Гипотеза Планка о световых квантах. Формула Планка Физика 9 класс
Тема: Гипотеза Планка о световых квантах. Формула Планка.
Цель урока: повторить пройденный материал по теме «Тепловое излучение. Абсолютно черное тело» и подготовить учащихся к тестированию;
познакомить учащихся с Гипотезой Планка о световых квантах. Формулой Планка;
содействовать закреплению полученных знаний;
научиться применять полученные знания по квантовой теории при решении задач;
развивать познавательную активность школьников с помощью проблемных вопросов, исторического материала.
коррекионно-развивающие:
способствовать умению выделять значимые и существенные параметры;
совершенствование кратковременного запоминания и оперативного воспроизведения образов памяти.
Знать: Гипотезу Планка о световых квантах. Формулу Планка.
Уметь: применять знания по квантовой теории при решении задач.
Тип урока: комбинированный урок.
Ход урока
Организационный этап /Задачи: Обеспечить нормальную рабочую обстановку на начало урока, подготовить учащихся к общению, умению слушать и слышать
Формулирование целей урока вместе с уч-ся. Раскрытие общей цели урока и плана его проведения
Этап проверки выполнения домашнего задания. / Задачи: Выявить пробелы в знаниях и способах деятельности уч-ся и определить причины их возникновении
Фронтальный опрос (5 мин)
Какое излучение называется тепловым?
/Излучение телом электромагнитных волн за счет своей внутренней энергии называется тепловым излучением/
Абсолютно черное тело …
/Тело, которое при любой, не разрушающей его температуре, полностью поглощает всю энергию падающего на него света любой частоты, называется абсолютно черным телом/
Что такое равновесное излучение?
Почему согласно классической электродинамике волны должны были бы отобрать у частиц всю энергию теплового движения?
Ультрафиолетовая катастрофа …
Тестирование учащихся (6 мин)
Этап усвоения новых знаний
/Задачи: Обеспечить восприятие, осмысление и первичное запоминание материала
Работа в группах: Обсуждение вопросов в группах с последующей их защитой
Противоречие, которое возникло между теорией Максвелла и опытными данными?
Зарождение квантовой теории; выход, который предложил М. Планк?
Гипотеза Планка
Основные свойства фотона
/Законы электромагнетизма, полученные Максвеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой распределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела. При удалении от этого значения интенсивность электромагнитного излучения плавно убывает.
Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля, что противоречило закону сохранения энергии. Согласно классической теории тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт показывает, что ничего подобного в действительности нет. Нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнитных волн./
Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, Осенью 1900 г., сопоставив все полученные к этому времени результаты, М. Планк сумел «угадать» формулу, которая полностью соответствовала экспериментальной кривой. Для того, чтобы вывести эту формулу, ему потребовалось пожертвовать классическими представлениями и представить, что энергия излучения состоит из отдельных малых и неделимых частей – квантов.
Начинается зарождение квантовой теории
Выход, который предложил М. Планк?
Сообщение о М.Планке.
М. Планк указывает путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться современная физическая теория, называемая квантовой физикой
Исследуя вопросы излучения света, немецкий физик М. Планк (1858-1947) выдвигает идею о том, что излучение света происходит не непрерывно, как это следует из волновой теории света, а отдельными порциями – квантами (от латинского «квантум» - количество, масса), или, иначе, фотонами.
Выяснилось, что те явления, которые связаны с испусканием и поглощением света веществом, можно объяснить, лишь считая, что световое излучение – поток квантов. Но те явления, которые связаны с распространением света в какой-либо среде, полностью объяснялись только с помощью электромагнитной теории света.
Это означает, что природа света двойственна, что ни корпускулярная, ни волновая теория в отдельности не может правильно описать и объяснить все свойства светового излучения и что для этого должна быть создана новая теория на основе объединения корпускулярной и волновой теорий. Такой новой теорией явилась квантовая теория света, созданная трудами М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора и др.
