Квантова физика: квантови свойства на светлината

Мислили ли сте някога колко много светлинни явления наистина са? Например, нека вземем фотоелектричен ефект, топлинни вълни, фотохимични процеси и други подобни - това са квантови свойства на светлината. Ако не бяха открити, трудовете на учените нямаше да се преместят от задънена улица, всъщност като научен и технологичен прогрес. Те ги изучават в секцията на квантовата оптика, която е неразривно свързана със същия участък от физиката.

Квантови свойства на светлината: определение на термина

Доскоро ясно и разбираемо тълкуване на това оптичен феномен не може да даде. Успешно се използват в науката и ежедневието, на базата на които те изграждат не само формули, но и цели задачи във физиката. Формулирането на окончателната дефиниция се получава само от съвременните учени, които обобщават работата на своите предшественици. Така че вълните и квантовите свойства на светлината са следствие от особеностите на нейните радиатори, които са електроните на атомите. Квантът (или фотона) се формира поради факта, че електронът преминава до по-ниско енергийно ниво, като по този начин генерира електромагнитни импулси.

Първите оптични наблюдения

Предполага се, че светлината има квантови свойства XIX век. Учените са открили и изучавали усърдно такива явления като дифракция, смущения и поляризация. С тяхна помощ теорията за светлината на електромагнитните вълни е извлечена. Тя се основаваше на ускоряването на движението на електроните по време на трептенията на тялото. Поради това настъпи нагряване, последвано от леки вълни. Първата авторска хипотеза по този въпрос се формира от англичанина Д. Райли. Той разглежда радиацията като система от идентични и постоянни вълни и в затворено пространство. Според неговите заключения, с намаляваща дължина на вълната, тяхната мощност трябва непрекъснато да се увеличава, освен това са необходими ултравиолетови и рентгенови вълни. На практика всичко това не беше потвърдено и друг теоретик пое работата.

Формулата на Планк

Още в самото начало XX Макс Планк е физик от немски произход- изложи интересна хипотеза. Според нея радиацията и абсорбцията на светлината не протича непрекъснато, както се смяташе преди, но в партиди - с кванти или, както се наричат, фотони. Константата Планк е въведена - коефициентът на пропорционалност, означен с буквата з, и това беше 6,63middot-10^-34Dzhmiddot сър. За да се изчисли енергията на всеки фотон, е необходимо още едно количество - V Честотата на светлината. Константата на Планк се умножава по честотата и като резултат се получава енергията на един фотон. От германския учен точно и правилно осигурена в проста формула, квантовите свойства на светлина, които преди това са били открити от Н. Hertz, и определя за фотоелектричния ефект.

Отваряне на фотоелектричния ефект

Както вече казахме, учен Хенри Херц беше първият, който обърна внимание на предишните неоткрити квантови свойства на светлината. Фотоелектричният ефект е открит през 1887 г., когато ученият свързва осветената цинкова плоча и пръчката на електромера. Ако плочата достигне положително заряд, електромерът не се разрежда. Ако зарядът се излъчва отрицателно, устройството започва да се разтоварва веднага щом ултравиолетовият лъч удари плочата. В хода на този практически опит беше доказано, че плоча под въздействието на светлина може да излъчва отрицателни електрически заряди, които след това са получили подходящо име - електрони.

Практически опити Stoletova

Практически експерименти с електрони са проведени от руския изследовател Александър Столетов. За експериментите си използва вакуумен стъклен цилиндър и два електрода. Един електрод е използван за предаване на енергия, а другият е осветен и е приложен отрицателен полюс на батерията. По време на тази операция, сегашната сила започва да се увеличава, но след известно време тя става постоянна и директно пропорционална на излъчването на светлинния поток. В резултат на това се разкри, че кинетичната енергия, както и забавянето на електронното напрежение, не зависят от силата на светлинното лъчение. Но увеличаването на честотата на светлината прави тази цифра да расте.

Нови квантови свойства на светлината: фотоелектричният ефект и неговите закони

По време на развитието на теорията на Херц и практиката на Столетов са получени три основни закономерности, според които, както се оказа, фотоните функционират:

1. Силата на светлинната радиация, която пада върху повърхността на тялото, е пряко пропорционална на силата на насищащия ток.

2. Силата на светлинното лъчение не влияе върху кинетичната енергия на фотоелектроните, но честотата на светлината е причината за линейния растеж на последните.

3. Има един вид "ефект на червените граници". Долната линия е, че ако честотата е по-малка от минималната честота на светлината за дадено вещество, фотоелектричният ефект не се наблюдава.

