6 Образ природы в неклассическом естествознании квантовая концепция

6. Образ природы в неклассическом естествознании: квантовая концепция. 6. 1. Тепловое излучение тел. 6. 2. Внешний фотоэффект. 6. 3. Волны де Бройля и соотношения неопределенностей. 6. 4. Квантовая механика. Уравнение Шредингера. 6. 5. Физика атома. 6. 6. Физика элементарных частиц. КСЕ

6. 1. Тепловое излучение тел Все тела при температуре, отличной от абсолютного нуля, излучают электромагнитные волны. Две характеристики теплового излучения: Энергетическая светимость тела Ме – мощность, излучаемая по всем направлениям с единицы площади поверхности тела. Спектральная плотность энергетической светимости М , Т – мощность, излучаемая по всем направлениям с единицы площади поверхности тела в единичном диапазоне длин волн. КСЕ

Спектр излучения абсолютно черного тела Абсолютно черное тело: тело, которое поглощает все падающее на него излучение. Модель абсолютно черного тела - полость с маленьким отверстием. КСЕ

Законы излучения абсолютно черного тела • Закон Вина: длина волны, соответствующая максимуму излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его температуре • Закон Стефана-Больцмана: Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна его температуре в четвертой степени КСЕ

Формула Планка M , T Гипотеза Планка: атомы излучающего тела отдают электромагнитную энергию порциями (квантами) КСЕ

6. 2. Внешний фотоэффект Явление испускания электронов поверхностью металла под действием света КСЕ

Законы внешнего фотоэффекта 1. Количество вылетевших электронов пропорционально интенсивности света. 2. Максимальная скорость vmax электронов зависит только от частоты света. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта 3. Для каждого вещества существует минимальная частота гр, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта граничная частота называется красной границей фотоэффекта. Из условия = Авых: КСЕ

Квантово-волновой дуализм света Свет одновременно представляет собой волну и поток частиц – фотонов. Фотон – частица с массой покоя, равной нулю, движущаяся всегда со скоростью света в вакууме с = 3· 108 м/с. Энергия фотона Импульс фотона КСЕ

6. 3. Волны де Бройля. Соотношение неопределенностей Гипотеза де Бройля: Каждый микрообъект проявляет себя одновременно и как частица и как волна. Джордж Томсон, английский физик, 1928 г. дифракция при прохождении пучка электронов через тонкую золотую фольгу. КСЕ

Гипотеза Луи де Бройля Формулы, связывающие параметры частицы и волны те же, что и для фотона: Волны де Бройля характеризуют вероятность нахождения частицы вблизи рассматриваемой точки пространства. Вероятностный, случайный характер поведения микрообъектов ограничивает применение по отношению к ним таких классических понятий, как импульс, энергия, координата. КСЕ

Соотношения неопределеностей В. Гейзенберг, немецкий физик (1901 -1976 г. ): «понятия обычного языка не подходят для описания строения атома» . Произведение неопределенности импульса на неопределенность координаты частицы по порядку величины не может быть меньше постоянной Планка Произведение неопределенности полной энергии частицы на время ее пребывания в этом состоянии по порядку величины не может быть меньше постоянной Планка КСЕ

Принцип дополнительности Постоянная Планка – квант действия – величина, определяющая масштаб изменения квантующихся характеристик. Две взаимоисключающие характеристики – энергетически-импульсная и пространственновременная взаимно дополняют друга. Принцип дополнительности Бора: всякое истинно глубокое явление природы требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих понятий. КСЕ

6. 4. Квантовая механика. Уравнение Шредингера Эрвин Шрёдингер, австрийский физик (1887 -1961 г. ) получил волновое уравнение для микрообъектов. Стационарное уравнение Шредингера Е – полная энергия частицы; U – потенциальная энергия; - волновая функция; КСЕ

Физический смысл уравнения Шредингера и волновой функции Квадрат модуля волновой функции | |2 определяет вероятность нахождения частицы в элементе объема пространства d. V: • В отличие от динамических зависимостей классических теорий в квантовой механике используются статистические зависимости. • Уравнение Шредингера описывает эволюцию системы. • Уравнение имеет решение только при некоторых значениях энергии Е, т. е. энергия частицы квантуется. КСЕ

6. 5. Физика атома Джозеф Томсон, английский физик 1897 г. открытие электрона. Опыты Резерфорда 1908 г. – облучение тонких металлических пластинок - частицами: 1/10000 часть частиц отражалась на большой угол. Создана планетарная модель атома. КСЕ

Противоречия планетарной модели атома 1. При движении по окружности электроны по теории Максвелла будут излучать волны. 2. Спектр излучения должен быть сплошным, а на опыте он линейчатый. 3. Излучая энергию, электроны потеряют энергию и упадут на ядро. По классической теории атом нестабилен! КСЕ

Современная модель атома Из решения уравнения Шредингера следует, что состояние электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами: n = 1, 2, 3, … - главное квантовое число. Определяет энергию электрона и размеры электронного облака. l = 0, 1, 2, …, (n – 1) - орбитальное квантовое число. m = 0, 1, 2, … l - магнитное квантовое число. Числа l и m определяют орбитальный момент импульса электрона, конфигурацию и ориентацию электронного облака. ms = ½ - спиновое квантовое число. Определяет собственный момент импульса электрона. КСЕ

«Электронные облака» Электронные облака (орбитали) - совокупность точек, в которых велика вероятность нахождения электрона. l = 1 l = 2 l=3 КСЕ

Заполнение оболочек ядра 11 Na 23 Принцип Паули: в атоме не может быть двух и более электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел. n 1 2 l 0 0 m 0 0 0 ms ± 1/2 Число электронов 2 3 1 +1 ± 1/2 0 ─1 ± 1/2 (±) 1/2 8 Натрий – щелочной металл. КСЕ 0 1

6. 6. Физика элементарных частиц 1. Сильное – взаимодействие протонов и нейтронов в ядрах атомов (радиус взаимодействия ~ 10– 15 м); 2. Электромагнитное – взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических и магнитных полей (радиус взаимодействия до ∞); 3. Слабое – взаимодействие элементарных частиц при радиоактивном распаде (радиус взаимодействия ~10– 15 м); 4. Гравитационное – взаимодействие всех тел (радиус взаимодействия до ∞). Взаимодействия осуществляются посредством обмена элементарными частицами, их известно более 400. КСЕ

Основные характеристики частиц 1. Масса. В середине прошлого столетия была создана классификация элементарных частиц по массе ФОТОНЫ КСЕ

1) Фотоны –частицы с массой покоя, равной нулю. Участвуют в электромагнитных взаимодействиях. 2) Лептоны – легкие частицы (электрон, позитрон, нейтрино…) Участвуют во всех взаимодействиях, кроме сильного. 3) Адроны – крупные частицы, участвуют во всех видах взаимодействий: • Мезоны – обмен этими частицами обеспечивает сильное взаимодействие частиц ядра • Барионы - протон, нейтрон и гипероны. Сверхэлементарные частицы - шесть кварков, М. Гелл-Ман и Д. Цвейг, американские физики, 1963 г. Мезоны – 2 кварка, барионы – 3 кварка. КСЕ

Основные характеристики частиц 2. Электрический заряд: 0, +|е|, −|е|. 3. Среднее время жизни: Стабильные частицы: • фотон • две разновидности нейтрино • электрон • протон. Нестабильные частицы – все остальные, время жизни ~ 10 -8 – 10 -24 с. 4. Спин (собственный момент импульса частицы) и квантовые числа. КСЕ