Квантовая физика

Рождение квантовой физики

Квантовая физика изучает явления микромира — поведение света, электронов, атомов и атомных ядер. Её главная идея: энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Энергия одного кванта света (фотона) равна E = h · ν, где h — постоянная Планка (6,63·10⁻³⁴ Дж·с), ν — частота света.

Фотоэффект

Фотоэффект — вырывание электронов из вещества под действием света. Его объясняет уравнение Эйнштейна:

h·ν = A + Ek

Энергия фотона тратится на работу выхода A (минимальную энергию, чтобы оторвать электрон от вещества) и на кинетическую энергию Ek вылетевшего электрона. Фотоэффект идёт, только если частота света больше некоторой красной границы — иначе кванта не хватает оторвать электрон, и сколько бы мы ни усиливали яркость, ток не пойдёт. А вот выше границы число вырванных электронов растёт пропорционально интенсивности света. Эти закономерности невозможно объяснить волновой теорией света — именно фотоэффект доказал, что свет ведёт себя как поток частиц.

Постулаты Бора и строение атома

Атом состоит из тяжёлого положительного ядра и движущихся вокруг электронов. Нильс Бор предложил два постулата:

• Электрон движется только по определённым стационарным орбитам, не излучая энергию.
• При переходе с орбиты на орбиту атом излучает или поглощает квант: h·ν = E2 − E1.

Именно поэтому каждый химический элемент даёт свой неповторимый набор спектральных линий: набор разрешённых уровней энергии у атома строго определён, и переходы между ними дают свет лишь определённых частот. По спектру можно узнать состав далёких звёзд, не побывав на них.

Радиоактивность и ядерные реакции

Радиоактивность — самопроизвольное превращение ядер с испусканием излучения. Три типа:

В ядерных реакциях выполняются законы сохранения заряда и массового числа. Время, за которое распадается половина ядер, называют периодом полураспада.

Разбор задачи

Работа выхода металла 2·10⁻¹⁹ Дж. На него падает свет с энергией фотона 5·10⁻¹⁹ Дж. Найдите кинетическую энергию вырванного электрона.

h·ν = A + Ek Ek = h·ν − A Ek = 5·10⁻¹⁹ − 2·10⁻¹⁹ Ek = 3·10⁻¹⁹ Дж

Электрон вылетает с кинетической энергией 3·10⁻¹⁹ Дж.

Частые ошибки. 1) Думают, что яркий свет всегда вырывает электроны, — при частоте ниже красной границы фотоэффекта нет при любой яркости. 2) Путают работу выхода и энергию фотона. 3) В ядерных реакциях забывают проверять сохранение заряда и массового числа.

Кратко о главном

• Свет излучается порциями-квантами с энергией E = hν.
• Фотоэффект описывает уравнение Эйнштейна: hν = A + Ek.
• Фотоэффект есть только выше красной границы частоты.
• По Бору атом излучает квант при переходе электрона между орбитами.
• Радиоактивность бывает альфа, бета и гамма; в ядерных реакциях сохраняются заряд и массовое число.