Kvantna fizika: kvantna svojstva svjetlosti

Jeste li ikada razmišljali o tome što su mnogi svjetlosni fenomeni stvarno? Na primjer, uzmimo fotoelektrični efekt, toplinski valovi, fotokemijske procese i slično - sve su to kvantna svojstva svjetlosti. Ako nisu otkriveni, radovi znanstvenika ne bi se preselili s mrtvog kraja, zapravo, poput znanstvenog i tehnološkog napretka. Oni ih proučavaju u sekciji kvantne optike, koja je neraskidivo povezana s istim dijelom fizike.

Kvantna svojstva svjetlosti: definicija pojma

Do nedavno, jasno i razumljivo tumačenje toga optički fenomen nije mogao dati. Uspješno su korišteni u znanosti i svakodnevnom životu, na temelju kojih su izgradili ne samo formule, već i cjelokupne zadatke u fizici. Formuliranje konačne definicije dobilo je samo od suvremenih znanstvenika koji su saželi rad svojih prethodnika. Dakle, val i kvantna svojstva svjetla posljedica su osobitosti svojih radijatora, koji su elektroni atoma. Kvantni (ili foton) nastaje zbog činjenice da elektron prelazi na nižu razinu energije, stvarajući tako elektromagnetne impulse.

Prva optička opažanja

Pretpostavka da se svjetlost pojavljuje u kvantnim svojstvima XIX st. Znanstvenici su marljivo otkrili i proučavali takve fenomene kao što su difrakcija, smetnje i polarizacija. Pomoću njih je izvedena teorija svjetlosti elektromagnetskih valova. Temelji se na ubrzanju gibanja elektrona tijekom oscilacije tijela. Zbog toga je došlo do zagrijavanja, a slijede svjetlosni valovi. Hipoteza prvog autora o ovom računu formirala je engleski D. Rayleigh. Smatrao je zračenjem kao sustavom identičnih i konstantnih valova iu zatvorenom prostoru. Prema njegovim zaključcima, sa smanjenom valnom duljinom, njihova bi snaga trebala kontinuirano porasti, štoviše, potrebne su ultraljubičasto zračenje i X-zrake. U praksi sve to nije potvrđeno, a drugi teoretičar je preuzeo posao.

Planckova formula

Na samom početku XX Max Planck je fizičar njemačkog podrijetla- iznijeti zanimljivu hipotezu. Prema njezinim riječima, zračenje i apsorpcija svjetlosti ne nastaju neprekidno, kao što se ranije mislilo, ali u serijama - kvantima, ili, kako se zovu, fotone. Uvela se Planckova konstanta - koeficijent proporcionalnosti, označen slovom h, i to je bilo 6,63middot-10^-34Dzhmiddot gospodine. Kako bi se izračunala energija svakog fotona, potrebna je još jedna količina - v Je li frekvencija svjetlosti. Planckova konstanta pomnožena je frekvencijom, a kao rezultat toga, dobivena je energija jednog fotona. Tako je njemački znanstvenik točno i pravilno fiksirala u jednostavnoj formuli kvantna svojstva svjetlosti, koja su prethodno otkrivena H. Hertzom i koju je odredio kao fotoelektrični efekt.

Otvaranje fotoelektričnog učinka

Kao što smo već rekli, znanstvenik Henry Hertz bio je prvi koji je privukao pozornost na prethodno neotkrivena kvantna svojstva svjetlosti. Fototehnički učinak otkriven je 1887. godine, kada je znanstvenik spajao osvijetljenu ploču cinka i šipku elektrometra. Ako ploča dosegne pozitivan naboj, elektrometar se ne ispušta. Ako se naplata emitira negativno, uređaj počinje pražnjenje čim zračenje udari na ploču. Tijekom ovog praktičnog iskustva dokazano je da ploča pod utjecajem svjetlosti može emitirati negativne električne naboje, koje su nakon toga primile odgovarajuće ime - elektrone.

Praktični eksperimenti Stoletova

Praktični eksperimenti s elektronima provodili su ruski istraživač Alexander Stoletov. Za svoje eksperimente koristi se vakuumski stakleno cilindar i dvije elektrode. Jedna elektroda je korištena za prijenos energije, a druga je osvijetljena, a na nju je primijenjen negativni pol baterije. Tijekom ove operacije, trenutna snaga počeo se povećavati, ali nakon nekog vremena postala je konstantna i izravno proporcionalna zračenju svjetlosnog toka. Kao rezultat toga, otkriveno je da kinetička energija, kao i retardirani naponi elektrona, ne ovise o snazi ​​svjetlosnog zračenja. Ali povećanje učestalosti svjetlosti čini ovu veličinu rastu.

Nova kvantna svojstva svjetlosti: fotoelektrični efekt i njezini zakoni

Tijekom razvoja Hertzove teorije i Stoletovove prakse izvedene su tri glavne pravilnosti, prema kojima se, kako se ispostavilo, funkcioniraju fotoni:

1. Snaga svjetlosnog zračenja koja pada na površinu tijela izravno je proporcionalna snazi ​​struje zasićenja.

2. Snaga svjetlosnog zračenja ne utječe na kinetičku energiju fotoelektrona, ali učestalost svjetlosti je uzrok linearnog rasta potonjeg.

3. Postoji vrsta "efekt crvenog ruba fotografije". Dno crta je da ako je frekvencija manja od minimalne učestalosti svjetlosti za određenu tvar, tada fotoelektrični učinak nije opažen.