Гипотеза Планка
По квантовой теории свет испускается атомами и молекулами вещества, находящимися в возбужденном состоянии. Примерно через 10 -8 с после возбуждения атом переходит в более устойчивое состояние, излучая освободившуюся энергию в виде фотона в окружающую среду. Энергия кванта зависит от изменения энергии атома при переходе в более устойчивое состояние и выражается формулой Планка: , где - частота колебаний в электромагнитном излучении, испускаемом атомом, h - постоянная Планка, равная . Таким образом, энергия кванта пропорциональна частоте электромагнитного излучения или в вакууме обратно пропорциональна длине волны . Следовательно, чем короче длина световой волны в вакууме, тем больше энергия ее квантов, и наоборот.
Таким образом, световое излучение в одних случаях обладает ярко выраженными волновыми свойствами, а в других – корпускулярными (корпускулярно-волновой дуализм).
Опытом установлено, что фотон существует только в процессе движения и всегда имеет скорость, равную . При остановке фотон исчезает, т.е. он не имеет массы покоя. В этом проявляется отличие фотонов от электронов, протонов и др. частиц вещества.
Свет излучается и поглощается веществом не непрерывно, а отдельными порциями – квантами.
Причем энергия такого кванта определялась величиной E = h·ν , h – постоянная Планка.
По современным данным h = 6,626·10 -34 Дж·с.
Однако в то время не было прямых экспериментальных доказательств существования квантов излучения. В результате идея Планка воспринялась большинством физиков как «ловкий фокус», не имеющий серьезных научных оснований.
После открытия Планка начала развиваться новая, самая современная и глубокая физическая теория – квантовая теория. Развитие ее не завершено и по сей день.
Гипотезы М. Планка и А. Эйнштейна не только кардинально меняли все классические представления об электромагнитном излучении как сугубо волновом процессе, но и позволили предсказать существование принципиально новой элементарной частицы. Это - частица электромагнитного излучения, получившая название фотон (от греческого слова, означающего «свет»), реально существует в природе, что вскоре было подтверждено в многочисленных экспериментах.
Планк делает заключение: законы классической физики совершенно не применимы к явлениям микромира!!!
Как была определена постоянная Планка?
Из опыта распределения энергии теплового излучения в спектре h = 6,63·10 –34 Дж с
Когда впервые были обнаружены квантовые свойства материи?
Впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света Герцем, Столетовым.
Но это тема нашего следующего урока.
Гипотеза Планка – 1900г – атомы испускают электромагнитную энергию
Е = h ν порциями - квантами
Квантовая физика ФОТОН
Е = h ν 4. m 0 = 0 ( покоя, т.е. в покое её нет )
q = 0 5. p = mc = h/ λ Е = mc 2
υ = c = 3*10 8 м/c m ф = hν/c 2
Реальная микрочастица, из них состоит электромагнитное излучение
Перечислите основные свойства фотона
1) Является частицей электромагнитного поля. Легко зарождается и легко исчезает
2) Отсутствует масса покоя (m0 = 0 – покоящихся неподвижных фотонов не существует)
3) Движется со скоростью света
4) Остановить фотон нельзя
5) Фотон не делится на части. Он испускается, отражается, преломляется, поглощается только целиком
6) импульс фотона направлен по световому пучку, указывает на связь корпускулярных и волновых свойств света
р – импульс частицы; λ – длина волны; ν – частота; это характеристики волны
Фотон – ультрарелятивистская частица, в вакууме скорость света υ = с = 3·10 8 м/с
Массу фотона следует рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией. Измерить массу фотона невозможно.
Как и почему свет излучается и поглощается веществом не непрерывно, а отдельными порциями – квантами.
Подведение промежуточных итогов.
