Fizik kuantum: sifat-sifat kuantum cahaya

Adakah anda pernah berfikir tentang apa yang dimaksudkan sebenarnya banyak fenomena cahaya? Sebagai contoh, mengambil kesan fotoelektrik, gelombang haba, proses fotokimia dan sebagainya - semua sifat-sifat kuantum cahaya. Jika mereka telah ditemui, saintis kerja-kerja tidak akan bergerak dari titik yang mati, sebenarnya, serta kemajuan sains dan teknikal. Mengkaji seksyen mereka optik kuantum, yang berkait rapat dengan cawangan yang sama fizik.

sifat kuantum cahaya: definisi yang

Sehingga baru-baru, tafsiran yang jelas dan komprehensif ini fenomena optik tidak boleh memberi. Mereka berjaya digunakan dalam sains dan kehidupan seharian, atas dasar ini untuk membina bukan sahaja formula tetapi seluruh masalah dalam fizik. Merumuskan penentuan muktamad diperolehi hanya daripada ahli-ahli sains moden yang merumuskan aktiviti pendahulunya. Oleh itu, sifat-sifat gelombang kuantum cahaya dan - hasil daripada ciri-ciri pemancar itu, atom yang dengannya adalah elektron. Quantum (atau foton) terbentuk disebabkan oleh hakikat bahawa elektron bergerak untuk menurunkan tahap tenaga, sekali gus menjana denyutan elektro-magnet.

Pemerhatian optik pertama

XIX столетии. Andaian mengenai kehadiran sifat kuantum cahaya muncul pada abad XIX itu. Para saintis telah menemui dan bersungguh-sungguh fenomena seperti pembelauan, gangguan dan polarisasi. Dengan bantuan mereka, teori gelombang elektromagnet cahaya diperolehi. Ia adalah berdasarkan pecutan pergerakan elektron semasa ayunan badan. Hasilnya, saringan, diikuti oleh gelombang cahaya muncul di belakangnya. hipotesis pengarang pertama mengenai perkara ini telah membentuk orang Inggeris D. Rayleigh. Dia dianggap sebagai satu sistem radiasi gelombang sama dan kekal, dan di dalam ruang terkurung. Menurut kesimpulan, dengan penurunan dalam panjang gelombang output mereka perlu meningkatkan secara berterusan, lebih-lebih lagi, perlu mempunyai ultraungu dan x-ray. Dalam amalan, semua ini tidak disahkan, dan ia mengambil teori lain.

formula Planck

XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения – выдвинул интересную гипотезу. Pada awal abad XX Maks Plank - seorang ahli fizik kelahiran Jerman - telah mengemukakan satu hipotesis yang menarik. Menurut beliau, pelepasan dan penyerapan cahaya tidak berlaku secara berterusan, seperti yang difikirkan, dan bahagian - quanta, atau sebagai mereka telah dipanggil foton. h , и он был равен 6,63·10 ^-34 Дж·с. berterusan Planck telah diperkenalkan - faktor perkadaran diwakili oleh huruf h, dan ia adalah sama dengan 6.63 × 10 ^-34 J · s. v – частота света. Dalam usaha untuk mengira tenaga setiap foton, diperlukan satu nilai lebih - v - kekerapan cahaya. berterusan Planck didarab dengan kekerapan, dan hasilnya diperolehi tenaga foton tunggal. Sejak ahli sains Jerman dengan tepat dan betul diperolehi dalam formula yang mudah, sifat-sifat kuantum cahaya, yang sebelum ini telah ditemui oleh H. Hertz, dan ditetapkan sebagai kesan fotoelektrik.

Penemuan kesan fotoelektrik

Seperti yang telah kita berkata, ahli sains Genrih Gerts adalah yang pertama yang menarik perhatian kepada sifat kuantum nezamechaemye cahaya awal. Kesan fotoelektrik telah ditemui pada tahun 1887 apabila seorang saintis menyertai diterangi plat zink dan tongkat electrometer itu. Dalam kes di mana plat datang kepada cas positif, electrometer itu tidak dilepaskan. Jika cas negatif yang dipancarkan, peranti mula melaksanakan, sebaik sahaja plat akan turun ultraviolet ray. Semasa ini hands-on pengalaman ia telah membuktikan bahawa plat terdedah kepada cahaya boleh memancarkan caj elektrik negatif, yang kemudiannya menerima nama yang sesuai - elektron.

