Valna i kvantna svojstva svjetla

Članak otkriva bit kvantnih svojstava svjetlosti. Opisuje kako su otkriveni i do čega je došlo.

Planck i Quant

Krajem devetnaestog i početkom dvadesetog stoljeća u znanstvenim krugovima smatralo se da je sve u fizici sasvim razumljivo. Najnaprednije znanje u tom trenutku bile su Maxwellove jednadžbe i proučavanje različitih pojava povezanih s električnom energijom. Mladim ljudima koji su željeli raditi znanost nije preporučeno da idu u fiziku: napokon, moglo bi postojati samo rutinsko istraživanje koje nije dalo nikakav napredak. Međutim, ironično, upravo je to proučavanje svojstava dugogodišnjeg poznatog fenomena otvorilo put novim horizontima znanja.

Valna i kvantna svojstva svjetla započela su otkrićem Maxa Plancka. Proučavao je spektar apsolutno crno tijelo i pokušali pronaći najprikladniji matematički opis svog zračenja. Kao rezultat toga, došao je do zaključka da određenu minimalnu nedjeljivu količinu, koju je nazvao "kvantum djelovanja", treba unijeti u jednadžbu. Budući da je to bio samo način da se "odsiječe kut" za jednostavniju matematičku formulu, on toj vrijednosti nije dao nikakvo fizičko značenje. Međutim, drugi znanstvenici, na primjer, A. Einstein i E. Schrödinger, uočili su potencijal takve pojave kao kvanta i dali razvoj novom odjeljak fizike.

Mora se reći da sam Planck nije u potpunosti vjerovao u temeljnu prirodu svog otkrića. Znanstvenik, pokušavajući opovrgnuti kvantna svojstva svjetla, nakratko je preradio svoju formulu, prelazeći u različite matematičke trikove kako bi se riješio te količine. Ali nije uspio: duh je već pušten iz boce.

Svjetlost - kvant elektromagnetskog polja

Nakon otkrića Plancka, već poznata činjenica da svjetlost ima valna svojstva dopunjena je drugim: foton je kvant elektromagnetskog polja. To jest, svjetlo se sastoji od vrlo malih nedjeljivih paketa energije. Svaki od ovih paketa (fotona) karakteriziraju frekvencija, valna duljina i energija, a sve su međusobno povezane. Brzina svjetlosti u vakuumu je maksimalna za poznati svemir i iznosi oko tri stotine tisuća kilometara u sekundi.

Treba napomenuti da je kvantiziran (tj. Raspadanje u najmanji nedjeljivi dio) i druge količine:

• gluonsko polje;
• gravitacijsko polje;
• kolektivni pokreti kristalnih atoma.

Quantum: Za razliku od elektrona

Ne biste trebali misliti da u svakoj vrsti polja postoji određena najmanja vrijednost, koja se naziva kvant: elektromagnetska skala sadrži i vrlo male i visoke energije valove (na primjer, X-zrake) i vrlo velike, ali "slabe" valove (na primjer, radio valove). ). Samo svaki kvanti putuje u svemiru kao cjelini. Fotoni, vrijedi spomenuti, mogu izgubiti dio svoje energije kada komuniciraju s nepremostivim potencijalnim preprekama. Ovaj fenomen naziva se "tuneliranje".

Interakcija svjetla i materije

Nakon tako sjajnog otkrića, pojavila su se pitanja:

1. Što se događa s kvantom svjetla kada je u interakciji s tvari?
2. Gdje energija koju nosi foton ide kad se sudara s molekulom?
3. Zašto se jedna valna duljina apsorbira, a druga zrači?

Glavna stvar koja je dokazana je pritisak svjetlosti. Ta je činjenica dala novi razlog za refleksiju: ​​to znači da je foton imao impuls i masu. Dvojnost korpuskularnog vala mikročestica prihvaćenih nakon toga uvelike je olakšala razumijevanje ludila koje se događalo u ovom svijetu: rezultati se nisu uklapali ni u jednu logiku koja je postojala prije.

Prijenos energije

Daljnje studije samo su potvrdile kvantna svojstva svjetlosti. Foto efekt pokazuje kako se prenosi energija fotona tvar. Uz refleksiju i apsorpciju, osvjetljenje je sposobno da trgne elektrone s površine tijela. Kako se to događa? Foton prenosi svoju energiju na elektron, postaje pokretljiviji i dobiva sposobnost prevladavanja sile spajanja s jezgrama tvari. Electron ostavlja svoj izvorni element i juri negdje izvan uobičajenog okruženja.

Vrste fotoelektričnog efekta

Fenomen fotoelektričnog učinka, koji potvrđuje kvantna svojstva svjetla, ima različite oblike i ovisi o vrsti čvrstog tijela s kojim foton susreće. Ako se sudari s vodičem, onda elektron napušta tvar, kao što je već opisano. To je suština vanjskog foto učinka.