Этап проверки понимания и закрепления нового материала учащимися нового материала
/ Задачи: Установить правильность и осознанность изученного материала. Обеспечить закрепление в памяти учащихся знаний и способов действий, которые им необходимы для самостоятельной работы по новому материалу
Работа в группах
Задания по группам (решение задач)
Выработать критерии оценивания выполнения работы
Подведение промежуточных итогов.
Информации учащимся о домашнем задании, инструктаж по его выполнению
/Задачи: Обеспечить понимание целей, содержания и способов выполнения д/з
Домашнее задание: § 48, (упражнение № 38)
Этап подведения итогов урока
/Задачи: Дать качественную оценку классу и отдельным учащимся/.
Наш урок окончен. Я думаю, что он не прошел для вас впустую, и вы будете помнить о том важном, что прозвучало сегодня на уроке.
Противоречие, которое возникло между теорией Максвелла и опытными данными?
Обсуждение вопроса в группе с последующей защитой
Зарождение квантовой теории; выход, который предложил М. Планк?
Обсуждение вопроса в группе с последующей защитой
Гипотеза Планка
Обсуждение вопроса в группе с последующей защитой
Основные свойства фотона
Основоположником квантовой физики считается немецкий физик-теоретик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк. Именно он в 1900 г. заложил основы квантовой теории, предположив, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается отдельными порциями – квантами.
Позже было доказано, что любому излучению присуща прерывность.
Из биографии
Родился Макс Планк 23 апреля 1858 г. в г. Киле. Его отец, Иоганн Юлиус Вильгельм фон Планк, был профессором права. В 1867 г. Макс Планк начал обучаться в Королевской Максимилиановской гимназии в Мюнхене, куда к тому времени переехала его семья. В 1874 г.Планк закончил гимназию и занялся изучением математики и физики в Мюнхенском и Берлинском университетах. Планку был всего 21 год, когда в 1879 г. он защитил свою диссертацию «О втором законе механической теории тепла», посвящённую второму началу термодинамики. Через год он защищает вторую диссертацию «Равновесное состояние изотропных тел при различных температурах» и становится приват-доцентом факультета физики в Мюнхенском университете.
Весной 1885 г. Макс Планк – экстраординарный профессор кафедры теоретической физики Кильского университета. В 1897 г. был издан курс лекций Планка по термодинамике.
В январе 1889 г. Планк приступил к выполнению обязанностей экстраординарного профессора кафедры теоретической физики Берлинского университета, а в 1982 г. он стал ординарным профессором. Одновременно он возглавил Институт теоретической физики.
В 1913/14 учебном году Планк занимал пост ректора Берлинского университета.
Квантовая теория Планка
Берлинский период стал наиболее плодотворным в научной карьере Планка. Занимаясь проблемой теплового излучения с 1890 г., в 1900 г. Планк предположил, что электромагнитное излучение не является непрерывным. Оно излучается отдельными порциями – квантами. А величина кванта зависит от частоты излучения. Планком была выведена формула распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела. Он установил, что свет испускается и поглощается порциями-квантами с определённой частотой колебаний. А энергия каждого кванта равна частоте колебания, умноженной на постоянную величину , получившую название константы Планка.
E = hn , где n – частота колебаний, h –константа Планка.
Константу Планка называют основной константой квантовой теории , или квантом действия .
Это величина, связывающая величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой. Но так как любое излучение происходит квантами, то константа Планка справедлива для любой линейной колебательной системы.
19 декабря 1900 г., когда на заседании Берлинского физического общества Планк доложил о своём предположении, стал днём рождения квантовой теории.
В 1901 г. на основе данных по излучение чёрного тела Планку удалось вычислить значение постоянной Больцмана . Он также получил число Авогадро (число атомов в одном моле) и установил величину заряда электрона с высочайшей точностью.
В 1919 г. Планк стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1918 г. за заслуги «в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии».
В 1928 г. Максу Планку исполнилось 70 лет. Он вышел в формальную отставку. Но сотрудничество с Обществом фундаментальных наук кайзера Вильгельма не прекратил. В 1930 г. он стал президентом этого общества.
