Fizica cuantică: proprietățile cuantice ale luminii

Te-ai gândit vreodată la ce multe fenomene luminoase sunt într-adevăr? De exemplu, să luăm un efect fotoelectric, valuri de căldură, procese fotochimice și altele asemenea - toate acestea sunt proprietăți cuantice ale luminii. Dacă nu ar fi fost descoperite, lucrările oamenilor de știință nu s-ar fi mutat de la capăt, de fapt, ca progresul științific și tehnologic. Ei le studiază în secțiunea de optică cuantică, care este inextricabil legată de aceeași secțiune a fizicii.

Proprietățile cuantice ale luminii: definiția termenului

Până de curând, o interpretare clară și inteligibilă a acestui fapt fenomen optic nu a putut da. Ele au fost folosite cu succes în știință și în viața de zi cu zi, pe baza cărora au construit nu numai formule, ci și sarcini întregi în fizică. Formularea definiției finale a fost obținută numai de la oamenii de știință moderni care au rezumat lucrarea predecesorilor lor. Deci, proprietățile valurilor și cuantice ale luminii sunt o consecință a particularităților radiatoarelor sale, care sunt electronii atomilor. Cuantumul (sau fotonul) se formează datorită faptului că electronul trece la un nivel de energie mai scăzut, generând astfel impulsuri electromagnetice.

Primele observații optice

Se presupune că lumina are proprietăți cuantice XIX lea. Oamenii de știință au descoperit și studiat cu sârguință fenomene precum difracția, interferența și polarizarea. Cu ajutorul lor, teoria undelor electromagnetice a luminii a fost derivată. Se baza pe accelerarea mișcării electronilor în timpul oscilației corpului. Din acest motiv, a avut loc încălzirea, urmată de unde luminoase. Ipoteza primului autor asupra acestui subiect a format englez D. tip Rayleigh. El este privit ca un sistem de radiații valuri egale și permanente, și într-un spațiu închis. Potrivit concluziilor sale, cu o scădere în lungimi de undă de ieșire ar trebui să crească în mod continuu, în plus, trebuie să aibă raze ultraviolete și raze X. În practică, toate acestea nu a fost confirmat, și a luat un alt teoretician.

Planul lui Planck

La început XX Max Planck este un fizician de origine germană- a prezentat o ipoteză interesantă. Potrivit ei, radiația și absorbția luminii nu se desfășoară în mod continuu, așa cum se credea anterior, ci în loturi - prin quanta sau, așa cum se mai numesc, fotoni. A fost introdusă constanta Planck - coeficientul de proporționalitate, notat cu litera h, și a fost 6,63middot-10^-34Dzhmiddot domnule. Pentru a calcula energia fiecărui foton, a fost necesară o cantitate mai mare - v Este frecvența luminii. Constanta Planck a fost multiplicată de frecvență și, ca rezultat, a fost obținută energia unui singur foton. Astfel, omul de știință german a corectat corect și corect într-o formulă simplă proprietățile cuantice ale luminii, descoperite anterior de H. Hertz și desemnate de el ca un efect fotoelectric.

Deschiderea efectului fotoelectric

Așa cum am spus deja, un om de știință Henry Hertz a fost primul care a atras atenția asupra proprietăților cuantice ale luminii nedetectate anterior. Efectul fotoelectric a fost descoperit în 1887, când omul de știință a conectat placa zincată iluminată și tija electrometrului. Dacă placa atinge o sarcină pozitivă, electrometrul nu este descărcat. În cazul în care încărcarea este emisă negativ, dispozitivul începe să se descarce de îndată ce raza ultravioletă atinge placa. În cursul acestei experiențe practice sa dovedit că o placă sub influența luminii poate emite sarcini electrice negative, care ulterior au primit un nume adecvat - electroni.

Experimente practice Stoletova

Experimentele experimentale cu electroni au fost efectuate de cercetătorul rus Alexander Stoletov. Pentru experimentele sale a folosit un cilindru de sticlă de vid și doi electrozi. Un singur electrod a fost utilizat pentru a transmite energia, iar celălalt a fost iluminat, iar un pol negativ al bateriei a fost aplicat la acesta. În timpul acestei operații, puterea curentă a început să crească, dar după un timp a devenit constantă și direct proporțională cu radiația fluxului luminos. Drept rezultat, sa constatat că energia cinetică, precum și tensiunile electronice de întârziere, nu depind de puterea radiației luminoase. Dar creșterea frecvenței luminii face ca această cifră să crească.

Noi proprietăți cuantice ale luminii: efectul fotoelectric și legile sale

În timpul dezvoltării teoriei lui Hertz și a practicii lui Stoletov, au fost derivate trei principii de bază, conform cărora, așa cum sa dovedit, fotonii funcționează:

1. Puterea radiației luminoase care cade pe suprafața corpului este direct proporțională cu puterea curentului de saturație.

2. Puterea radiației luminoase nu afectează energia cinetică a fotoelectronelor, dar frecvența luminii este cauza creșterii liniare a acesteia.

3. Există un fel de "efect de fotografie roșu de frontieră". Linia de jos este că, dacă frecvența este mai mică decât frecvența minimă a luminii pentru o anumită substanță, atunci efectul fotoelectric nu este respectat.