Teškoće sudara dviju teorija

Nakon formule dobivenog od strane Maxa Plancka, znanost je prolazila dilemom. Prije toga proizlazi val, i kvantna svojstva svjetlosti, koje su bile otvorene malo kasnije, nije mogla postojati u okviru opće prihvaćenim zakonima fizike. U skladu s elektromagnetski, stara teorija, svi elektroni u tijelu, koji pada na svjetlo trebao bi stupiti na prisilni oscilacija na istoj frekvenciji. To bi generiralo beskonačno veliku kinetičku energiju, što je nemoguće. Štoviše, kako bi se akumulirao potrebnu količinu energije, elektroni su trebali ostati na miru desetaka minuta, dok se fenomen fotoelektričnog učinka prakticira praktički u praksi bez ikakve kašnjenja. Dodatna je zbrka nastala i zato što energija fotoelektrona nije ovisila o snazi ​​svjetlosnog zračenja. Dodatno, crvena granica fotoelektričnog učinka još nije otkrivena, niti je izračunata proporcionalnost svjetlosne frekvencije kinetičke energije elektrona. Stara teorija nije mogla jasno objasniti fizičke fenomene vidljive na oku, a novi nije još bio u potpunosti razrađen.

Racionalizam Alberta Einsteina

Samo 1905. godine briljantan fizičar A. Einstein otkriva u praksi i jasno formulira teoriju što je to - prava priroda svjetla. Valova i kvantna svojstva, otkrivena pomoću dviju suprotnih hipoteza, svojstvena su fotonima u jednakim dijelovima. Zbog cjelovitosti, na slici je nedostajalo samo načelo diskretnosti, to jest točno mjesto kvage u prostoru. Svaki kvant je čestica koja se može apsorbirati ili zračiti kao cjelina. Elektron, "gutanje" fotona unutar sebe, povećava njegovu naboju vrijednosti energije apsorbirane čestice. Nadalje, unutar fotokathode elektron se pomiče na njegovu površinu, zadržavajući "dvostruki dio" energije, koji na izlazu postaje kinetički. Na tako jednostavan način ostvaruje se fotoelektrični efekt u kojem nema odgođene reakcije. Na ciljnoj liniji, elektron oslobađa sami kvantum, koji pada na površinu tijela, zrači još više energije. Što je više otpuštenih fotona - što je jače zračenje, a oscilacija svjetlosnog vala se povećava.

Najjednostavniji uređaji, zasnovani na principu fotoelektričnog učinka

Nakon otkrića njemačkih znanstvenika u zoru dvadesetog stoljeća, započela je aktivna primjena kvantnih svojstava svjetlosti za proizvodnju različitih instrumenata. Izumi, čiji je princip djelovanja u fotoelektričnom efektu, nazivaju se fotocelulama, od kojih je najjednostavniji vakuum. Među svojim nedostacima može se nazvati slaba strujna vodljivost, niska osjetljivost na zračenje dugačkih valova, zbog toga što se ne može koristiti u izmjeničnim strujnim krugovima. Uređaj vakuuma široko se koristi u fotometriji, mjeri svjetlinu i kvalitetu svjetlosti. Ona također igra važnu ulogu u fotofonu iu procesu reprodukcije zvuka.

Fotoceli s funkcijama vodiča

Ovo je sasvim drugačiji tip instrumenta, zasnovan na kvantnim svojstvima svjetlosti. Njihova je svrha promjena koncentracije tekućih nosioca. Ovaj fenomen se ponekad naziva internim fotoelektričnim efektom i tvori osnovu fotoresistora. Ti poluvodiči igraju vrlo važnu ulogu u našem svakodnevnom životu. Prvo su ih koristili u retro automobilima. Zatim su osigurali rad elektronike i baterija. Sredinom dvadesetog stoljeća, takve fotocelije počele su se koristiti za izgradnju svemirske letjelice. Do sada, zbog unutarnjeg fotoelektričnog učinka okretnica u metro, prijenosni kalkulatori i solarni paneli.

Fotokemijske reakcije

Svjetlo, čija priroda je tek djelomično bila dostupna znanosti u dvadesetom stoljeću, zapravo utječe na kemijske i biološke procese. Pod utjecajem kvantnih tokova počinje proces disocijacije molekula i njihovo spajanje s atomima. U znanosti se taj fenomen naziva fotokemija, au prirodi je jedna od njegovih manifestacija fotosinteza. To je zbog svjetlosnih valova u stanicama da se procesi provode za oslobađanje određenih tvari u međustanični prostor, zbog čega biljka dobiva zelenu boju.

Kvantna svojstva svjetlosti također utječu na ljudski vid. Dobivanje retine oka, foton izaziva proces raspadanja proteinske molekule. Te se informacije prenose kroz neurone u mozak, a nakon obrade možemo vidjeti sve pod svjetlom. S pojavom tame, protein molekula je obnovljena, a vizija je prilagođena novim uvjetima.

rezultati

Tijekom ovog članka saznali smo da se uglavnom kvantna svojstva svjetla očituju u fenomenu koji se naziva fotoelektrični efekt. Svaki foton ima vlastiti naboj i masu, te se sudario s elektronom unutar njega. Kvantar i elektron postaju jedno, a njihova zajednička energija pretvara se u kinetičku energiju koja je, ispravno govoreći, potrebna za realizaciju fotoelektričnog učinka. Oscilacije valova mogu povećati energiju koju proizvodi foton, ali samo do određene vrijednosti.

Fototehnički učinak je neizostavni dio većine tehnologija ovih dana. Temelji se na prostornim linijama i satelitima, razvija solarne baterije i služi kao izvor pomoćne energije. Osim toga, svjetlosni valovi imaju ogroman utjecaj na kemijsko-biološke procese na Zemlji. Zbog jednostavne sunčeve svjetlosti, biljke postaju zelene, Zemljina atmosfera oslikana je u cijeloj paleti plave boje i vidimo svijet kakav jest.