Планк был членом академий наук Германии и Австрии, научных обществ и академий Ирландии, Англии, Дании, Финляндии, Нидерландов, Греции, Италии, Венгрии, Швеции, США и Советского Союза.Германское физическое общество учредило медаль Планка. Это высшая награда этого общества. И первым почётным её обладателем стал сам Макс Планк.
(порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию , пропорциональной частоте ν излучения:
где h или - коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка . На основе этой гипотезы он предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением - формулу Планка .
Позднее гипотеза Планка была подтверждена экспериментально .
Выдвижение этой гипотезы считается моментом рождения квантовой механики .
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Гипотеза Планка" в других словарях:
гипотеза Планка
Философская энциклопедия
гипотеза - ГИПОТЕЗА (от греч. hypothesis основа, предположение) особого рода знание, а также особый процесс развития знания. Г. в первом смысле слова это обоснованное (не полностью) предположение о причинах явления, о ненаблюдаемых связях между… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки
H, одна из универсальных числовых констант природы, входящая во многие формулы и физические законы, описывающие поведение материи и энергии в масштабах микромира. Существование этой константы было установлено в 1900 профессором физики Берлинского … Энциклопедия Кольера
- (от греч. hipothesis основание, предположение) положение, выдвигаемое в качестве предварительного, условного объяснения некоторого явления или группы явлений; предположение о существовании некоторого явления. Г. может касаться существования… … Словарь терминов логики
Эта статья о немецком физике. Другие значения термина в заглавии статьи см. на Планк (значения). Макс Планк Max Planck … Википедия
Квантовая механика … Википедия
- (от греч. antinomia противоречие в законе) рассуждение, доказывающее, что два высказывания, являющиеся отрицанием друг друга, вытекают одно из другого. Характерным примером логической А. является «Лжеца» парадокс. Наибольшую известность из… … Философская энциклопедия
Plancksche Hypothese - Planko hipotezė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Planck’s hypothesis vok. Plancksche Hypothese, f rus. гипотеза Планка, f pranc. hypothèse de Planck, f … Fizikos terminų žodynas
Книги
- Инвективы против закона возрастания энтропии, усиленные гипотезой о фрактальности Вселенной , Хайтун С.Д.. Сомнения автора в справедливости закона возрастания энтропии обусловлены тремя соображениями. 1. Верификация этого закона по результатам слежения за уровнем сложности реальных систем…
Революция физики совпала с началом XX века. К концу XIX века ученые считали, что построение физической картины мира практически закончено и следующим поколениям ученых останется только уточнять цифры после запятых в физических константах.
Лорд Кельвин (Рис. 1): «Над физикой стоит ясное небо, все законы физики уже открыты, осталось только два облачка».
Рис. 1. Лорд Кельвин
Первым таким облачком Кельвин считал распространение электромагнитных волн в вакууме с постоянной скоростью без какой-либо среды. Через пять лет появилась теория относительности Эйнштейна. Эта теория заставила изменить представление о пространстве и времени, в котором мы живем.
Второе облачко, по словам Кельвина, – это спектр излучения нагретых тел. Если тело имеет высокую температуру, то оно может стать источником видимого излучения. Трудность состояла в том, что теоретическая физика не могла объяснить спектр излучения нагретого тела. В начале ХХ века эту трудность преодолели, тепловое излучение нагретых тел получило свое объяснение, из этого объяснения появилась новая область физики –квантовая механика .
Английские ученыеРелей и Джинс предприняли попытку объединить законы теплового излучения в один. Этот закон очень хорошо подтверждал экспериментальные данные, но он соответствовал только средней части спектра излучения для желтых и зеленых лучей. Когда происходило смещение в сторону синих, фиолетовых и ультрафиолетовых лучей, то этот закон нарушался.