Ali ako je poluvodič ili dielektrik osvijetljen, onda elektroni ne napuštaju granice tijela, već se preraspodjeljuju, olakšavajući kretanje nosača naboja. Dakle, fenomen poboljšanja vodljivosti tijekom osvjetljavanja naziva se unutarnji fotoelektrični efekt.

Formula vanjski fotoelektrični učinak

Čudno je, ali je interni foto efekt vrlo teško razumjeti. Potrebno je poznavati teoriju polja trake, razumjeti prijelaze kroz zabranjenu zonu i razumjeti suštinu elektron-rupe provodljivosti poluvodiča kako bi se u potpunosti shvatila važnost te pojave. Štoviše, unutarnji fotoelektrični učinak se u praksi često ne koristi. Potvrđujući kvantna svojstva svjetla, formule vanjskog fotoelektričnog učinka ograničavaju sloj iz kojeg svjetlost može izvući elektrone.

hν = A + W,

gdje je h Planckova konstanta, ν je kvant svjetla određene valne duljine, A je posao koji obavlja elektron da bi napustio tvar, W je kinetička energija (a time i brzina) s kojom leti.

Dakle, ako se sva energija fotona troši samo na izlazu elektrona iz tijela, tada će na površini imati nultu kinetičku energiju i zapravo neće moći pobjeći. Tako se unutarnji fotoelektrični učinak događa u vrlo tankoj vanjskoj riječi osvijetljene tvari. To uvelike ograničava njegovu uporabu.

Postoji mogućnost da je optički kvantno računalo će i dalje koristiti interni fotoelektrični efekt, ali ta tehnologija još ne postoji.

Zakoni vanjskog fotoelektričnog učinka

Istodobno, kvantna svojstva svjetla nisu posve beskorisna: fotoelektrični učinak i njegovi zakoni omogućuju stvaranje izvora elektrona. Dok je te zakone u potpunosti formulirao Einstein (za koji je dobio Nobelovu nagradu), razni preduvjeti nastali su mnogo ranije od dvadesetog stoljeća. Pojava struje kada je elektrolit bio osvijetljen prvi put je uočen već početkom devetnaestog stoljeća, 1839.

Postoje ukupno tri zakona:

1. Intenzitet fotostruja zasićenja proporcionalan je intenzitetu svjetlosnog toka.
2. Maksimalna kinetička energija elektrona koji napušta tvar pod djelovanjem fotona ovisi o frekvenciji (a time i energiji) upadnog zračenja, ali ne ovisi o intenzitetu.
3. Svaka tvar iste vrste površine (glatka, konveksna, gruba, nosna) ima crvenu granicu fotoelektričnog učinka. Dakle, postoji najmanja energija (a time i frekvencija) fotona, koja također razdvaja elektrone od površine.

Svi ovi obrasci su logični, ali ih treba razmotriti detaljnije.

Objašnjenje zakona fotoelektričnog učinka

Prvi zakon znači sljedeće: što više fotona padne po kvadratnom metru površine u sekundi, to više elektrona može osvijetliti tu svjetlost.

Primjer je košarka: što igrač češće baca loptu, češće će udariti. Naravno, ako je igrač dovoljno dobar i nije ozlijeđen tijekom utakmice.

Drugi zakon zapravo daje frekvencijski odziv odlazećih elektrona. Frekvencija i valna duljina fotona određuju njezinu energiju. U vidljivom spektru, crveno svjetlo ima najnižu energiju. I kao što se mnogi crveni fotoni šalju svjetiljkom u tvar, oni mogu prenositi samo nisku energiju na elektrone. Dakle, čak i da su se izvukli s površine i gotovo nisu dovršili rad na izlasku, njihova kinetička energija ne može biti iznad određenog praga. Ali ako istu tvar osvijetlimo ljubičastim zrakama, tada će brzina najbržih elektrona biti mnogo veća, čak i ako ima vrlo malo svjetlosnih kvanta.

U trećem zakonu postoje dvije komponente - crvena granica i stanje površine. Mnogi čimbenici ovise o tome je li metal poliran ili grubi, ima li u njemu pore ili je li glatka ili ne: koliko se fotona reflektira, kako se preraspodjeljuju po površini (očito manje svjetla pada u jamu). Tako možete međusobno usporediti različite tvari samo s istim uvjetima površine. Ali energija fotona, koji je još uvijek u stanju rastaviti elektron od tvari, ovisi samo o tipu tvari. Ako jezgre nisu jako jako privučene nosačem naboja, tada fotonska energija može biti niža, pa je stoga crvena granica dublja. Ako jezgra tvari čvrsto drže svoje elektrone i ne žele se tako lako rastati s njima, tada se crvena granica pomiče na zelenu stranu.