивания упругой нити можно измерить момент сил давления, вызывающих этот поворот. Для измерения угла закручивания нити к поворачивающейся системе прикреплялось плоское зеркальце, которое отбрасывало на шкалу световой «зайчик». При повороте дисков «зайчик» перемещается по шкале и его перемещение пропорционально углу поворота и расстоянию между зеркальцем и шкалой.

Опыт Резерфорда

model rutherfordДж. Дж. Томсоном в 1903 г. предложил физическую модель атома, известную под названием «пудинг с изюмом». В этой модели положительный заряд и масса атома равномерно распределены в шаре (диаметром примерно 10–¹º м), в котором распределены отрицательно заряженные электроны – пудинг, в котором распределены отрицательно заряженные электроны – как изюминки в пудинге.
Подробнее
При этом вся система нейтральна.
В 1908-1911 г. профессор Эрнест Резерфорд со своими сотрудниками провели опыты по рассеянию α-частиц очень тонкой (толщиной около 400 нм) золотой фольгой.
Исследовав углы рассеяния (отклонения) α-частиц, проходящих через фольгу, было обнаружено рассеяние частиц на очень большие углы и даже удалось зафиксировать рассеянные α-частицы, летящие практически в обратном направлении. Это означало, что на α-частицы действовали большие силы, которых не могло быть в модели Томсона. Так что эти эксперименты показали несостоятельность модели Томсона.
Резерфорд предположил, что атом состоит из очень маленького ядра, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, а также почти вся его масса. Отрицательно заряженные электроны окружают это ядро. Резерфорд провел теоретические расчеты углов рассеяния в рамках собственной модели и модели Томсона и сравнил полученные результаты с экспериментом. Летящие α-частицы отклоняются ядром, но не электронами, т. к. масса α-частицы примерно в 8000 раз больше массы электрона. Сила кулоновского отталкивания α-частицы от ядра-мишени пропорциональна 1/r² и для получения больших сил ядро должно быть очень маленьким. Резерфорд показал, что диаметр ядра около 10-¹4 м, а атома – примерно 10–¹º м.

Ядерная модель атома (модель Резерфорда)

model YadernayaModel01Согласно модели Резерфорда атом имеет очень маленькое, но массивное ядро (размером d≈10–14 м), несущее заряд +Ze. Вокруг этой центральной области расположены Z электронов нейтрального атома.
Все электроны движутся около ядра под действием кулоновских сил притяжения.
 
 
Подробнее
Если электрон находится а расстоянии r, то сила кулоновского притяжения к ядру равна:

 image05 001                    (1)

По второму закону Ньютона приравниваем эту силу к произведению массы электрона на его центростремительное ускорение, получаем:

 image05 002                (2)

где υ2/r – центростремительное ускорение. Из уравнения (2) выражаем mυ2 и находим кинетическую энергию электрона

image05 003           (3)

Потенциальная энергия системы

 image05 004                 (4)

Знак «минус» означает, что в данной системе действуют силы притяжения, а не отталкивания, поскольку отрицательный электрон притягивается к положительно заряженному ядру.