pengalaman praktikal Stoletova

eksperimen praktikal dengan elektron dijalankan penyelidik Rusia Alexander Stoletov. Untuk eksperimen beliau beliau menggunakan mentol kaca vakum dan dua elektrod. Satu elektrod digunakan untuk penghantaran kuasa, dan kedua telah diterangi, dan ia telah dibawa ke kutub negatif bateri. Semasa operasi ini, semasa mula meningkatkan kekuatan, tetapi selepas beberapa ketika ia menjadi tetap dan berkadar terus dengan sinaran cahaya. Hasilnya, ia telah mendapati bahawa tenaga kinetik elektron serta melambatkan voltan yang tidak bergantung kepada kuasa cahaya. Tetapi peningkatan dalam kekerapan cahaya menyebabkan berkembang angka ini.

hartanah baru kuantum cahaya: kesan fotoelektrik dan undang-undang

Semasa pembangunan Hertz teori dan amalan Stoletov telah ditarik balik tiga undang-undang asas, yang, kerana ia ternyata, foton yang berfungsi:

Мощность светового излучения, которое падает на поверхность тела, прямо пропорциональна силе тока насыщения. 1. cahaya kuasa yang jatuh di permukaan badan adalah berkadar terus dengan kekuatan semasa tepu.

Мощность светового излучения никак не влияет кинетическую энергию фотоэлектронов, а вот частота света является причиной линейного роста последней. 2. cahaya Power tidak menjejaskan tenaga kinetik photoelectron, tetapi kekerapan cahaya adalah punca pertumbuhan linear yang terbaru.

Существует некая «красная граница фотоэффекта». 3. Terdapat sejenis "kelebihan merah kesan fotoelektrik." Dasarnya adalah bahawa jika kekerapan adalah kurang daripada lampu penunjuk kekerapan minimum untuk bahan yang diberikan, kesan fotoelektrik diperhatikan.

dua teori Kesukaran perlanggaran

Selepas formula yang diperolehi Max Planck, Science berhadapan dengan dilema. gelombang sebelum ini berasal, dan sifat-sifat kuantum cahaya, yang terbuka sedikit kemudian, tidak boleh wujud dalam rangka undang-undang yang diterima umum fizik. Mengikut elektromagnet, teori lama, semua elektron badan, yang jatuh pada cahaya harus datang ke dalam ayunan paksa pada frekuensi yang sama. Ini akan menjana tenaga kinetik tak terhingga yang agak mustahil. Selain itu, bagi pengumpulan jumlah yang diperlukan untuk berehat akan kekal tenaga elektron adalah perlu untuk dapat puluhan minit, manakala kesan fotoelektrik, dalam amalan, tidak ada kelewatan sedikit. kekeliruan timbul juga dari hakikat bahawa tenaga fotoelektron tidak bergantung kepada kuasa cahaya. Lebih-lebih lagi, tidak mempunyai tepi merah kesan fotoelektrik, dan tidak dikira berkadaran dengan kekerapan elektron tenaga kinetik cahaya telah dibuka. Teori lama tidak dapat menjelaskan dengan jelas dilihat dengan mata fenomena fizikal, dan yang baru masih belum bekerja sepenuhnya.

Rasionalisme Alberta Eynshteyna

Hanya pada tahun 1905, ahli fizik besar Albert Einstein menunjukkan dalam amalan dan dinyatakan dalam teori, apa itu - sifat sebenar cahaya. Dan sifat-sifat gelombang kuantum, dibuka oleh dua bertentangan antara satu hipotesis lain di bahagian yang sama wujud untuk foton. Untuk melengkapkan gambar kurang hanya prinsip discreteness, iaitu lokasi sebenar foton dalam ruang. Setiap foton - zarah yang boleh diserap atau dipancarkan secara keseluruhannya. Electron "menelan" foton masuk meningkatkan cagaran ke atas nilai tenaga yang diserap oleh zarah. Selanjutnya, dalam elektron fotokatod bergerak ke permukaan, manakala mengekalkan "dos berganda" tenaga, yang output berubah menjadi tenaga kinetik. Dengan cara ini mudah, dan kesan fotoelektrik dijalankan di mana tiada tindak balas lambat. Pada penamat elektron menghasilkan kuantum itu sendiri, yang jatuh pada permukaan badan, terpancar dengan tenaga lebih. jumlah yang lebih besar daripada foton yang dihasilkan - radiasi lebih kuat, masing-masing, dan turun naik gelombang cahaya tumbuh.

Peranti mudah, yang berdasarkan prinsip kesan fotoelektrik

Selepas penemuan yang dibuat oleh ahli sains Jerman pada awal abad kedua puluh, permohonan itu masuk ke dalam sifat-sifat kuantum cahaya untuk mengeluarkan pelbagai peranti. Ciptaan, yang operasi adalah kesan fotoelektrik, yang dipanggil sel-sel solar, wakil yang paling mudah yang - vakum. Antara kekurangannya boleh dipanggil kekonduksian arus lemah, kepekaan rendah kepada radiasi gelombang panjang, itulah sebabnya ia tidak boleh digunakan dalam litar AC. Peranti vakum digunakan secara meluas dalam pengukuran cahaya, mereka mengukur kekuatan kecerahan dan kualiti cahaya. Beliau juga memainkan peranan penting dalam fototelefonah dan semasa mainan semula audio.

sel-sel fotovoltaik dengan fungsi pengaliran

Ia adalah jenis yang berbeza agak peranti, yang berdasarkan sifat-sifat kuantum cahaya. Tujuan mereka - untuk menukar ketumpatan pengangkut. Fenomena ini kadang-kadang dikenali sebagai kesan fotoelektrik dalaman, dan ia adalah asas photoconductors operasi. Ini semikonduktor memainkan peranan yang amat penting dalam kehidupan seharian kita. Untuk kali pertama mereka mula menggunakan kereta retro. Kemudian mereka menyediakan operasi elektronik dan bateri. Di pertengahan abad kedua puluh mula memohon sel-sel solar itu untuk membina kapal angkasa. Sehingga kini, disebabkan oleh kesan fotoelektrik dalaman mengendalikan turnstiles dalam kereta bawah tanah, kalkulator mudah alih dan panel solar.

tindak balas fotokimia

Cahaya, sifat yang hanya sains sebahagiannya terdapat di abad kedua puluh, sebenarnya, ia memberi kesan kepada proses kimia dan biologi. Di bawah pengaruh aliran memulakan proses penceraian molekul kuantum dan penggabungan mereka dengan atom. Dalam bidang sains, ini dikenali sebagai photochemistry, dan dalam sifat salah satu daripada manifestasinya adalah fotosintesis. Ia adalah disebabkan oleh gelombang proses cahaya pelepasan bahan-bahan tertentu yang dihasilkan oleh sel-sel ke dalam ruang sel, di mana tumbuhan itu menjadi hijau.

Menjejaskan sifat-sifat kuantum cahaya dan penglihatan manusia. Mendapatkan pada retina, foton mencetuskan proses penguraian molekul protein. Maklumat ini diangkut oleh neuron di dalam otak, dan selepas rawatan, kita semua boleh melihat cahaya. molekul protein waktu malam dipulihkan dan penglihatan menginap dengan keadaan baru.

keputusan

Kita dapati dalam perjalanan artikel ini, yang kebanyakannya sifat kuantum cahaya ditunjukkan dalam fenomena yang dipanggil kesan fotoelektrik. Setiap foton mempunyai caj dan besar-besaran, dan apabila berhadapan dengan elektron jatuh ke dalamnya. Kuantum dan elektron menjadi satu, dan tenaga gabungan mereka ditukarkan kepada tenaga kinetik, yang, tegasnya, perlu bagi pelaksanaan kesan fotoelektrik. Ayunan gelombang itu dihasilkan boleh meningkatkan tenaga foton, tetapi hanya kepada sukatan tertentu.

kesan fotoelektrik hari ini adalah merupakan komponen penting dalam kebanyakan jenis peralatan. Pada asas bangunan kapal angkasa dan satelit, membangunkan sel-sel solar digunakan sebagai sumber tenaga tambahan. Di samping itu, gelombang cahaya mempunyai kesan yang besar ke atas proses kimia dan biologi di bumi. Perbelanjaan cahaya matahari biasa tumbuh-tumbuhan berwarna hijau, atmosfera bumi dicat palet penuh biru, dan kita melihat dunia kerana ia adalah.