Методические рекомендации для самостоятельного изучения темы "Квантовая физика"
методическая разработка по физике (11 класс) на тему

БЛОК 1. Основные понятия, законы, формулы темы:

«Квантовая физика»

     Гипотеза Планка: атомы излучают свет порциями – квантами. Энергия кванта , где  постоянная Планка,

     Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием света. Явление обнаружено Г. Герцем, исследовано А. Г. Столетовым, Объяснено А. Эйнштейном.

Законы фотоэффекта

1) Количество электронов, вырываемых светом с поверхности вещества за единицу времени, пропорционально интенсивности света, падающего на вещество.

2) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3) Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта – минимальная частота  (максимальная длина волны ) такая, что при частоте < (>), фотоэффект не наблюдается.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: , где - работа выхода электрона с поверхности металла; - кинетическая энергия фотоэлектрона.

 Если , то  или .

Если между освещенным катодом и анодом создать задерживающее напряжение , то фототок прекратится, т.е. работа электрического поля или , где  - абсолютное значение заряда электрона.

ФОТОНЫ

     Свет обладает корпускулярно – волновым дуализмом: при его распространении преобладают волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) – корпускулярные. Согласно квантовым представлениям свет – это поток частиц – фотонов, движущихся со скоростью света.

Корпускулярно – волновой дуализм присущ не только свету, но и всем частицам вещества. Экспериментально обнаружены волновые свойства электронов, протонов, нейтронов.

У частицы, имеющей некоторую массу и движущейся со скоростью , можно определить длину волны  (связь длины волны с импульсом, формула де Бройля).

АТОМ И АТОМНОЕ ЯДРО

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА ПО РАССЕИВАНИЮ  - ЧАСТИЦ

Устойчивость атомов объяснил Н. Бор.

Квантовые постулаты Бора:

1) Атом может находиться только в устойчивых стационарных (квантовых) состояниях, в которых он не излучает. Каждому стационарному состоянию соответствует определенная энергия .

2) Излучение света происходит при скачкообразном переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией . Энергия излученного фотона равна . (Поглощение света происходит при скачкообразном переходе атома из стационарного состояния с меньшей энергией  в стационарное состояние с большей энергией . Энергия поглощенного фотона равна . )

    Сколь угодно долго атом может находиться в основном состоянии (), из других, возбужденных состояний () атом самопроизвольно переходит в основное состояние с излучением фотонов.

Строение атомного ядра  

    Ядро атома состоит из нуклонов: положительно заряженных протонов  и не имеющих заряда нейтронов .

Ядро любого химического элемента записывается следующим образом: , где  зарядовое число (число протонов в ядре, равное порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева, в нейтральном атоме число протонов равно числу электронов );  массовое число (число протонов и нейтронов в ядре, равное округленному до целого числа значению относительной атомной массы элемента). , где  число протонов в ядре.

Удерживаются нуклоны в ядре благодаря действию короткодействующих зарядово-независимых ядерных сил.

Установлено, что масса ядра  всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов: <.

- =дефект масс.

 энергия связи атомного ядра.

Энергия связи – энергия, которая необходима для расщепления ядра на отдельные нуклоны, иначе

энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов.

     При вычислении энергии связи атомного ядра удобно пользоваться формулой: . Причем, массы протона, нейтрона и ядра необходимо брать в атомных единицах массы, результат получится в

    Ядерные реакции – изменения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом. При ядерных реакциях выполняется закон сохранения заряда и массы:

,

Термоядерные реакции – реакции слияния легких ядер, происходящие при очень высокой температуре.

Радиоактивность -  явление самопроизвольного превращения одних ядер в другие, сопровождающееся излучением.

Классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, состоял в следующем. Препарат радия помещали на дно узкого канала в куске свинца.

Против канала находилась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу. Вся установка размещалась в вакууме.

В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно точно напротив канала. В магнитном поле пучок распадался на три пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Третья составляющая совсем не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженный компонент получил название альфа-лучей, отрицательно заряженный  бета-лучей и нейтральный - гамма-лучей  (α-лучи, β-лучи, γ-лучи).

                                                                                                                                                                    излучение сопутствует  и  распаду.

При  и  распаде выполняются законы сохранения заряда и массового числа:

 распад: .

 распад: .

Закон радиоактивного распада:

, где  число нераспавшихся  за время ядер;  начальное число радиоактивных ядер;

 период полураспада – время, за которое распадается половина первоначального количества ядер. Закон справедлив для большого числа ядер.

БЛОК 2. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ НА НАПИСАНИЕ ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ

     При бомбардировке изотопа бора  нейтронами из образовавшегося ядра выбрасывается частица. Написать реакцию.

Решение:

      ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМ ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ  называется разность энергий ядер и частиц до реакции, и после реакции. Если эта разность положительная, то реакция идет с выделением энергии, если отрицательная, то с поглощением энергии.

При решении задач на расчет энергетического выхода ядерной реакции удобно из суммы масс ядер до реакции вычесть сумму масс ядер после реакции и умножить на 931,5 .Масса ядер должна быть выражена в атомных единицах массы, результат получится в .

ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ НА ВЫЧИСЛЕНИЕ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВЫХОДА ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ

     Какая энергия выделяется при термоядерной реакции ?

Решение:

БЛОК 3. Задания (вопросы)  по теме «Квантовая физика»