Зародження квантової теорії. Вивчення явищ дифракції, інтерференції і поляризації світла привело до утвердження в кінці XIX ст. електромагнітної хвильової теорії світла. Експериментально було доведено, що світлові хвилі відрізняються від радіохвиль лише довжиною. Випромінювання електромагнітних хвиль у радіодіапазоні відбувається під час прискореного руху електронів (коливань електронів в антені радіопередавача). Світлові хвилі випромінюють розжарені тіла (наприклад, вольфрамова нитка у лампі розжарювання). Згідно з теорією Максвелла випромінювання видимого світла нагрітим тілом можна пояснити коливальним рухом електронів, але з частотою, значно вищою, ніж в антені радіопередавача. Проте теорія Максвелла не пояснює розподілу енергії у спектрі випромінювання розжареного тіла. Саме розв’язання проблеми розподілу енергії випромінювання нагрітого тіл а між різними довжинами хвиль привело до створення квантової фізики.

Будуємо атом

Опис

Побудуйте атоми з протонів, нейтронів і електронів, і подивіться, як змінюються номери елементів, їх заряд і маса. Потім зіграйти в гру, щоб перевірити свої ідеї!

Приклади навчальних цілей

• Використовуйте протони, нейтрони і електрони для створення моделей атомів, визначте елемент, і його масу і заряд.

• Передбачте, як додавання або віднімання з протонів, нейтронів, електронів змінюють елемент , його заряд і масу.

• Використовуйте ім'я елемента, масу і заряд для визначення числа протонів, нейтронів і електронів.

• Дайте визначення протона, нейтрона, електрона, атому та іона.

• Згенеруйте ізотопний символ для атома, враховуючи кількість протонів, нейтронів і електронів.

Нільс Бор у 1913 р. запропонував удосконалений варіант планетарної моделі атома, що усувала суперечність із класичною фізикою і враховувала експериментальні факти й припущення, викладені у працях М.Планка та А.Ейнштейна (який у 1905 р. передбачив, що будь-яке випромінювання є потоком енергії, що випромінюється порціями енергії – фотонами).

В основу своєї теорії Бор поклав квантові постулати:

1. Електрон в атомі може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових, станах, кожному з яких відповідає певна енергія. У стаціонарному стані електрон рухається по орбіті радіусом г і енергію не випромінює.

2. Перехід атома з одного стаціонарного стану в інший супроводжується випромінюванням чи поглинанням фотонів, енергію яких визначають за формулою hv_kn=Е_к - Е_п, де k і п – цілі числа (номери стаціонарних станів), якщо Е_к >Е_п фотон випромінюється, якщо Е_к <Е_п – поглинається.

Слід зазначити, що постулати Бора і його модель атома вважають правильними і сьогодні, попри великий поступ науки, оскільки вони є прямим вираженням експериментальних фактів.

Планетарна модель атома, запропонована Резерфордом, ― це спроба застосувати класичні уявлення про рух тіл до явищ атомних масштабів. Ця спроба виявилася неспроможною. Класичний атом нестійкий. Електрони, що рухаються по орбіті з прискоренням, повинні неминуче впасти на ядро, втративши всю енергію на випромінювання електромагнітних хвиль.

Квантові постулати Н. Бора усувають протиріччя між твердженнями класичної теорії і наявним результатом тривалого існування атомів.

постулати Бора дали можливість пояснити властивості атома водню (його розмір, спектральні лінії, енергію іонізації).

Проте теорія Бора не змогла пояснити властивості інших атомів. Для послідовності обґрунтування властивостей атомів та інших об’єктів мікросвіту була створена нова фізична теорія – квантова механіка.

Перший постулат Бора, який спростовував фундаментальні положення класичної фізики, був експериментально підтверджений у 1913 р. дослідами Д.Франка і Г.Герца, які досліджували залежність сили струму від напруги у скляній колбі, заповненій парою ртуті. Досліди Д.Франка і Г.Герца підтверджують, що атоми перебувають у певних стаціонарних станах. У дослідах Д. Франка і Г.Герца залежність сили струму від напруги не лінійна: за певної напруги існують максимальні значення струму.

Електрон-вольт (еВ) – це енергія, якої набуває електрон під дією прискорювальної напруги 1 В: 1 еВ=1,6∙10^-19 Дж

Формула Рідберґа, яка була встановлена емпірично раніше від побудови теорії Бора, нині являє собою у складі теорії Бора співвідношення, яке дає змогу обчислити величину випромінюваної електроном енергії в залежності від того, між якими за номерами енергетичними рівнями відбувається обмін електроном. У зв'язку з цим виділяють такі серії:

• серія Лаймана, що відповідає переходу електрона на першу орбіту з другої, третьої і т. д.

• серія Бальмера, коли електрони переходять на другу орбіту з третьої, четвертої і т. д.

• серія Пашена, коли переходять електрони на третю орбіту або на третій рівень з четвертої, п'ятої і т. д.

Поглинання світла — процес зворотний випромінюванню. Атом, поглинаючи світло переходить із нижчих енергетичних станів до вищих. При цьому він поглинає випромінювання з такою самою частотою, що й випромінює.

Абсолютно чорне тіло – модельне уявлення фізики. Абсолютно чорним вважають тіло, яке при будь-якій температурі поглинає повністю всю енергію світла, що падає на нього, відповідно випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла найкраща за усі інші тіла при тій самій температурі. Його наближеною моделлю є малий отвір у порожнистій непрозорій сфері: світловий промінь, попадаючи через цей отвір усередину, внаслідок багаторазового відбивання від стінок повністю поглинається, і отвір ззовні практично є абсолютно чорним тілом. Наближено за абсолютно чорне тіло приймають чорний оксамит, сажу, чорний папір.

У природі абсолютно чорних тіл не існує, навіть чорна сажа поглинає не більше ніж 99% електромагнітних хвиль. З іншого боку, якби абсолютно чорне тіло тільки поглинало електромагнітні хвилі, то з часом температура такого тіла стала б нескінченно великою. Тому чорне тіло випромінює енергію, причому поглинання і випромінювання можуть відбуватися в різних частотах. Однак при деякій температурі встановлюється рівновага між випромінюваною та поглиненою енергіями. Залежно від рівноважної температури колір абсолютно чорного тіла не обов’язково буде чорним – наприклад, сажа в печі при високій температурі має червоний або навіть білий колір.

Резерфордівське розсіювання

Опис

Як Резерфорд з'ясував будову атома, не будучи в змозі бачити його? Імітація знаменитого експерименту, в якому він спростував пудингову моделі будови атома, спостерігаючи, як альфа-частинки відскакують від атомів і визначивши, що атом повиннен мати невелике ядро.

Приклади навчальних цілей

• Якісно опишіть розходження між розсіюванням на позитивно зарядженому ядрі і електрично-нейтральному атомі-пудингу

• Для зарядженого ядра якісно опишіть, як кут відхилення частинок залежить від: енергії частинок, заряду мішені

Електрон у запропонованій Ернестом Резерфордом у 1911 р. ядерній планетарній моделі обертається навколо важкого позитивного ядра, а такий рух є прискореним. Тож електрон мав би випромінювати під час свого руху хвилю, проте цього не відбувається.

Гіпотеза Макса Планка. Вихід з критичного стану був запропонований у 1900 р. німецьким фізиком М.Планком. На відміну від зрозумілого уявлення про те, що поглинання і випромінювання світлових хвиль відбувається неперервно, М.Планк припустив, що тіло випромінює світло окремими порціями, які він назвав квантами енергії. Енергія кванта пропорційна частоті випромінювання, . Коефіцієнт пропорційності й дістав назву сталої Планка. h=6,63∙10³⁴ Дж∙с.

Спектр чорного тіла

Опис

Чи відрізняється спектр абсолютно чорного тіла від Сонця в порівнянні з видимим світлом? Дізнайтеся про спектр абсолютно чорного тіла для Сіріуса, сонця, лампочки, печі, і землі. Відрегулюйте температуру так, щоб побачити довжину хвилі і інтенсивність спектру. Подивіться, який колір піку спектральної кривої.

Приклади навчальних цілей

• Опишіть, що відбувається зі спектром чорного тіла під час підвищення чи зниження температури. Що відбувається з формою кривої та вершиною цієї кривої?

• Опишіть спектр лампочки чорного тіла. Чому лампочки нагріваються? Чи вони є ефективними?

• Уявіть, що ви бачите 2 гарячі об'єкти, що світяться - один світиться оранжевим, а інший світиться синім. Який з них гарячіший?

• Знайдіть залежність між температурою та довжиною хвилі на піку кривої.