Kvantová fyzika: kvantové vlastnosti světla

Už jste někdy přemýšleli o tom, co je skutečně mnoho světelných jevů? Například, vzít fotoelektrický efekt, vlny tepla, fotochemické procesy a podobně - to vše jsou kvantové vlastnosti světla. Kdyby nebyly objeveny, práce vědců by se neztratily ze slepé uličky, ve skutečnosti jako vědecký a technologický pokrok. Studují je v sekci kvantové optiky, která je neoddělitelně spojena se stejnou částí fyziky.

Kvantové vlastnosti světla: definice pojmu

Až do nedávné doby, jasný a srozumitelný výklad tohoto optický jev nemohl dát. Byly úspěšně použity ve vědeckém a každodenním životě, na jejím základě stavěly nejen vzorce, ale i celé úkoly ve fyzice. Formulování konečné definice bylo získáno pouze od moderních vědců, kteří shrnuli práci svých předchůdců. Takže vlnové a kvantové vlastnosti světla jsou důsledkem zvláštností jeho radiátorů, které jsou elektrony atomů. Kvantová (nebo fotonová) je tvořena vzhledem k tomu, že elektron prochází na nižší energetickou úroveň, čímž generuje elektromagnetické impulsy.

První optická pozorování

Předpokládá se, že světlo má kvantové vlastnosti XIX století. Vědci objevili a pečlivě studovali takové jevy jako difrakce, interference a polarizace. S jejich pomocí byla odvozena teorie světla elektromagnetických vln. Byl založen na zrychlení pohybu elektronů během oscilace těla. Kvůli tomu došlo k zahřívání, následovalo lehké vlny. První hypotéza autora na tomto účtu tvořil anglický D. Rayleigh. Považoval radiaci za systém stejných a konstantních vln a v uzavřeném prostoru. Podle jeho závěrů, s klesající vlnovou délkou, by jejich síla měla neustále vzrůst, navíc byly vyžadovány ultrafialové a rentgenové vlny. V praxi to všechno nebylo potvrzeno a jiný teoretik se pustil do práce.

Planckův vzorec

Na samém začátku XX Max Planck je fyzik německého původu- uvedla zajímavou hypotézu. Podle ní radiace a absorpce světla nepřetržitě nepřetržitě postupují, jak se dříve předpokládalo, ale v dávkách - kvantou nebo, jak se také nazývají, fotony. Byla zavedena Planckova konstanta - koeficient proporcionality, označený písmenem h, a to bylo 6.63middot-10^-34Jmiddot-s. Pro výpočet energie každého fotonu bylo zapotřebí ještě více množství - v Je frekvence světla. Planckova konstanta byla vynásobena frekvencí a v důsledku toho byla získána energie jednoho fotonu. Německý vědec tedy přesně a správně stanovil v jednoduché formulaci kvantové vlastnosti světla, které předtím objevil H. Hertz a označil jej jako fotoelektrický efekt.

Otevření fotoelektrického efektu

Jak jsme již řekli, vědec Henry Hertz byl první, kdo upozornil na dříve nezjištěné kvantové vlastnosti světla. Fotoelektrický efekt byl objeven v roce 1887, kdy vědec spojil osvětlenou zinkovou desku a tyč elektromeru. Pokud doska dosáhne kladného náboje, elektroměr není vybitý. Pokud je náboj vyzařován negativní, zařízení se začne vybíjet, jakmile ultrafialový paprsek dopadne na desku. V průběhu této praktické zkušenosti bylo prokázáno, že deska pod vlivem světla může vyzařovat záporné elektrické náboje, které následně dostaly příslušný název - elektrony.

Praktické experimenty Stoletová

Praktické experimenty s elektrony provedl ruský badatel Alexander Stoletov. Pro své experimenty použil vakuový skleněný válec a dvě elektrody. Jedna elektroda byla použita k přenosu energie a druhá byla osvětlena a na ni byl aplikován záporný pól baterie. Během této operace se začala zvyšovat proudová síla, ale po chvíli se stala konstantní a přímo úměrná záření světelného toku. V důsledku toho bylo zjištěno, že kinetická energie, stejně jako retardační elektronové napětí, nezávisí na síle světelného záření. Ale zvýšení frekvence světla vede k tomu, že toto číslo narůstá.

Nové kvantové vlastnosti světla: fotoelektrický efekt a jeho zákony

Během vývoje Hertzovy teorie a Stoletovovy praxe byly odvozeny tři hlavní pravidelnosti, podle nichž se fotony jako taková ukázaly jako:

1. Výkon světla, který dopadá na povrch těla, je přímo úměrný síle saturačního proudu.

2. Síla záření světla neovlivňuje kinetickou energii fotoelektronů, ale frekvence světla je příčinou jejich lineárního růstu.

3. Existuje určitý druh "efektu červených okrajů". Spodní čára je, že pokud je frekvence menší než minimální frekvence světla pro danou látku, není pozorován fotoelektrický efekt.

Problémy s kolizí dvou teorií

Podle vzoru odvozeného Maxem Planckem se věda dostala do dilematu. Dříve odvozené vlnové a kvantové vlastnosti světla, které byly později objeveny, nemohly existovat v rámci obecně přijímaných fyzických zákonů. V souladu s elektromagnetickou, starou teorií musí všechny elektrony těla, na které vstupuje světlo, musí přicházet do nucené oscilace se stejnými frekvencemi. Tím by vznikla nekonečně velká kinetická energie, což je nemožné. Navíc k akumulaci potřebného množství energie je třeba, aby elektrony zůstaly v klidu desítky minut, zatímco fenomén fotoelektrického efektu je v praxi prakticky pozorován bez nejmenšího zpoždění. Další zmatek vznikla také proto, že energie fotoelektronů nezávisí na síle světelného záření. Navíc červená hranice fotoelektrického efektu nebyla dosud objevena, ani nebyla vypočítána proporcionálnost kmitočtu světla kinetické energie elektronů. Stará teorie nedokázala jasně vysvětlit fyzické jevy viditelné pro oko a ten nový nebyl ještě plně vyřešen.

Racionalismus Alberta Einsteina

Teprve v roce 1905 zjistil brilantní fyzik A. Einstein v praxi a v teorii jasně formuloval, co to je - pravá povaha světla. Vlastnosti vln a kvantů, objevené pomocí dvou protichůdných hypotéz, jsou ve stejných částech inherentní fotonům. Pro úplnost obrázek chyběl pouze princip dis- pertence, tj. Přesné umístění kvant ve vesmíru. Každé kvantum je částice, která může být absorbována nebo vyzařována jako celek. Elektron, který "pohltí" foton uvnitř sebe, zvyšuje jeho náboj o hodnotu energie absorbované částice. Dále uvnitř fotokatody se elektron přenáší na svůj povrch, přičemž zachovává "dvojitou část" energie, která se na výstupu změní na kinetickou. Jednoduchým způsobem je realizován fotoelektrický efekt, při kterém nedochází k žádné zpožděné reakci. Na cíli linka uvolňuje elektron samotný kvantum, který klesá na povrch těla a vyzařuje ještě více energie. Čím více uvolňovaných fotonů - tím silnější je záření, a oscilace světelné vlny se zvyšuje.

Nejjednodušší zařízení založená na principu fotoelektrického efektu

Po objevech provedených německými vědci na úsvitu dvacátého století začala aktivní aplikace kvantových vlastností světla pro výrobu různých nástrojů. Vynálezy, jejichž principu působení je v fotoelektrickém efektu, se nazývají fotobuňky, z nichž nejjednodušší je vakuový. Mezi jeho nedostatky lze říci slabé proudové vodivosti, nízkou citlivost na záření dlouhých vln, kvůli tomu, co nelze použít v obvodech střídavého proudu. Podtlakové zařízení je široce používáno ve fotometrii, měří jas a kvalitu světla. Rovněž hraje důležitou roli v oblasti fototechniky a v procesu reprodukce zvuku.

Fotočlánky s funkcemi vodičů

Jedná se o zcela jiný typ nástroje založený na kvantových vlastnostech světla. Jejich účelem je změnit koncentraci stávajících nosičů. Tento jev se někdy nazývá interní fotoelektrický efekt a tvoří základ fotorezistorů. Tyto polovodiče hrají velmi důležitou roli v našem každodenním životě. Nejprve byly použity v retro automobilech. Poté poskytli práci elektroniky a baterií. V polovině dvacátého století začaly být tyto fotobuňky použity pro stavbu kosmické lodi. Dosud díky vnitřním turniketům s fotoelektrickým efektem v metru, přenosných kalkulačkách a solárních panelech.

Fotochemické reakce

Světlo, jehož povaha byla jen částečně dostupná vědě ve dvacátém století, ve skutečnosti ovlivňuje chemické a biologické procesy. Pod vlivem kvantových toků začíná proces disociace molekul a jejich sloučení s atomy. Ve vědě se tento jev nazývá fotochemie a v přírodě je jedním z jeho projevů fotosyntéza. Kvůli lehkým vlnám v buňkách dochází k tomu, že se procesy uvolňují do mezibuněčného prostoru určitými látkami, díky nimž rostlina získává zelený odstín.

Kvantové vlastnosti světla také ovlivňují lidské vidění. Získání na sítnici oka způsobuje foton proces rozkladu proteinové molekuly. Tyto informace jsou transportovány přes neurony do mozku a po jejich zpracování vidíme vše pod světlem. S nástupem temnoty se molekula proteinu obnoví a vize se přizpůsobí novým podmínkám.

Výsledky

V průběhu tohoto článku jsme zjistili, že především kvantové vlastnosti světla se projevují v jevu nazývaném fotoelektrický efekt. Každý foton má vlastní náboj a hmotu a narazí na ni elektron. Kvantová a elektronová se stávají jednou a jejich společná energie je přeměněna na kinetickou energii, která je nutně řečeno nutná pro realizaci fotoelektrického efektu. Vlnové oscilace mohou zvýšit energii produkovanou fotonem, ale pouze na určitou hodnotu.

Fotoelektrický efekt je dnes nepostradatelnou součástí většiny typů technologií. Je založen na vesmírných vložkách a družicích, vyvíjí solární baterie a používá se jako zdroj pomocné energie. Navíc světlé vlny mají obrovský dopad na chemicko-biologické procesy na Zemi. Díky prostému slunečnímu záření se rostliny stanou zelenými, atmosféra země je namalována v celé modré paletě a vidíme svět takový, jaký je.