Гипотеза Планка
«Ультрафиолетовая катастрофа»
Как вы знаете из курса физики основной школы, есть три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Напомним, что при теплопередаче энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому, то есть от тела, имеющего более высокую температуру, к телу с более низкой температурой. Два тела находятся в тепловом равновесии, если их температуры равны.
При исследовании условий теплового равновесия вещества с излучением учёные обнаружили сильнейшее противоречие между теорией и экспериментом.
Расчёты, основанные на теории Максвелла, предсказывали, что тепловое равновесие между веществом и излучением может иметь место только при абсолютном нуле температуры (-273 °С).
Это означало, что любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, должно посредством излучения отдавать энергию электромагнитному полю до тех пор, пока тело не охладится до абсолютного нуля. Другими словами, вещество во всей Вселенной давным-давно должно было бы остыть до абсолютного нуля, отдав всю внутреннюю энергию электромагнитному полю.
Опыт же неопровержимо свидетельствует, что тепловое равновесие между веществом и излучением возможно при любой температуре: оно устанавливается в результате излучения и поглощения телом электромагнитных волн (рис. 28.1).
Это «катастрофическое» несоответствие предсказаний классической физики и опыта учёные образно назвали «ультрафиолетовой катастрофой», потому что расчёты, выполненные в рамках теории Максвелла, показывали, что ответственными за это противоречие теории с экспериментом являются электромагнитные волны с очень малой длиной волны, то есть находящиеся за фиолетовой границей спектра видимого света.
Кванты света
Общий принцип науки гласит: если теория противоречит опыту, надо изменять теорию. И в 1900 году немецкий физик М. Планк высказал предположение, которое выходило за рамки теории Максвелла, но объясняло результаты опытов.
Планк предположил, что
|
свет излучается и поглощается веществом отдельными порциями — квантами1, причём энергия кванта Е и частота излучения ν связаны соотношением
|
Это предположение назвали гипотезой Планка. Её схематически поясняет рисунок 28.2.
Величину h назвали постоянной Планка. Измерения показали, что
h = 6,626 • 10-34 Дж • с.
Возможные ответы:
Явление фотоэффекта
В конце 19-го века немецкий учёный Г. Герц обнаружил, что свет может вырывать электроны из металла.
Поставим опыт
Направим свет ртутно-кварцевой лампы на цинковую пластину, соединённую с электроскопом (рис. 28.3). Под действием излучения лампы пластина приобретает положительный электрический заряд. Это означает, что под действием света из цинковой пластины вылетают электроны.
|
Вырывание электронов из вещества под действием света называют фотоэффектом.
|
1. Как установить на опыте, что цинковая пластина приобретает под действием излучения положительный заряд?
На рисунке 28.4 схематически изображена установка для исследования фотоэффекта.
В баллон, из которого откачан воздух, помещены электроды 1 и 2. Поток света падает на электрод 1 и вырывает из него электроны. Часть электронов попадает на электрод 2, в результате чего между электродами 1 и 2 возникает электрический ток. Его называют фототоком. Силу фототока измеряют миллиамперметром, а напряжение между электродами — вольтметром.
2. В какую сторону направлен фототок: от электрода 1 к электроду 2 или наоборот?
На рисунке 28.5 приведён полученный на опыте график зависимости силы фототока от напряжения между электродом 2 и электродом 1.
Мы видим, что, если разность потенциалов между электродом 2 и электродом 1 положительна и достаточно велика, сила фототока становится равной Iн. Это значение силы тока называют током насыщения: при таком значении силы фототока все вырываемые светом электроны достигают электрода 2.
Если же разность потенциалов между электродом 2 и электродом 1 отрицательна и по модулю больше определённого значения Uз, которое называют задерживающим напряжением, сила фототока равна нулю. Объясняется это тем, что кинетическая энергия вырванных электронов недостаточна, чтобы они смогли преодолеть отталкивание от отрицательного электрода 2.
3. Объясните, почему максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов связана с модулем задерживающего напряжения соотношением
Здесь m, υ — масса и скорость электрона, е — модуль заряда.
Подсказка. Воспользуйтесь законом сохранения энергии и связью между напряжением и работой электрического поля.
4. Задерживающее напряжение в опыте по фотоэффекту равно 5 В. Чему равны:
а) максимальная кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов?
б) максимальная скорость фотоэлектронов?
Законы фотоэффекта
В начале 20-го века несколько учёных, в том числе российский физик А. Г. Столетов, установили на опыте следующие законы фотоэффекта.
1. Количество электронов, вырываемых светом ежесекундно с поверхности металла, пропорционально поглощённой энергии света.
2. Максимальная кинетическая энергия вырванных электронов Ек линейно возрастает при увеличении частоты ν падающего света (рис. 28.6).
3. Когда частота v падающего света меньше некоторого определенного значения νmin (называемого красной границей фотоэффекта), фотоэффект не наблюдается (см. рис. 28.6).
Название «красная граница фотоэффекта» объясняется тем, что значение νmin ограничивает частоту вызывающего фотоэффект света со стороны малых частот, то есть больших длин волн света. А большие длины волн соответствуют «красной» части видимого спектра.
Однако в действительности красная граница фотоэффекта далеко не всегда соответствует красному цвету. Например, для цинка красная граница фотоэффекта лежит в ультрафиолетовой области, поэтому в описанном выше опыте и понадобилась ртутно-кварцевая лампа, которая испускает ультрафиолетовое излучение. Для калия красная граница фотоэффекта соответствует жёлтому цвету, а для цезия — оранжевому.
Может ли классическая физика объяснить законы фотоэффекта?
Первый закон фотоэффекта можно объяснить с помощью классической физики. Однако второй и третий законы фотоэффекта не находят в ней объяснения, и вот почему.
Согласно второму закону фотоэффекта максимальная кинетическая энергия вырванных электронов линейно возрастает при увеличении частоты падающего света. Согласно же классической электродинамике энергия световой волны зависит только от её амплитуды и не зависит от частоты.
По той же причине не находит объяснения в рамках классической физики и третий закон фотоэффекта: она не может объяснить, почему фотоэффект прекращается при достаточно малой частоте света.
Возможные ответы:
