Таласна и квантна својства светлости

У чланку се открива суштина квантних својстава светлости. Описује како су откривени и до чега је дошло.

Планцк и Куант

Крајем деветнаестог и почетком двадесетог века, у научним круговима веровало се да је све у физици потпуно разумљиво. Најнапредније знање у том тренутку биле су Маквеллове једначине и проучавање различитих појава које се односе на електричну енергију. Младим људима који су желели да се баве науком није препоручено да иду у физику: на крају крајева, могло би бити само рутинских истраживања која нису пружила никаква открића. Међутим, иронично, управо је ово проучавање својстава дугогодишњег познатог феномена отворило пут ка новим хоризонтима знања.

Таласна и квантна својства светлости почела су открићем Мака Планцка. Проучавао је спектар апсолутно црно тело и покушали да пронађу најприкладнији математички опис свог зрачења. Као резултат тога, дошао је до закључка да одређену минималну недељиву количину, коју је он назвао "квантум акције", мора унијети у једнаџбу. Пошто је то био само начин да се "закачи угао" за једноставнију математичку формулу, он тој вредности није дао никакво физичко значење. Међутим, други научници, на пример, А. Еинстеин и Е. Сцхродингер, уочили су потенцијал таквог феномена као квантни и дали развој новом физике.

Мора се рећи да сам Планцк није у потпуности веровао у основну природу свог открића. Научник, покушавајући да оповргне квантна својства светлости, накратко је преписао своју формулу, прелазећи у различите математичке трикове да би се ослободио те количине. Али није успео: дух је већ био ослобођен из боце.

Светлост - квант електромагнетног поља

После открића Планка, већ позната чињеница да светлост има таласна својства допуњена је другим: фотон је квант електромагнетног поља. То јест, светлост се састоји од веома малих недељивих пакета енергије. Сваки од ових пакета (фотон) карактерише фреквенција, таласна дужина и енергија, које су међусобно повезане. Брзина светлости у вакууму је максимална за познати универзум и износи око три стотине хиљада километара у секунди.

Треба напоменути да се квантизује (тј. Распада у најмањи недељиви део) и друге количине:

• глуон поље;
• гравитационо поље;
• колективни покрети кристалних атома.

Куантум: За разлику од електрона

Не треба мислити да у сваком типу поља постоји одређена најмања вредност, која се назива квант: електромагнетска скала садржи и веома мале и високе енергетске таласе (на пример, Кс-зраке) и веома велике, али „слабе“ таласе (на пример, радио таласе). ). Свако квантно путује у свемиру као целини. Фотони, вреди напоменути, су у стању да изгубе део енергије када комуницирају са непремостивим потенцијалним баријерама. Овај феномен се назива "тунелирање".

Интеракција светлости и материје

Након тако сјајног открића, појавила су се питања:

1. Шта се дешава са квантумом светлости када интерагује са материјом?
2. Где иде енергија коју носи фотон када се судара са молекулом?
3. Зашто се једна таласна дужина може апсорбовати, а друга зрачити?

Главна ствар која је доказана је притисак светлости. Ова чињеница је дала нови разлог за рефлексију: то значи да је фотон имао импулс и масу. Двојност корпускуларног вала микрочестица прихваћених након тога увелико је олакшала разумевање лудила које се дешавало у овом свету: резултати се нису уклапали ни у једну логику која је постојала раније.

Пренос енергије

Даља истраживања су само потврдила квантна својства свјетлости. Ефекат фотографије показује како се преноси енергија фотона супстанце. Уз рефлексију и апсорпцију, осветљење је способно да тргне електроне са површине тела. Како се то дешава? Фотон преноси своју енергију на електрон, постаје мобилнији и добија способност превазилажења силе везивања са језгром материје. Електрон оставља свој природни елемент и јури негдје изван уобичајеног окружења.

Врсте фотоелектричног ефекта

Феномен фотоелектричног ефекта, који потврђује квантна својства светлости, има различите облике и зависи од тога какво се чврсто тело сусреће фотон. Ако се судари са проводником, онда електрон напушта супстанцу, као што је већ горе описано. То је суштина екстерног фото ефекта.