Трудностите при сблъсък на две теории

След формулата, извлечена от Макс Планк, науката се натъкна на дилема. Предишните получени вълни и квантови свойства на светлината, открити по-късно, не биха могли да съществуват в рамките на общоприетите физически закони. В съответствие с електромагнитното, старата теория, всички електроните на тялото, който се пада на светлината трябва да влязат в принудени трептения със същата честота. Това би генерирало безкрайно голяма кинетична енергия, което е невъзможно. Освен това, за натрупване на необходимата сума за почивка ще остане електронна енергия е необходима, за да може да се десетки минути, докато фотоелектричния ефект, на практика, няма и най-малкото забавяне. Допълнително объркване възникна и защото енергията на фотоелектроните не зависи от силата на светлинната радиация. Освен това, не е червен ръб на фотоелектричния ефект, и не се изчислява пропорционално на честотата на електрон кинетичната енергия на светлина е била отворена. Старата теория не може ясно да обясни физическите явления, които са видими за окото, и новата все още не е напълно изработена.

Рационализмът на Алберт Айнщайн

Само през 1905 г., великият физик Алберт Айнщайн показа на практика и съчленен на теория, това, което е - истинската природа на светлината. Вълните и квантовите свойства, открити с помощта на две противоположни хипотези, са присъщи на фотоните в равни части. За пълнота на снимката липсва само принципът на дискретност, тоест точното местоположение на кванти в космоса. Всяко квантово е частица, която може да бъде абсорбирана или излъчена като цяло. Електрон, който "поглъща" фотон в себе си, увеличава заряда си със стойността на енергията на абсорбираната частица. Освен това, в рамките на електрона фотокатодния движи към повърхността му, като същевременно се поддържа "двойна доза" на енергия, която продукцията се трансформира в кинетична енергия. По такъв прост начин се реализира фотоелектричен ефект, при който няма забавена реакция. На финалната линия електронът освобождава самия квант, който пада върху повърхността на тялото и излъчва още повече енергия. Колкото повече броят освободени фотони - толкова по-мощен е радиацията, и осцилацията на светлинната вълна се увеличава.

Най-простите устройства, базирани на принципа на фотоелектричния ефект

След откритията, направени от германски учени в началото на ХХ век, прилагането попадне в квантовите свойства на светлината за производство на различни устройства. Изобретенията, чийто принцип на действие е във фотоелектричния ефект, се наричат ​​фотоклетки, най-простият от които е вакуумният. Сред недостатъците му може да се нарече слаб ток проводимост, ниска чувствителност към дълговълновата радиация, поради което не може да се използва в AC вериги. Вакуумното устройство е широко използвано във фотометрията, измерва яркостта и качеството на светлината. Той също така играе важна роля в фотофона и в процеса на възпроизвеждане на звук.

Фотоклетки с функции на проводници

Това е напълно различен тип инструмент, базиран на квантовите свойства на светлината. Целта им е да променят концентрацията на настоящите превозвачи. Този феномен понякога се нарича вътрешен фотоелектричен ефект и представлява основата на фоторезисторите. Тези полупроводници играят много важна роля в нашето ежедневие. Първоначално те се използват в ретро автомобили. После осигуриха работата на електрониката и батериите. В средата на ХХ век, такива фотоклетки започнаха да се използват за изграждането на космически кораби. Досега, благодарение на вътрешните фотоелектрични ефекти въртящи се в метрото, преносими калкулатори и слънчеви панели.

Фотохимични реакции

Светлината, чиято природа е само частично достъпна за науката през ХХ век, всъщност засяга химическите и биологичните процеси. Под влиянието на квантовите потоци започва процесът на дисоциация на молекулите и тяхното сливане с атоми. В науката този феномен се нарича фотохимия, а в природата едно от неговите проявления е фотосинтезата. Това се дължи на леките вълни в клетките, които извършват процеси за освобождаване на определени вещества в междуклетъчното пространство, поради което растението придобива зелен нюанс.

Квантовите свойства на светлината влияят и на човешкото зрение. Получавайки се в ретината на окото, фотонът провокира процеса на разлагане на протеиновата молекула. Тази информация се транспортира през невроните до мозъка и след обработката му можем да видим всичко под светлината. С появата на тъмнината, белтъчната молекула се възстановява и визията се приспособява към нови условия.

резултати

В хода на тази статия разбрахме, че предимно квантовите свойства на светлината се проявяват в явление, наречено фотоелектричен ефект. Всеки фотон има свой собствен заряд и маса и се сблъсква с електрона вътре в него. Квантовата и електронът се превръщат в една и тяхната обща енергия се превръща в кинетична енергия, която, както трябва, е необходима за осъществяването на фотоелектричния ефект. Увеличенията на вълните могат да увеличат енергията, произведена от фотона, но само до определена стойност.

Фотоелектричният ефект е незаменим компонент на повечето видове технологии в наши дни. Тя се основава на космически лайнери и сателити, разработва слънчеви батерии и се използва като източник на спомагателна енергия. В допълнение, светлинните вълни оказват огромно влияние върху химико-биологичните процеси на Земята. За сметка на обикновените слънчева светлина растенията са зелени, в земната атмосфера е боядисан пълната палитра от синьо, и ние виждаме света такъв, какъвто е.