Kvantinė fizika: kvantinės šviesos savybės

Ar kada nors galvojote apie tai, kas esiiš tikrųjų daug šviesos reiškinių? Pavyzdžiui, paimkime fotoelektrinį efektą, karščio bangas, fotocheminius procesus ir pan. - visos tai yra šviesos kvantinės savybės. Jei jie nebūtų buvę atrasti, mokslininkų darbai nebūtų perėję iš lauko, iš tikrųjų kaip mokslinė ir technologinė pažanga. Jie juos tyrina kvantinės optikos skyriuje, kuris yra neatskiriamai susijęs su ta pačia fizikos dalimi.

Kvantinės šviesos savybės: termino apibrėžimas

Iki neseniai aiškus ir suprantamas aiškinimasšis optinis reiškinys negali būti pateiktas. Jie sėkmingai naudojami moksle ir kasdieniame gyvenime, todėl jie sukūrė ne tik formules, bet ir visas fizikos užduotis. Formuluoti galutinį apibrėžimą gavo tik iš šiuolaikinių mokslininkų, kurie apibendrino savo pirmtakų darbą. Taigi, bangų ir kvantinės šviesos savybės yra jų radiatorių, ty atomų elektronų, ypatumų pasekmė. Kvantinė (ar fotoninė) formuojama dėl to, kad elektronas praeina į žemesnį energijos lygį, tuo būdu generuojant elektromagnetinius impulsus.

Pirmieji optiniai pastebėjimai

Prielaida, kad šviesa turi kvantinę savybę XIX amžius. Mokslininkai atrado ir kruopščiai reiškinių, pavyzdžiui, kaip difrakcijos, trikdžių ir poliarizaciją. Su jų pagalba buvo sukurta elektromagnetinių bangų šviesos teorija. Jis buvo pagrįstas elektronų judesio spartėjimu kūno svyravimų metu. Dėl to įvyko šildymas, po kurio buvo šviesos bangos. Pirmąją autoriaus hipotezę dėl šios sąskaitos sukūrė anglietis D. Rayley. Jis laikė spinduliuotę kaip identiškų ir nuolatinių bangų sistemą ir uždaroje erdvėje. Pasak išvadų, su savo išėjimo bangos ilgio sumažėjimas turėtų padidinti nuolat, be to, privalo turėti ultravioletinių ir rentgeno spindulių. Praktiškai visa tai nebuvo patvirtinta, o kitas teoretikas pradėjo darbą.

Planko formulė

Pradžioje XX Maxas Planckas yra vokiečių kilmės fizikas - išleisk įdomią hipotezę. Pasak jos, šviesa spinduliuojama ir absorbuojama nepertraukiamai, kaip anksčiau minėta, bet partijomis - kvantais arba, kaip jie taip pat vadinami, fotonais. Įvestas Planco konstanta - proporcingumo koeficientas, pažymėtas raidėmis h, ir jis buvo lygus 6,63 · 10^-34J · s. Norint apskaičiuoti kiekvieno fotono energiją, reikėjo dar vieno kiekio - v Ar šviesos dažnis. Planko konstanta buvo padauginta iš dažnio, todėl buvo gautas vieno fotono energijos kiekis. Taigi vokiečių mokslininkas tiksliai ir teisingai fiksavo paprastą formulę kvantines šviesos savybes, kurias H. Hertz anksčiau atrado ir kurį jis nurodė kaip fotoelektrinį efektą.

Fotoelektrinio poveikio atidarymas

Kaip jau minėjome, buvo mokslininkas Heinrich HertzasPirmasis atkreipia dėmesį į kvantines šviesos savybes, kurios anksčiau nebuvo paminėtos. Fotoelektrinis efektas buvo atrastas 1887 m., Kai mokslininkas sujungė apšviestą cinko plokštę su elektrometro lazdele. Jei plokštė pasiekia teigiamą krūvį, elektrometras ne iškraunamas. Jei skystis spinduliuoja neigiamai, prietaisas pradeda iškrauti, kai ultravioletinis spindulys nukrenta ant plokštės. Šios praktinės patirties metu buvo įrodyta, kad plokštelė, veikianti šviesoje, gali išmesti neigiamus elektrinius krūvius, kurie vėliau gavo tinkamą pavadinimą - elektronus.

