Солнечная энергия для человека

Раздел: Наука

Квантовая теория исходит из признания двойственной природы частиц (частица — волна). В предыдущей главе мы видели, что во многих случаях свет проявляет волновые свойства, и его длину волны легко измерить. Ньютон (1704) впервые начал рассматривать свет как поток частиц, или корпускул; в дальнейшем такой подход нашел свое отражение в понятии фотон, которое ввел Эйнштейн (1905) для объяснения процесса испускания электронов атомом под действием света. В этом процессе, названном фотоэффектом, свет проявляет свсйстза частиц, энергия которых зависит от длины световой волны. Подобные корпускулярные свойства обнаруживают все виды электромагнитного излучения. Позднее де Бройлем (1924) была сформулирована и обратная мысль: все объекты, которые обычно ведут себя как частицы, проявляют волновые свойства и характеризуются определенной длиной волны, зависящей от их энергии. Двойственная природа обнаруживается даже у таких относительно больших объектов, как атомы, которые также иногда проявляют волновые свойства.

Существенным моментом квантовой теории является положение о том, что энергия любой системы, проявляющей волновые свойства, может изменяться лишь дискретно определенными элементарными порциями, так называемыми квантами. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте соответствующего колебания.

До сих пор мы говорили только о понятии энергии в квантовой теории. Теперь рассмотрим другую характеристику частиц — количество движения, или импульс, который определяется как произведение массы частицы на ее скорость mv. В гл. 3, рассматривая кинетическую теорию газов, мы получили соотношение между количеством движения молекул газа и его - давлением на стенки сосуда. С помощью чувствительной аппаратуры можно обнаружить давление света  на освещаемый объект, которое обусловлено наличием у фотонов света импульса.

Цель настоящего раздела книги — подготовить читателя к анализу процесса взаимодействия излучения с материальными телами. Для лучшего понимания подобного рода явлений обратимся кепростейшей модели атома водорода — модели Бора. В этой модели электроны рассматриваются как классические частицы, которые, вращаясь вокруг ядра, удерживаются на своих орбитах кулоновскими силами электростатического взаимодействия с положительно заряженным ядром. Для поддержания движения частицы по окружности необходимо наличие силы, направленной к центру этой окружности. Если же частица движется без какого-либо воздействия внешней силы, то ее движение, согласно первому закону Ньютона, будет прямолинейным. Легко показать, что при движении со скоростью v по круговой траектории радиуса г частица постоянно испытывает ускорение, равное v2jr и направленное к центру окружности. Как мы знаем из

второго закона Ньютона, в этом случае на частицу должна действовать сила, также направленная к центру окружности и пропорциональная ускорению и массе частицы. Сила электростатического взаимодействия электрона с ядром прямо пропорциональна заряду ядра Z и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Таким образом, электроны могут находиться только на определенных орбитах, радиусы которых определяются из уравнения (4.8) для каждого п. Далее, каждый электрон обладает кинетической энергией, поскольку он движется, и потенциальной энергией, обусловленной электростатическим взаимодействием с ядром (так как для увеличения расстояния между ними необходимо совершить работу).

Если какую-либо исходную орбиту электрона охарактеризовать главным квантовым числом щ, то можно определить спектр частот (и, следовательно, длин волн) излучения, испускаемого при переходе электрона на различные более удаленные орбиты, характеризуемые главными квантовыми числами Очевидно, если энергия поглощаемого фотона выше энергии, необходимой для перехода электрона на самую удаленную орбиту, то электрон покидает атом, что и наблюдается при фотоэлектрическом эффекте.

Итак, чтобы получить представление об энергетических уровнях, о поглощении фотона и т. д., мы воспользовались очень простой моделью атома. Боровская модель достаточно хорошо описывает атом водорода, содержащий лишь один электрон. Для атомов более сложного строения такая модель оказывается слишком упрощенной. Тем не менее теперь мы уже можем приступить к анализу поведения более сложных систем, учитывая при этом, что наши приближения достаточно грубы. В современной квантовой механике отказались от представления об электронах как о частицах, вращающихся вокруг ядра. Однако понятие энергетических уровней, полученное на основе простейших моделей, является существенным элементом и более поздних работ.