Из закона Релея-Джинса, следовало, чточем короче длина волны, тем большей должна быть интенсивность теплового излучения (Рис. 2). Ничего подобного на опыте не наблюдалось. А при переходе к коротким волнам, интенсивность должна была расти и вовсе неограниченно, но этого не происходит.
Рис. 2. Закон Релея-Джинса
Нет, и не может быть никакого неограниченного роста интенсивности волн. Если какой-либо физический закон приводит к слову «неограниченно» – это его крах.
Физики это создавшееся положение назвалиультрафиолетовой катастрофой .
В конце XIX века физики не могли предположить, что это катастрофа не частного закона излучения, а катастрофа раздела классической физики.
С 1896 года Макс Планк (Рис. 3) заинтересовался проблемами теплового излучения тел. Любое тело, содержащее тепло, испускает электромагнитное излучение. Если тело достаточно горячее, то это излучение становится видимым.
Рис. 3. Макс Планк
При повышении температуры тело раскаляется докрасна, затем становится оранжево-желтым, и в конце концов – белым (Рис. 4–6).
Рис. 4. Цветность чернотельного излучения
Рис. 5. Цветность чернотельного излучения
Рис. 6. Цветность чернотельного излучения
Многократно проверенные законы электромагнетизма Максвелла не применимы к коротким волнам. Это удивительно, так как эти законы прекрасно описывают распространение радиоволн антенной.
Именно на основании этих законов было предсказано существование электромагнитных волн.
Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу:нагретое тело в результате постоянного излучения электромагнитных волн должно было охладиться до нуля .
С точки зрения классической физики теплового равновесия между веществом и излучением существовать не может. На опыте доказано, что нагретое тело не тратит всю свою энергию на излучение электромагнитных волн.
В 1900 году Макс Планк выдвинул квантовую гипотезу .
Гипотеза Планка:
Нагретое тело испускает и поглощает свет не непрерывно, а определенными конечными порциями энергии – квантами (квант (от лат. quantum) – количество).
Энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения.
универсальная Планка (h ) – постоянная универсальная величина.
Энергия квантов разного цвета имеет разное значение (Рис. 7).
Например:
Рис. 7. Энергия квантов
Энергия светового потока определяется частотой излучения и количеством квантов в потоке.
Новая теория объясняла экспериментальные данные.
Формула Макса Планка позволяет определять различные характеристики квантов электромагнитного изучения.
Решим задачу (Рис. 8–10):
Рис. 8. Задача 1
Максимальная длина волны видимой части света соответствует красному цвету (760 нм).
Рис. 9. Решение задачи 1
подставив числа в формулу, получим результат:
Рис. 10. Решение задачи 1
Решим еще одну задачу (Рис. 11–12):
Рис. 11. Задача 2
Рис. 12. Решение задачи 2
Для определения вида, к которому следует отнести излучение, понадобится электромагнитная шкала (Рис. 13):
Рис. 13. Электромагнитная шкала
Ответ задачи: рентгеновское излучение.
После открытия Планка начала развиваться новая и самая современная физическая теория – квантовая теория. Ее развитие продолжается и сейчас.
Планка, кто ее создатель и насколько важной она стала для развития современной науки. Также показано значение идеи квантования для всего микромира.
Смартфон и квантовая физика
Современный окружающий нас мир сильно отличается по технологиям от всего, что было привычно еще сотню лет назад. Все это стало возможным только благодаря тому, что на заре двадцатого века ученые преодолели барьер и поняли, наконец: вещество в самом маленьком масштабе не непрерывно. А открыл эту эру своим предположением замечательный человек - Макс Планк.
Биография Планка
Его именем названы: одна из физических констант, квантовое уравнение, научное сообщество в Германии, астероид, космический телескоп. Его изображение было выбито на монетах и напечатано на марках и купюрах. Каким же человеком был Макс Планк? Он родился в середине девятнадцатого века в немецкой дворянской небогатой семье. Среди его предков было немало хороших юристов и служителей церкви. Образование М.Планк получил хорошее, но коллеги-физики в шутку называли его «самоучкой». Основные знания ученый получил из книг.