Али ако је полупроводник или диелектрик осветљен, онда електрони не напуштају границе тела, већ се редистрибуирају, олакшавајући кретање носача набоја. Тако се феномен побољшања проводљивости током осветљавања назива унутрашњи фотоелектрични ефекат.

Формула екстерни фотоелектрични ефекат

Чудно је, али је интерни фото ефект веома тешко разумети. Потребно је познавати теорију поља, разумјети пријелазе кроз забрањену зону и разумјети суштину електрон-рупне проводљивости полуводича како би се у потпуности схватио значај ове појаве. Штавише, унутрашњи фотоелектрични ефекат се не користи често у пракси. Потврђујући квантна својства светлости, формуле спољашњег фотоелектричног ефекта ограничавају слој из кога светлост може да извади електроне.

хν = А + В,

где је х Планкова константа, ν је квант светлости одређене таласне дужине, А је посао који се обавља од стране електрона да би напустио супстанцу, В је кинетичка енергија (а тиме и брзина) са којом лети.

Дакле, ако се сва енергија фотона троши само на излазу електрона из тела, онда ће на површини имати нулту кинетичку енергију и заправо неће моћи да побегне. Тако се унутрашњи фотоелектрични ефекат дешава у веома танкој спољашњој речи осветљене супстанце. То увелико ограничава његову употребу.

Постоји шанса да оптички куантум цомпутер и даље ће користити унутрашњи фотоелектрични ефекат, али ова технологија још не постоји.

Закони спољашњег фотоелектричног ефекта

Истовремено, квантна својства светлости нису потпуно бескорисна: фотоелектрични ефекат и његови закони омогућавају стварање извора електрона. Док је ове законе у потпуности формулисао Ајнштајн (за који је добио Нобелову награду), различити предуслови су се појавили много раније од двадесетог века. Појава струје када је електролит био осветљен први пут је примећен већ почетком деветнаестог века, 1839. године.

Укупно три закона:

1. Интензитет фотоструја засићења је пропорционалан интензитету светлосног тока.
2. Максимална кинетичка енергија електрона који напушта супстанцу под дејством фотона зависи од фреквенције (а тиме и енергије) упадног зрачења, али не зависи од интензитета.
3. Свака супстанца исте врсте (глатка, конвексна, груба, носена) има црвену ивицу фотоелектричног ефекта. То јест, постоји најмања енергија (а тиме и фреквенција) фотона, која такође раздваја електроне од површине.

Сви ови обрасци су логични, али их треба детаљније размотрити.

Објашњење закона фотоелектричног ефекта

Први закон подразумева следеће: што више фотона пада на квадратни метар површине у секунди, то више електрона може да "узме" ово светло из осветљене супстанце.

Примјер је кошарка: што играч чешће баца лопту, чешће ће ударити. Наравно, ако је играч довољно добар и није повређен током утакмице.

Други закон заправо даје фреквентни одзив одлазећих електрона. Фреквенција и таласна дужина фотона одређују њену енергију. У видљивом спектру, црвено светло има најнижу енергију. И пошто се многе црвене фотоне шаљу лампом у супстанцу, оне могу преносити само ниску енергију на електроне. Према томе, чак и да су извучени са саме површине и готово да нису довршили посао изласка, њихова кинетичка енергија не може бити изнад одређеног прага. Али ако исту супстанцу осветлимо љубичастим зрацима, онда ће брзина најбржих електрона бити много већа, чак и ако има веома мало кванта љубичице.

У трећем закону постоје две компоненте - црвена граница и стање површине. Многи фактори зависе од тога да ли је метал полиран или груби, да ли у њему има пора, или да ли је глатка или не: колико фотона се рефлектује, како се прерасподељују по површини (очигледно, мање светлости пада у јаме). Тако да можете да упоредите једни друге различите супстанце само са истим условом површине. Али енергија фотона, који је још увек у стању да растрга електрон из супстанце, зависи само од врсте супстанце. Ако језгра нису јако снажно привучена носиоцем набоја, тада енергија фотона може бити нижа, па је црвена граница дубља. А ако језгра материје чврсто држе своје електроне и не желе да се тако лако раздвоје, онда се црвена граница помера на зелену страну.