Раздел «Квантовая физика» в спецификации НЦТ

Атомная и квантовая физика

Главное по теме

Свет излучается и поглощается порциями - квантами (фотонами). Энергия фотона E = h·ν = h·c / λ, где h = 6,63·10⁻³⁴ Дж·с - постоянная Планка.
Импульс фотона p = h / λ = E / c. Фотон не имеет массы покоя.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: h·ν = A + E_к, где A - работа выхода, E_к - максимальная кинетическая энергия электрона.
Законы фотоэффекта: сила тока насыщения пропорциональна интенсивности света; E_к зависит от частоты, а не от интенсивности; есть красная граница ν_min = A / h; фотоэффект практически безынерционен.
Красная граница: если ν < ν_min (то есть λ > λ_max = h·c / A), электроны не вылетают, как бы ярок ни был свет.
Запирающее напряжение: e·U_з = E_к.
1 эВ = 1,6·10⁻¹⁹ Дж. Удобное число: h·c ≈ 1240 эВ·нм.
Опыт Резерфорда с альфа-частицами привёл к планетарной модели атома: маленькое положительное ядро и электроны вокруг него.
Постулаты Бора: электрон живёт на стационарных орбитах без излучения; при переходе между уровнями излучается или поглощается фотон h·ν = E_m - E_n.
Уровни энергии водорода: E_n = -13,6 эВ / n². Волна де Бройля: λ = h / p = hm·v - частицы тоже обладают волновыми свойствами.

Задания с разбором

1.Найди энергию фотона с длиной волны 400 нм, пользуясь h·c ≈ 1240 эВ·нм.

1E = h·c/λ.
2E = 1240 / 400 = 3,1 эВ.

Ответ: 3,1 эВ

2.Энергия фотона 5 эВ, работа выхода 3,5 эВ. Найди максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

1Уравнение Эйнштейна: h·ν = A + E_к.
2E_к = 5 − 3,5 = 1,5 эВ.

Ответ: 1,5 эВ

3.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов 4,8·10⁻¹⁹ Дж. Найди запирающее напряжение (e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл).

1Запирающее напряжение гасит всю энергию электрона: e·U = E_к.
2U = E_к/e = 4,8·10⁻¹⁹ / 1,6·10⁻¹⁹.
3Энергия уже в джоулях, поэтому делим на заряд в кулонах. U = 3 В.

Ответ: 3 В

Где теряют баллы

Кванты: фотоэффект, энергия фотона, атом Бора
Ловушка: Думают, что энергия фотоэлектронов растёт с яркостью света; от яркости растёт только их число.
Как решать: E = hν = hc/λ. Эйнштейн: hν = Aвых + mv²2. Яркость меняет число электронов, частота их энергию.

Объяснение простыми словами

Включи в тёмной комнате лазерную указку и направь на стену: на стене маленькая красная точка. Свет кажется непрерывным потоком, как вода из шланга. Но в начале XX века выяснилось, что свет больше похож на поток крошечных пуль, называемых фотонами. Эта идея родилась из загадок, которые волновая теория света объяснить не могла, и привела к квантовой физике.

Отправная точка - гипотеза Планка: тела излучают энергию не как угодно, а порциями, квантами. Энергия одного кванта пропорциональна частоте: E = h·ν, где h = 6,63·10⁻³⁴ Дж·с - постоянная Планка. Так как ν = c / λ, то E = h·c / λ. Чем короче волна, тем энергичнее фотон: у фиолетового света энергия фотона больше, чем у красного. Энергию в атомной физике удобно измерять в электронвольтах: 1 эВ = 1,6·10⁻¹⁹ Дж. Пример. Свет с длиной волны 600 нм: E = 6,63·10⁻³⁴ · 3·10⁸6·10⁻⁷ ≈ 3,3·10⁻¹⁹ Дж, то есть примерно 2,07 эВ. Пригодится запомнить: h·c ≈ 1240 эВ·нм, тогда E(эВ) = 1240 / λ(нм).

Дальше в Biik: продолжение объяснения, видеоразбор и проверка из 8 заданий по этой теме.

Доучи тему до конца в Biik

План на каждый день, видеоразборы, проверка из 8 заданий после каждой темы, пробник ЕНТ раз в месяц и ИИ-репетитор, который отвечает на вопросы. 3 дня бесплатно, без карты.

Начать бесплатно Пройти диагностику

Диагностика покажет, сколько баллов тебе не хватает до гранта и где именно. 30 заданий после короткой бесплатной регистрации.

Термины

Квант: Минимальная порция энергии, которую излучает или поглощает система при данной частоте.
Фотон: Квант электромагнитного излучения, частица света без массы покоя.
Гипотеза Планка: Идея, что атомы излучают энергию не непрерывно, а порциями E = h·ν.
Постоянная Планка h: Фундаментальная константа, h = 6,63·10⁻³⁴ Дж·с, связывающая энергию фотона и частоту.
Электронвольт (эВ): Внесистемная единица энергии: энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 В; 1 эВ = 1,6·10⁻¹⁹ Дж.
Фотоэффект: Вырывание электронов из вещества под действием света.
Работа выхода A: Минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы он покинул поверхность металла.
Фототок насыщения: Максимальная сила фототока, когда все вылетевшие электроны достигают анода; пропорциональна числу фотонов.
Красная граница фотоэффекта: Минимальная частота (или максимальная длина волны) света, при которой ещё возможен фотоэффект.
Запирающее напряжение: Обратное напряжение, при котором фототок прекращается; e·U_з равно максимальной кинетической энергии электронов.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: Закон сохранения энергии: энергия фотона равна работе выхода плюс кинетическая энергия электрона.
Импульс фотона: Величина p = h / λ, благодаря ей свет оказывает давление.
Давление света: Давление, которое свет оказывает на поверхность за счёт импульса фотонов; впервые измерил Лебедев.
Корпускулярно-волновой дуализм: Свойство света и частиц вещества проявлять и волновые, и корпускулярные свойства.
Волна де Бройля: Волна, соответствующая движущейся частице, её длина λ = hm·v.
Модель Томсона: Ранняя модель атома в виде положительно заряженного шара с вкраплёнными электронами.
Опыт Резерфорда: Рассеяние альфа-частиц на тонкой золотой фольге, показавшее, что почти вся масса и весь положительный заряд сосредоточены в крошечном ядре.
Планетарная модель атома: Модель, где электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.
Постулаты Бора: Правила: атом находится в стационарных состояниях без излучения, излучение возникает при переходе между ними с h·ν = E_m - E_n.
Энергетический уровень: Разрешённое значение энергии электрона в атоме; основное состояние - самый нижний уровень.
Линейчатый спектр: Спектр из отдельных ярких линий, испускаемый разреженным газом; у каждого элемента свой.
Спектр поглощения: Тёмные линии на фоне сплошного спектра в тех местах, где газ поглотил фотоны.
Вынужденное излучение и лазер: Излучение возбуждённого атома под действием фотона такой же частоты; на нём основан лазер, дающий когерентный узкий пучок света.

Все темы: Физика