Гипотеза Планка родилась из предположения, которое он вывел теоретически. В своей научной карьере он придерживался принципа «наука важнее всего». В первую мировую войну Планк старался сохранить связи с зарубежными коллегами из стран-противниц Германии. Приход нацистов застал его на должности директора большого научного сообщества - и ученый стремился защитить своих сотрудников, помогал выехать за границу тем, кто бежал от режима. Так что гипотеза Планка была не единственным, за что его уважали. Однако он никогда открыто не высказывался против Гитлера, очевидно понимая, что не только принесет вред себе, но и не сможет помогать тем, кто нуждался в этом. К сожалению, многие физики не приняли такой позиции М. Планка и прекратили переписку с ним. У него было пятеро детей, и только самый младший пережил отца. Старшего сына забрала Первая, среднего - Вторая мировая война. Обе дочери не пережили родов. При этом современники отмечали, что только дома Планк был самим собой.
Источники квантов
Со школы ученый интересовался Оно гласит: любой процесс идет только с увеличением хаоса и потерей энергии или массы. Он был первым, кто сформулировал его именно так - в терминах энтропии, которая может только возрастать в термодинамической системе. Позже именно эта работа привела к тому, что была сформулирована знаменитая гипотеза Планка. Также он был одним из тех, кто ввел традицию разделять математику и физику, практически создав теоретический раздел последней. До него все естественные науки были смешаны, а эксперименты проводились одиночками в лабораториях, которые почти не отличались от алхимических.
Гипотеза о квантах
Исследуя энтропию электромагнитных волн в рамках терминов осцилляторов и опираясь на экспериментальные данные, полученные за два дня до того, 19 октября 1900 Планк представил другим ученым формулу, которую впоследствии назовут его именем. Она связывала между собой энергию, длину волны и температуру излучения (в предельном случае для Всю следующую ночь его коллеги под руководством Рубенса ставили эксперименты, чтобы подтвердить эту теорию. И она оказалась верной! Однако чтобы теоретически обосновать вытекающую из этой формулы гипотезу и при этом избежать математических сложностей типа бесконечностей, Планку пришлось признать, что энергия излучается не непрерывным потоком, как считалось раньше, а отдельными порциями (Е=hν). Такой подход рушил все существующие представления о твердом теле. Квантовая гипотеза Планка совершила революцию в физике.
Последствия квантования
Поначалу ученый не осознавал важность сделанного им открытия. Какое-то время выведенная им формула употреблялась только как удобный способ сократить количество математических операций для вычисления. При этом как Планк, так и другие ученые, использовали непрерывные уравнения Максвелла. Смущала только постоянная h, которой никак не удавалось придать физический смысл. Позже только Альберт Эйнштейн и Пауль Эренфест, разбираясь в новых явлениях радиоактивности и пытаясь найти математическое обоснование оптическим спектрам, поняли всю важность того, что такое гипотеза Планка. Говорят, что доклад, на котором впервые прозвучала формула , открыл эру новой физики. Вероятно, Эйнштейн был первым, кто осознал ее начало. Так что это и его заслуга тоже.
Что квантуется
Все состояния, которые могут принимать любые элементарные частицы, дискретны. Электрон в ловушке может находиться только на определенных уровнях. Возбуждение атома, как и противоположный процесс - эмиссия, тоже происходит скачками. Любые электромагнитные взаимодействия - это обмен квантами соответствующей энергии. Энергию атома человечество обуздало только благодаря пониманию дискретности Надеемся, теперь у читателей не возникнет вопроса, в чем заключается гипотеза Планка, и каково ее влияние на современный мир, а значит, каждого из людей.
Загрузка...