Dificultățile de coliziune a două teorii

După formula obținută de Max Planck, știința a intrat într-o dilemă. Anterioară valurile și proprietățile cuantice ale luminii, descoperite mai târziu, nu puteau exista în cadrul legilor fizice general acceptate. În conformitate cu teoria electromagnetică veche, toți electronii corpului, pe care lumina intră, trebuie să intre în oscilație forțată la frecvențe egale. Aceasta ar genera energie cinetică infinit de mare, ceea ce este imposibil. Mai mult, pentru a acumula cantitatea necesară de energie, electronii trebuie să rămână în stare de repaus timp de zeci de minute, în timp ce fenomenul efectului fotoelectric este practic observat în practică fără cea mai mică întârziere. Alte confuzii au apărut și datorită faptului că energia fotoelectronelor nu depinde de puterea radiației luminoase. În plus, limita roșie a efectului fotoelectric nu a fost încă descoperită și nici nu a fost calculată proporționalitatea frecvenței luminii energiei cinetice a electronilor. Vechea teorie nu putea explica în mod clar fenomenele fizice vizibile pentru ochi, iar cea nouă nu a fost încă complet elaborată.

Rationalismul lui Albert Einstein

Numai în 1905 fizicianul strălucit A. Einstein a revelat în practică și a formulat în mod clar în teorie ceea ce este - adevărata natură a luminii. Valurile și proprietățile cuantice, descoperite cu ajutorul a două ipoteze opuse, sunt inerente fotonilor în părți egale. Pentru completare, imaginea nu avea decât principiul discretității, adică locația exactă a cuantitelor în spațiu. Fiecare cuantum este o particulă care poate fi absorbită sau radiată în ansamblu. Un electron, "înghițind" un foton în sine, își mărește sarcina cu valoarea energiei particulei absorbite. Mai mult, în interiorul fotocatodului, electronul se mișcă la suprafață, păstrând în același timp o "porțiune dublă" de energie, care la ieșire devine cinetică. Într-un mod atât de simplu, se realizează un efect fotoelectric, în care nu există o reacție întârziată. La linia de sosire, electronul eliberează un cuantum al ei însuși, care cade pe suprafața corpului, radiând și mai multă energie. Cu cât numărul de fotoni eliberați este mai mare - cu atât radiația este mai puternică, iar oscilația undei luminoase crește.

Cele mai simple dispozitive, bazate pe principiul efectului fotoelectric

După descoperirile făcute de cercetători germani la începutul secolului al XX-lea, a început aplicarea activă a proprietăților cuantice ale luminii pentru fabricarea diverselor instrumente. Invențiile, ale căror principiu de acțiune este în efectul fotoelectric, se numesc fotocelule, dintre care cea mai simplă este cea de vid. Printre neajunsurile sale se poate numi conductivitatea slabă a curentului, sensibilitatea scăzută la radiația undelor lungi, din cauza a ceea ce nu poate fi folosit în circuitele de curent alternativ. Dispozitivul de vid este folosit pe scară largă în fotometrie, măsoară luminozitatea și calitatea luminii. De asemenea, joacă un rol important în fotografia fotografică și în procesul de reproducere a sunetului.

Celule foto cu funcții de conductor

Acesta este un tip complet diferit de instrument, bazat pe proprietățile cuantice ale luminii. Scopul lor este de a schimba concentrația transportatorilor actuali. Acest fenomen este numit uneori un efect fotoelectric intern și constituie baza fotorezistoarelor. Aceste semiconductori joacă un rol foarte important în viața noastră de zi cu zi. Au fost folosite pentru prima oară în mașinile retro. Apoi au asigurat munca de electronică și de baterii. La mijlocul secolului al XX-lea, astfel de fotocelule au început să fie folosite pentru construcția de nave spațiale. Până acum, datorită turnotelor interne de efect fotoelectric în metrou, calculatoare portabile și panouri solare.

Reacții fotochimice

Lumina, a cărei natură era doar parțial disponibilă științei în secolul al XX-lea, afectează, de fapt, procesele chimice și biologice. Sub influența fluxurilor cuantice începe procesul de disociere a moleculelor și îmbinarea lor cu atomii. În știință, acest fenomen se numește fotochimie, iar în natură, una dintre manifestările sale este fotosinteza. Se datorează undelor de lumină din celule care se realizează pentru eliberarea anumitor substanțe în spațiul intercelular, datorită căruia planta dobândește o nuanță verde.

Proprietățile cuantice ale luminii afectează și viziunea umană. Obtinandu-se pe retina ochiului, fotonul provoaca procesul de descompunere a moleculei de proteine. Aceste informații sunt transportate prin neuroni către creier și, după prelucrare, putem vedea totul sub lumină. Odată cu apariția întunericului, molecula de proteine ​​este restaurată, iar viziunea este adaptată noilor condiții.

rezultate

am aflat în cursul acestui articol, care este, în principal proprietățile cuantice ale luminii sunt prezentate într-un fenomen numit efectul fotoelectric. Fiecare foton are sarcină și masa sa, iar atunci când se confruntă cu un electron cade în ea. Quantum și electroni devin una, iar energia lor combinată este transformată în energie cinetică, care, strict vorbind, necesare pentru punerea în aplicare a efectului fotoelectric. Valorile oscilațiilor pot crește energia produsă de foton, dar numai până la o anumită valoare.

Efectul fotoelectric este o componentă indispensabilă a majorității tipurilor de tehnologie în aceste zile. Se bazează pe garnituri de spațiu și sateliți, dezvoltă baterii solare și este folosit ca sursă de energie auxiliară. În plus, undele luminoase au un impact enorm asupra proceselor chimico-biologice de pe Pământ. Datorită luminii solare simple, plantele devin verzi, atmosfera pământului este pictată în întreaga paletă de albastru și vedem lumea așa cum este ea.