Kvantna fizika: kvantne lastnosti svetlobe

Si kdaj pomislil na to, kaj resnično ima veliko svetlobnih pojavov? Na primer, vzemimo fotoelektrični učinek, vročinske valove, fotokemične procese in podobno - vse to so kvantne lastnosti svetlobe. Če jih ne bi odkrili, se dela znanstvenikov ne bi premaknila iz slepe ulice, pravzaprav bi bila tako kot znanstveni in tehnološki napredek. Študijo jih v delu kvantne optike, ki je neločljivo povezano z istim odsekom fizike.

Kvantne lastnosti svetlobe: definicija pojma

Do nedavnega je bila jasna in razumljiva razlaga tega optični fenomen ni mogel dati. Uspešno so se uporabljali v znanosti in vsakdanjem življenju, na osnovi katerih so zgradili ne samo formule, ampak tudi celotne naloge v fiziki. Oblikovanje končne definicije je bilo pridobljeno samo od sodobnih znanstvenikov, ki so povzeli delo svojih predhodnikov. Torej so valovne in kvantne lastnosti svetlobe posledica posebnosti svojih radiatorjev, ki so elektroni atomov. Kvantni (ali foton) nastaja zaradi dejstva, da elektron prehaja na nižjo raven energije in s tem generira elektromagnetne impulze.

Prva optična opazovanja

Predpostavka, da ima svetloba kvantne lastnosti, je bila v XIX stoletje. Znanstveniki so skrbno odkrili in proučevali takšne pojave kot difrakcija, motnje in polarizacija. Z njihovo pomočjo smo izpeljali elektromagnetno valovno teorijo svetlobe. Temelji na pospeševanju gibanja elektronov med nihanjem telesa. Zaradi tega je prišlo do segrevanja, sledijo ji svetlobni valovi. Hipotezo prvega avtorja na tem računu je oblikoval angleški človek D. Rayleigh. Sevanje je obravnaval kot sistem enakih in konstantnih valov in v zaprtem prostoru. Po njegovih zaključkih, z zmanjševanjem valovne dolžine, bi se morala njihova moč nenehno povečevati, poleg tega pa so bili potrebni tudi ultravijolični in rentgenski valovi. V praksi vse to ni bilo potrjeno, drugi teoretik pa je prevzel delo.

Planckova formula

Na samem začetku XX Max Planck je fizik nemškega izvora- predstavili zanimivo hipotezo. Po njenem mnenju sevanja in absorpcija svetlobe ne nadaljujejo neprekinjeno, kot smo že prej mislili, ampak v serijah - po kvanti, ali, kot jih imenujemo tudi fotoni. Uvedena je bila planckova konstanta - koeficient sorazmernosti, označen s črko h, in to je bilo 6.63middot-10^-34Jmiddot-s. Za izračun energije vsakega fotona je bila potrebna še ena količina - v Je frekvenca svetlobe. Planckovo konstanto smo pomnožili s frekvenco, zato smo dobili energijo posameznega fotona. Torej nemški znanstvenik natančno in pravilno določi v preprosti formuli kvantne lastnosti svetlobe, ki jih je H. Hertz predhodno odkril in ga je določil kot fotoelektrični učinek.

Odpiranje fotoelektričnega učinka

Kot smo že povedali, znanstvenik Henry Hertz je bil prvi, ki je opozoril na predhodno neopažene kvantne lastnosti svetlobe. Fotoelektrični učinek je bil odkrit leta 1887, ko je znanstvenik povezal osvetljeno cinkovo ​​ploščo in palico elektrometra. Če plošča doseže pozitiven naboj, se elektrometer ne izprazni. Če se polnjenje oddaja negativno, se naprava začne spuščati takoj, ko ultravijolični žark zadene ploščo. V okviru te praktične izkušnje je bilo dokazano, da lahko plošča pod vplivom svetlobe oddaja negativne električne naboje, ki so nato prejeli ustrezno ime - elektroni.

Praktični poskusi Stoletova

Praktični poskusi z elektroni je vodil ruski raziskovalec Alexander Stoletov. Za svoje poskuse je uporabil vakuumski stekleni valj in dve elektrodi. Za prenos energije je bila uporabljena ena elektroda, druga pa osvetljena, nanjo pa je bil pritrjen negativen pol. Med to operacijo se je trenutna moč začela povečevati, a čez nekaj časa postala konstantna in neposredno sorazmerna s sevanjem svetlobnega toka. Kot rezultat, je bilo ugotovljeno, da kinetična energija, kot tudi zaviralne elektronske napetosti, niso odvisne od moči svetlobnega sevanja. Toda povečanje frekvence svetlobe povzroči, da ta številka raste.

Nove kvantne lastnosti svetlobe: fotoelektrični učinek in njegovi zakoni

Med razvojem Hertzove teorije in Stoletovove prakse smo izpeljali tri glavne zakonitosti, po katerih se, kot se je izkazalo, delujejo fotoni:

1. Moč svetlobe, ki pade na površino telesa, je neposredno sorazmerna z močjo nasičenja.

2. Moč sevanja svetlobe ne vpliva na kinetično energijo fotoelektrona, vendar pa je frekvenca svetlobe vzrok linearne rasti slednjih.

3. Obstaja nekakšen "učinek rdečega meja". Bottom line je, da če je frekvenca manjša od najmanjše frekvence svetlobe za določeno snov, potem fotoelektrični učinek ni opazen.

