Світлові кванти

В темі «Квантова оптика» вивченню фотоефекту відводять центральне місце. Явище фотоефекту було одним з основних серед явищ, дослідження яких привело до створення квантової теорії взагалі і квантової теорії світла зокрема.

Для полегшення вивчення явища фотоефекту необхідно широко використовувати різноманітні засоби наочності. Але число демонстраційних дослідів, які можна поставити при вивченні даної теми в середній школі дуже обмежене. Тому актуальним стає питання використання елементів комп’ютерного моделювання.

Комп'ютерне моделювання дозволяє відтворити тонкі деталі фізичного експерименту, які не можна помітити в реальному експерименті (швидкоплинні процеси, повільні), змінювати масштаб часу, будувати, при одночасному спостереженні того чи іншого фізичного процесу відповідні графіки тощо. Модель досліду на екрані монітора є гарним наочним відображенням, легко керована учителем, не вимагає великих затрат часу на зарисовку, використовуючи проектор можна чітко показати дрібні деталі установки тощо, успішно концентрує увагу на найбільш важливих для розуміння суті явищ, деталях.

Комп’ютерні моделі, які використовують для показу демонстраційних експериментів, можна поділити на дві великі групи:

Ø моделі, що дозволяють вивчити будову і принцип дії різних експериментальних установок (дослідів Герца, Столєтова, фотоелементів різного типу тощо);

Ø моделі, які є матеріальним відтворенням логічних або ідеальних наукових моделей (квантового характеру випромінювання, ефекту Комптона).

У методиці вивчення фотоефекту виділяють декілька етапів:

Учням розповідають про історію відкриття явища фотоефекту – досліди Г. Герца (рис. 2.33), О. Г. Столєтова.

До розуміння явища фотоефекту і його закономірностей краще всього підвести учнів за допомогою експерименту.

Тому учням демонструють спочатку записаний на відео експеримент, після чого використовуючи ефекти анімації переходять до перегляду комп’ютерної моделі досліду, на якій розміщення усіх приладів таке ж саме як в реальному досліді (рис. 1.1).

рис. 1.1

Далі варто продемонструвати серію дослідів по розряджанню металевих пластин під дією випромінювання (рис.1.2):

рис.1.2

Після перегляду даних демонстрацій перед учнями постає низка запитань: чому заряджена пластина може зберігати заряд протягом тривалого часу? Якими способами можна розрядити пластину? Як пояснити швидкий розряд негативно зарядженої пластини при її освітленні ультрафіолетовим випромінюванням? Чи при освітленні ультрафіолетовим світлом так само розряджатиметься позитивно заряджена цинкова пластина? Чому не спостерігається зміна заряду в цьому випадку? Чи спостерігаємо ми розряд мідної пластини за тих же умов досліду? Чому припиняється розряд негативно зарядженої цинкової пластини, якщо ультрафіолетове світло перекрити скляною пластиною?

За результатами відповідей на ці запитання учні мають зробити наступні висновки:

1. під дією світла розряджаються тільки негативно заряджені тіла. Отже, за деяких умов світло здатне виривати електрони з поверхні твердих і рідких тіл. Це явище називають фотоефектом;

2. розряд починається одночасно з початком освітлення, отже, фотоефект практично безінерційний. Точні досліди показали, що час між початком опромінювання і початком фотоефекту не перевищує 10^-9 с;

3. наявність фотоефекту залежить від роду і обробки освітлюваного металу і від спектрального складу випромінювання, швидкість розряду залежить також і від падаючої в одиницю часу світлової енергії.

Під час вивчення закономірностей фотоефекту варто учням продемонструвати досліди по визначенню залежності фотоструму від прикладеної напруги, інтенсивності і спектрального складу випромінювання.

При дослідженні залежності фотоструму від спектрального складу випромінювання, використовуючи світлофільтри, змінюють довжину (частоту) падаючого світла. В залежності від довжини хвилі при постійній різниці потенціалів на електродах фотоелемента у колі фіксується гальванометром величина фотострум. В результаті побаченого учні роблять висновок, що швидкість вилітання електронів залежить від частоти падаючого світла і не залежить від інтенсивності світла.

Під час дослідження залежності фотоструму від інтенсивності падаючого світла учням демонструють дослід, у якому змінюючи відстань від джерела випромінювання, спостерігають зміну сили фотоструму. В результаті чого роблять висновок, що фотострум насичення прямо пропорційний падаючій в одиницю часу світловій енергії.

Далі розказують про те, що труднощі в поясненні законів фотоефекту були не єдиною причиною створення нової теорії. У 1900 г. М. Планк для пояснення теплового випромінювання висунув, на перший погляд, безглузду ідею, що тіло випромінює енергію не безперервно, а окремими порціями (квантами). Цю незрозумілу і тому мало ким прийняту ідею в 1905 г. А. Ейнштейн використовував для пояснення законів фотоефекту. Він пішов далі М. Планка і стверджував: світло не тільки випромінюється, але розповсюджується і поглинається квантами. Інакше кажучи, потік монохроматичного світла, який несе енергію Е, є потоком п частинок (названих пізніше фотонами), кожний з яких має енергію hν

Е=nhν.

Енергія фотона пропорційна частоті світла. Чим більше частота (менше довжина хвилі) випромінювання, тим більшу енергію несе кожен його фотон. З метою забезпечення глибокого розуміння спостережуваного явища учням слід продемонструвати комп’ютерну анімаційну модель, у якій пояснюється неможливість фотоефекту з відомих позицій хвильової теорії світла (рис.1.3).

Під час взаємодії фотон віддає свою енергію електрону, одержавши яку, електрон виривається з поверхні металу маючи певну кінетичну енергію.

Завершується вивчення явища фотоефекту ознайомленням учнів із застосування даного явища в техніці.

Формування уявлень про фотон, розпочате при вивченні фотоефекту, продовжують при вивченні подальших питань курсу - ефекту Комптона, тиску світла, хімічної дії світла.

Особливо важливе значення для доказу квантових властивостей світла має вперше введене в програму фізики 12-річної середньої школи відомості про ефект Комптона. До цього часу дане явище, що є вирішальним підтвердженням наявності у фотона імпульсу, вивчалося тільки на факультативному курсі і в класах з поглибленим вивченням фізики.

Комптонівський ефект полягає в зміні частоти випромінювання при розсіянні рентгенівського проміння «легкими» речовинами (графіт, парафін тощо). Особливість цих речовин - відносно слабкий зв'язок зовнішніх електронів з ядром атома. Це явище було відкрите в 1923 г. і детально досліджене американським фізиком А. Комптоном. Він встановив, що різниця частот (довжин хвиль) первинного (падаючого) і розсіяного випромінювання залежить тільки від кута розсіяння.

Важливо відзначити, що саме А. Комптон назвав кванти світла, фотонам.

Надалі А. Комптон і незалежно П. Дебай теоретично пояснили явища з квантових позицій, розглядаючи розсіяння як результат взаємодії рентгенівських квантів падаючого випромінювання з практично вільними електронами речовини, застосовуючи до цього процесу закони збереження енергії і імпульсу.

Формулу для зміни довжини хвилі комптонівського розсіяння в шкільному курсі не виводять, однак підходи до її встановлення та наслідки, що випливають з неї слід обговорити на підставі розгляду законів збереження (енергії і імпульсу) для системи електрон-фотон.

Таким чином, використання елементів дистанційних технологій дає можливість підвищити ефективність формування важливих понять квантової оптики, чим сприяє усвідомленню сучасної фізичної картини світу.

Поиск по сайту: