Материал включает конспект урока и 2 презентации: первая презентация - это ход и итоги урока, а вторая - это упражнения по этой теме. Идея квантов была настолько революционной и продуктивной, что во многом определила развитие физики в ХХ веке. Эту идею предложил немецкий ученый М.Планк, чтобы теоретически объяснить найденные в экспериментах закономерности теплового излучения нагретых объектов.

Тепловое излучение может быть равновесным. Это означает, что в единицу времени объект излучает с единицы площади столько же тепловой энергии, сколько поглощает. При этом его температура остается постоянной.

Моделью (идеализацией) такого объекта является абсолютно черное тело – тело, полностью поглощающее падающее на него лучи. Будучи нагретым, оно излучает электромагнитные волны (ЭМВ) разных частот. Опыты показали, что график зависимости интенсивности излучения I абсолютно черного тела от частоты ν испущенных ЭМВ имеет максимум. Кроме того, оказалось, что чем выше температура тела, тем больше этот максимум смещается в область высоких частот. Здесь I = ∆W / (∆tS).

Объяснить этот экспериментальный график на основе классической теории электромагнитного поля Максвелла не удается. Парадоксально, но эта теория, замечательно описывающая излучение радиоволн, приводит к абсурдным выводам при объяснении теплового излучения, т.е. электромагнитных волн высокой частоты. В частности, она предсказывает: 1) быстрое охлаждение до абсолютного нуля любого нагретого тела; 2) пропорциональность энергии излучения квадрату частоты испускаемых волн при данной температуре (Еν ~ ν2Т). Первый вывод опровергается фактами существования теплового равновесия нагретых тел. Второй вывод противоречит опытным данным: нагретое тело, испуская тепло, не излучает электромагнитные волны очень больших частот. Вопиющее расхождение выводов теории Максвелла с практикой в области больших частот было названо «ультрафиолетовой катастрофой».

М.Планк решил эту проблему. В 1900 г. он сначала угадал формулу экспериментальной зависимости I (ν), а затем вывел ее теоретически на основе гипотезы, противоречащей теории Максвелла.

Гипотеза Планка заключалась в том, что атомы нагретого тела не могут испускать волны любой энергии. Минимально возможная энергия, испускаемая атомом при излучении, называется квантом и составляет величину: Е = hν. (здесь h ≈ 6,6310−34 Джс называется постоянной Планка).

Почему энергия атома может меняться только скачками и именно на величину, кратную hν, автор гипотезы объяснить не мог. Гениальная догадка Планка получила обоснование спустя годы после создания квантовой механики. Но уже в 1905 г. эта идея была успешно использована для объяснения фотоэффекта.

1.Фотоэффектом называется явление вырывания светом электронов из вещества. Фотоэффект используется во многих устройствах. Широкое распространение получили солнечные батареи – источники электрической энергии, которые устанавливают на космических станциях, на кузовах экспериментальных электромобилей, на крышах домов, в корпусах несложных калькуляторов (фото 1-4). На фоновой фотографии к презентации К24 видна электростанция, состоящая из большого количества соединенных между собой солнечных батарей.

Фотоэффект открыт в 1887 г. Г.Герцем (левое фото в презентации К24) и детально исследован русским физиком А.Г.Столетовым (второе фото слева), а также учеником Г.Герца – Ф.Ленардом (третье фото слева). Теоретическое объяснение фотоэффекта дано А.Эйнштейном (правое фото).

1.1.Это явление можно наблюдать, используя цинковую пластину, присоединенную к электрометру (рисунки 1 и 2 в первом блоке презентации К24).

Пластину заряжают положительно, и стрелка электрометра отклоняется на некоторый угол. Затем пластину облучают ультрафиолетом, положение стрелки не изменяется. Если же пластину зарядить отрицательно, то воздействие на нее ультрафиолетом приводит к постепенной полной потере электрического заряда. Отсюда следует вывод, что ультрафиолет выбивает электроны из цинковой пластины.