Praktiniai eksperimentai Stoletova

Praktiniai eksperimentai su elektronaisRusijos mokslininkas Aleksandras Stoletovas. Savo eksperimentams jis naudojo vakuuminį stiklo cilindrą ir du elektrodus. Energijai perduoti naudojamas vienas elektrodas, o kitas užsidegė, ir jam buvo taikomas neigiamas akumuliatoriaus polius. Šios operacijos metu dabartinė jėga pradėjo didėti, bet po kurio laiko ji tapo pastovi ir tiesiogiai proporcinga šviesos srauto spinduliavimui. Kaip rezultatas, buvo atskleista, kad kinetinė energija, kaip ir lėtinanti elektronų įtampa, nepriklauso nuo šviesos spinduliavimo galios. Tačiau dėl šviesos dažnio padidėjimo šis skaičius auga.

Naujos kvantinės šviesos savybės: fotoelektrinis efektas ir jo įstatymai

Plėtojant Herčo teoriją ir Stoletovo praktiką buvo išvestos trys pagrindiniai įstatymai, pagal kuriuos, kaip paaiškėjo, veikia fotonai:

1. Šviesos spinduliuotės, patenkančios ant kūno paviršiaus, galia yra tiesiogiai proporcinga soties srovės stiprumui.

2. Šviesos spinduliuotės galia neturi įtakos fotoelektronų kinetinei energijai, tačiau šviesos dažnis yra pastarųjų linijinio augimo priežastis.

3. Yra tam tikras "raudonos spalvos nuotraukos efektas". Bottom line yra ta, kad jei dažnis yra mažesnis už minimalų tam tikros medžiagos šviesos dažnį, tada fotoelektrinis efektas nepastebimas.

Dviejų teorijų susidūrimo sunkumai

Po to, kai Max'as Planckas nustatė moksląsusiduria su dilema. Anksčiau atsirandančios bangos ir kvantinės šviesos savybės, kurios buvo aptiktos vėliau, negalėjo egzistuoti pagal visuotinai priimtus fizinius įstatymus. Pagal elektromagnetinę, senąją teoriją visi kūno elektronai, ant kurių patenka šviesa, turi būti lygiavertėmis dažniais priverstiniais virpesiais. Tai sukeltų begalybės didelę kinetinę energiją, kuri yra neįmanoma. Be to, norint kaupti reikiamą energijos kiekį, elektronai turi likti ramiai dešimt minučių, o fotoefekto reiškinys praktiškai pastebimas nedelsiant. Papildoma painiavos atsirado ir dėl to, kad fotoelektronų energija nepriklausė nuo šviesos spinduliavimo galios. Be to, dar nebuvo atrasta raudonos fotoelektrinio poveikio riba, taip pat nebuvo apskaičiuotas elektronų kinetikos energijos šviesos dažnio proporcingumas. Sena teorija negalėjo aiškiai paaiškinti akims matomų fizinių reiškinių, o nauja nebuvo dar visiškai išvystyta.

Alberto Einšteino racionalizmas

Tik 1905 m. Puikus fizikas A. Einšteinas parodė praktikoje formuojamą ir teorijos, kas tai - tiesa pobūdis šviesos. Ir kvantinės bangų savybės, atviros dviejų viena priešais kitą hipotezės lygiomis dalimis, būdingų fotonų. Norėdami baigti vaizdo trūko tik atskirumo principą, ty miesto fotonų erdvėje. Kiekvienas fotonų - dalelių, kurios gali būti absorbuojamas arba išskiriamas kaip visuma. Elektronų "rijimas" vidų fotonų padidina savo mokestį dėl sugertos dalelių energijos vertės. Be to, viduje Fotokatodo elektronų pereina į jo paviršių, išlaikant "dvigubos dozės" energijos, kuri produkcija virsta kinetine energija. Šiuo paprastu būdu ir fotoefektas atliekamas kurių nė pavėluotos reakcijos. Pasibaigus elektronų apdaila gamina pati kvantinio, kuri priklauso nuo kūno paviršiaus, aktyvieji dar daugiau energijos. Kuo didesnis fotonų pagamintų skaičius - daugiau galingas spinduliavimas, atitinkamai, ir šviesos bangos svyravimo auga.