Težave pri trčenju dveh teorij

Po formuli, ki jo je izvedel Max Planck, je znanost naletela na dilemo. Prej izpeljani valovni in kvantni lastnosti svetlobe, ki so bili pozneje odkriti, v okviru splošno sprejetih fizikalnih zakonov ne bi mogli obstajati. V skladu z elektromagnetno, stari teoriji morajo vsi elektroni telesa, na katere vstopi svetloba, prisiliti na prisilno nihanje pri enakih frekvencah. To bi ustvarilo neskončno veliko kinetično energijo, kar je nemogoče. Poleg tega je za kopičenje zahtevanega zneska ostalega bi ostal elektronov energije je potrebno, da bi lahko več deset minut, medtem ko je fotoelektrični učinek v praksi, ni niti najmanjše zamude. Dodatna zmeda je nastala tudi zato, ker energija fotoelektrona ni bila odvisna od moči svetlobnega sevanja. Poleg tega rdeča meja fotoelektričnega učinka še ni bila odkrita in ni bila izračunana sorazmernost svetlobne frekvence kinetične energije elektronov. Stara teorija ni mogla jasno razložiti fizičnih pojavov, vidnih očesu, in nova še ni bila popolnoma izpopolnjena.

Racionalizem Alberta Einsteina

Šele leta 1905 je briljantni fizik A. Einstein razkril v praksi in jasno v teoriji formuliral, kakšna je - resnična narava svetlobe. Valove in kvantne lastnosti, ki jih odkrijemo s pomočjo dveh nasprotujočih hipotez, so v fotonih v enakih delih. Za popolnost je sliki manjkalo samo načelo diskretnosti, to je natančna lokacija kvantov v prostoru. Vsak kvant je delec, ki se lahko absorbira ali sevati kot celota. Elektron, ki "pogoltne" foton znotraj sebe, poveča njegovo polnjenje z vrednostjo energije absorbiranega delca. Poleg tega se znotraj fotokatode premika na njeno površino, hkrati pa ohranja "dvojni delež" energije, ki se na izhodu spremeni v kinetično. Na tako preprost način se uresniči fotoelektrični učinek, v katerem ni zamude pri reakciji. Na ciljni liniji elektron sprosti kvantum samega sebe, ki pada na površino telesa, ki izžareva še več energije. Bolj kot število sproščenih fotonov - močnejša je sevanja, in nihanje svetlobnega valovanja se povečuje.

Najenostavnejše naprave, ki temeljijo na principu fotoelektričnega učinka

Po odkritjih nemških znanstvenikov na zore dvajsetega stoletja se je začela aktivna uporaba kvantnih lastnosti svetlobe za izdelavo različnih instrumentov. Izumi, katerih načelo delovanja je v fotoelektričnem učinku, se imenujejo fotocelice, od katerih je najpreprostejši vakuumski. Med njegovimi pomanjkljivostmi lahko imenujemo šibka trenutna prevodnost, nizka občutljivost na sevanja dolgih valov zaradi tega, ker je ni mogoče uporabiti v izmeničnih tokokrogih. Vakuumska naprava se pogosto uporablja v fotometriji, meri svetlost in kakovost svetlobe. Prav tako igra pomembno vlogo pri fotofonu in v procesu zvočne reprodukcije.

Fotocelice z dirigirnimi funkcijami

To je povsem drugačna vrsta instrumenta, ki temelji na kvantnih lastnostih svetlobe. Njihov namen je spremeniti koncentracijo sedanjih prevoznikov. Ta pojav se včasih imenuje notranji fotoelektrični učinek in je osnova fotorezistorjev. Ti polprevodniki imajo v našem vsakdanjem življenju zelo pomembno vlogo. Najprej so jih uporabljali v retro avtomobilih. Potem so zagotovili delo elektronike in baterij. Sredi dvajsetega stoletja so se takšne fotocelice začele uporabljati za izdelavo vesoljskih plovil. Do sedaj, zaradi notranje fotoelektrične učinka turnstiles v metro, prenosni kalkulatorji in sončne celice.

Fotokemične reakcije

Svetloba, katere narava je bila le delno na voljo znanosti v dvajsetem stoletju, dejansko vpliva na kemične in biološke procese. Pod vplivom kvantnih tokov se začne proces disociacije molekul in se združuje z atomi. V znanosti se ta pojav imenuje fotokemija, v naravi pa je ena od njegovih manifestov fotosinteza. Zaradi svetlobnih valov v celicah se izvajajo postopki za sproščanje določenih snovi v medcelični prostor, zaradi česar rastlina pridobi zeleni odtenek.

Kvantne lastnosti svetlobe vplivajo tudi na človeško videnje. Ko pridemo na mrežnico očesa, foton sproži proces razgradnje proteinske molekule. Te informacije se prenašajo skozi nevroni v možgane, po obdelavi pa lahko vidimo vse pod svetlobo. S pojavom teme se proteinska molekula obnovi, vizija pa se prilagaja novim razmeram.

Rezultati

V tem članku smo ugotovili, da se večinoma kvantne lastnosti svetlobe kažejo v pojavu, ki se imenuje fotoelektrični učinek. Vsak foton ima lastno napolnjenost in maso ter trka z elektronom v njej. Kvantni in elektroni postaneta ena, njihova skupna energija pa se pretvori v kinetično energijo, kar je pravilno potrebno za realizacijo fotoelektričnega učinka. Oscilacija valov lahko poveča energijo, ki jo proizvaja foton, vendar le do določene vrednosti.

Fotoelektrični učinek je nepogrešljiva sestavina večine vrst tehnologij v teh dneh. Temelji na vesoljskih oblogah in satelitih, razvija sončne baterije in se uporablja kot vir pomožne energije. Poleg tega imajo svetlobni valovi velik vpliv na kemijsko-biološke procese na Zemlji. Zaradi preproste sončne svetlobe rastline postanejo zelene, zemeljska atmosfera je naslikana v celotni paleti modre barve, svet pa vidimo tako, kot je.