Цели:
- Обучающая – усвоение знаний по теме «Эффект Комптона», формирование правильного понимания природы света
- Развивающая –формирование умений объяснять физические явления, решать задачи, четко излагать мысли, высказывать и доказывать суждения
- Проверить уровень усвоения материала по теме «Законы сохранения »
- Скорректировать знания и умения учащихся по данной теме
Этапы урока:
- Формулирование темы урока – 2 мин.
- Актуализация знаний. (Повторение материала в форме беседы) – 10 мин.
- Объяснение нового материала – 10мин.
- Обсуждение хода эксперимента – 5мин.
- Формулирование следствий – 5 мин.
- Решение задачи – 10 мин.
- Подведение итогов урока – 3 мин.
Преподавание ведется по учебнику «Физика. 11» под редакцией А.А. Пинского. (программа углубленная)
Ход урока
Учитель: Сегодня нам предстоит познакомиться с опытом Комптона, который был проведен в 1922 или 1923 году по разным источникам, и его результатами. Позднее их назвали эффектом Комптона, который противоречил классической теории рассеяния волн. Итак, тема урока «Эффект Комптона». Вспомним, какими представлениями о свете мы располагаем?
Учащиеся записывают тему в тетрадь.
Ученик: Свет – электромагнитная волна.
Ученик: о гипотезе Планка: Свет испускается и поглощается квантами.
Учитель: Можем ли мы отдать какой-нибудь теории предпочтение?
Ученик: Нет. В 19, начале 20 века все известные к тому времени явления, связанные с распространением излучения и его взаимодействие с веществом можно было объяснить на основе волновых представлений о свете.
Учитель: Как же быть с явлением фотоэффекта?
Ученик: Да, Эйнштейн объяснил все законы внешнего фотоэффекта на основании квантовой точки зрения, но нигде не говорится о доказательствах квантовой природы света.
Ученик: гипотеза Планка относилась не к волне, а к веществу. Частица поглощала порции энергии. А у Эйнштейна квантовалась волна. Поэтому считалось, что со временем фотоэффект объяснят на основе волновой теории. Тем более , давлении света объясняется на основе волновой теории.
Учитель: ора поставить все точки над i.
На доску выводится схема опыта, «Открытая физика» версия 2.5
Перед вами схема опыта Комптона. Рентгеновская трубка 2 вместе с экраном 3 и графитовой мишенью 4 жестко укреплена на общем основании. Излучение 5 рассеивается под различными углами θ. Часть излучения падает на кристалл 1 и после отражения попадает в камеру 6, где производит ионизацию воздуха (ионизационная камера). В зависимости от степени ионизации меняются показания электрометра 7. Электрометр определяет интенсивность рассеянного излучения. В зависимости от угла θ изменяется длина волны рассеянного излучения. Комптон наблюдал рассеяние рентгеновских лучей на парафине, графите, других веществах. Он обнаружил, что в рассеянном потоке наряду с рассеиваемой длиной волны наблюдается излучение с большей длиной волны. Откройте рисунок 6.10. страница 259, чем больше угол, тем больше появляющаяся длина волны.
Познакомимся с течением эксперимента на компьютерной модели.
Демонстрируется модель, «Открытая физика» версия 2.5, изменяем угол θ и значение λ, видно как происходит эксперимент и его результаты.
Обсудим результат опыта.
По классической теории электромагнитного поля, падающее на вещество излучение частотой ν вызывает вынужденные колебания электронов той же частоты. Колеблющиеся электроны излучают вторичные электромагнитные волны той же частоты ν.
Допустим, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света. На основании представлений о фотонах получается, что при столкновении фотона с электроном, фотон передает ему часть энергии, а значит энергия фотона уменьшается, значит увеличивается длина волны излучения.
Какой теории Вы отдадите предпочтение?
Ученик: Квантовой.
Учитель: Так как энергия фотонов намного больше энергии ионизации вещества, то фотоны при взаимодействии вырывают электроны из атомов, сообщая им большую энергию. Поэтому электроны можно считать свободными и покоящимися до столкновения. Приобретаемая электронами энергия велика, поэтому надо использовать релятивистские выражения для энергии и импульса ( наличие взаимодействия).
Опишем процесс взаимодействия. Откройте страницу 260, рисунки 6.12 и 6.11. чем они отличаются?
Ученик: Видом взаимодействия. На рисунке 6.12 изображен случай упругого центрального соударения.
Учащиеся ведут записи в тетрадях.
Ученик: Запишем ЗСИ и ЗСЭ.
| Е + m° сІ = Еﱞ + m сІ, где | Е – энергия падающего фотона Еﱞ – энергия рассеянного фотона m° сІ – энергия покоя электрона m сІ – энергия электрона после столкновения с фотоном. |
| р° = рﱞ + р, где | р° – импульс падающего фотона рﱞ – импульс рассеянного фотона р – импульс электрона после столкновения |
Учитель: При решении этой системы получится, что изменение длины волны фотона при рассеянии
| ∆λ = λ` – λ, где | λ` – длина волны рассеянного фотона λ – длина волны падающего фотона
|
формула 63.1 страница 259.
∆λ = 2 λ٭ sin² (θ/2), где λ٭ – постоянная величина, называемая комптоновской длиной волны электрона. Она равна изменению длины волны фотона при его рассеянии на угол 90°.
Все формулы и пояснения к ним учащиеся записывают в тетрадь.
Замечание: Значение λ٭ так мало (в 100 раз меньше размеров атома), что обнаружить изменение длины волны при рассеянии фотонов на электронах можно только для очень коротковолновых фотонов.
Это было подтверждено экспериментом.
Запишем вывод: эффект Комптона является экспериментальным доказательством наличия импульса у фотона. Значит Комптон подтвердил квантовую теорию света.
В заключение отметим особенности явления:
1. При рассеянии наблюдается не только увеличение длины волны, но наличие первоначальной. Почему? При взаимодействии с веществом фотоны могут сталкиваться и с атомами. При этом импульс фотонов изменяться не может (вспомните замечание)
2. Эффект не наблюдается при рассеянии видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Почему? Энергия связи валентных электронов с атомами мала по сравнению с энергией рентгеновского фотона, поэтому электроны можно считать свободными. Энергия же фотонов оптического диапазона сравнима с энергией связи, значит фотоны взаимодействуют со связанными электронами, т.е. эффекта Комптона не будет.
Учитель: Решим задачу 63.3 стр. 263
Ученик: Пользуясь рис 6.11 запишем ЗСИ и ЗСЭ. Решение задачи представлено на доске одним из учащимся, другие учащиеся с места могут делать замечания и помогать.
Учитель: Подведем итоги. Какие выводы мы можем сделать?
Ученик: Фотон имеет импульс.
Ученик: Значит он подобен другим элементарным частицам.
Ученик: Квантовая гипотеза превратилась в квантовую теорию.
Выводы записываются учащимися в тетрадь.
Учитель: Откройте дневники, запишем домашнее задание. Параграф 63, задача 4 после параграфа.
Всем спасибо!