Paprasčiausi prietaisai, pagrįsti fotoelektrinio efekto principu

Po Vokietijos mokslininkų atradimųXX a. aušra prasidėjo aktyvus kvantinių šviesos savybių pritaikymas įvairių instrumentų gamybai. Išradimai, kurių veikimo principas yra fotoelektrinis efektas, vadinamos fotoliais, kurių paprasčiausias yra vakuuminis. Tarp jo trūkumų gali būti vadinamas silpnas srovės laidumas, mažas jautrumas ilga bangų spinduliavimui, nes tai negali būti naudojamas kintamosios srovės grandinėse. Vakuuminis įtaisas plačiai naudojamas fotometrijoje, jis matuoja šviesos ryškumą ir kokybę. Jis taip pat atlieka svarbų vaidmenį fototekste ir garso atkūrimo procese.

Fotoelementai su laidininko funkcijomis

Tai yra visiškai kitokio tipo instrumentas, pagrįstaskurie lieka šviesos kvantinės savybės. Jų tikslas yra pakeisti dabartinių vežėjų koncentraciją. Šis reiškinys kartais vadinamas vidiniu fotoelektriniu efektu ir sudaro fotoresistorių pagrindą. Šie puslaidininkai vaidina labai svarbų vaidmenį mūsų kasdieniame gyvenime. Jie pirmą kartą buvo naudojami retro automobiliuose. Tada jie pateikė elektronikos ir baterijų darbą. XX a. Viduryje tokie fotoelektriniai buvo pradėti naudoti kosminių laivų statybai. Iki šiol dėl vidinio fotoelektrinio poveikio turnyro metro, nešiojamieji skaičiuotuvai ir saulės baterijos.

Fotocheminės reakcijos

Šviesos, kurios pobūdis yra tik iš daliesprieinama mokslui XX a., iš tikrųjų daro įtaką cheminiams ir biologiniams procesams. Pagal kvantinių srautų įtaką prasideda molekulių disociacijos procesas ir jų sujungimas su atomais. Mokslas šis reiškinys vadinamas fotocheminiu, o gamtoje viena iš jos pasireiškimų yra fotosintezė. Tai yra dėl šviesos bangų ląstelėse, kuriose vyksta procesai tam tikrų medžiagų išskyrimui į tarptulingą erdvę, dėl kurios augalas įgauna žalią atspalvį.

Kvantinės šviesos savybės taip pat veikia žmogųžvilgsnis Patekęs į akies tinklainę, fotonas sukelia baltymų molekulės skilimo procesą. Ši informacija per neuronus yra perduodama į smegenis, o po jos apdorojimo mes matome viską, kas yra šviesoje. Su tamsos atsiradimu atkuriama baltymų molekulė, o regėjimas prisitaiko prie naujų sąlygų.

Rezultatai

Per šio straipsnio metu mes sužinojome, kad pagrindinisKvantinės šviesos savybės pasireiškia reiškiniu, vadinamu fotoelektriniu efektu. Kiekvienas fotonas turi savo krūvį ir masę ir susiduria su elektronu viduje. Kvantas ir elektronas tampa vienu, o jų bendra energija virsta kinetine energija, kuri, tinkamai sakant, reikalinga fotoelektriniam efektui realizuoti. Bangų svyravimai gali padidinti fotono energiją, bet tik iki tam tikros vertės.

Dabar fotoelektrinis efektas yra būtinasdaugelio rūšių įrangos komponentas. Jis paremtas kosminiais įtaisais ir palydovais, kuria saulės baterijas ir naudojamas kaip pagalbinės energijos šaltinis. Be to, šviesos bangos labai veikia cheminius ir biologinius procesus Žemėje. Atsižvelgiant į paprastą saulės spindulį, augalai tampa žalios, žemės atmosfera dažoma visoje mėlynojo paletėje, o mes matome pasaulį.

</ p>>