Valovne in kvantne lastnosti svetlobe

Članek razkriva bistvo kvantnih lastnosti svetlobe. Opisuje, kako so bili odkriti in do česa je prišlo.

Planck in Quant

Konec devetnajstega in v začetku dvajsetega stoletja se je v znanstvenih krogih verovalo, da je vse v fiziki povsem razumljivo. Najsodobnejše znanje v tistem trenutku je bilo Maxwellovo enačbo in proučevanje različnih pojavov, povezanih z elektriko. Mladim, ki so želeli opravljati znanost, ni bilo priporočljivo, da gredo v fiziko: navsezadnje bi lahko obstajala le rutinska raziskava, ki ne bi prinesla nobenega preboja. Vendar, ironično, prav ta študija lastnosti dolgoletnega znanega fenomena je odprla pot novim obzorjem znanja.

Valove in kvantne lastnosti svetlobe so se začele z odkritjem Maxa Plancka. Študiral je spekter absolutno črno telo in poskušali najti najprimernejši matematični opis svojega sevanja. Posledično je prišel do zaključka, da je treba v enačbo vnesti določeno minimalno nedeljivo količino, ki jo je imenoval "kvant dejanja". In ker je bil to le način, da se za preprostejšo matematično formulo "odrežemo vogal", tej vrednosti ni dal nobenega fizičnega pomena. Vendar, drugi znanstveniki, na primer, A. Einstein in E. Schrödinger, opazil potencial takega pojava kot kvant in je dal razvoj novemu fizike.

Moramo reči, da sam Planck ni popolnoma verjel v temeljno naravo svojega odkritja. Znanstvenik, ki poskuša ovreči kvantne lastnosti svetlobe, je na kratko preoblikoval svojo formulo in se lotil različnih matematičnih trikov, da bi se znebil te količine. Toda ni mu uspelo: duh je že bil izpuščen iz steklenice.

Svetlobni kvant elektromagnetnega polja

Po odkritju Plancka je že znano dejstvo, da ima svetloba valovne lastnosti, dopolnjeno z drugim: foton je kvant elektromagnetnega polja. To pomeni, da je svetloba sestavljena iz zelo majhnih nedeljivih paketov energije. Vsak od teh paketov (foton) je označen s frekvenco, valovno dolžino in energijo, ki so med seboj povezani. Hitrost svetlobe v vakuumu je največja za znano vesolje in je okoli tristo tisoč kilometrov na sekundo.

Opozoriti je treba, da je kvantiziran (tj. Razpada v najmanjše nedeljive dele) in druge količine:

• gluonsko polje;
• gravitacijsko polje;
• kolektivni gibi kristalnih atomov.

Kvantni: za razliko od elektrona

Ne smete misliti, da je v vsakem tipu polja določena najmanjša vrednost, ki se imenuje kvant: elektromagnetna lestvica vsebuje zelo majhne in visokoenergijske valove (npr. Rentgenske žarke) in zelo velike, vendar šibke valove (npr. Radijske valove). ). Vsak kvant potuje v vesolje kot celoto. Fotoni, je treba omeniti, da lahko izgubijo nekaj svoje energije, ko sodelujejo z nepremostljivimi potencialnimi ovirami. Ta pojav se imenuje "tuneliranje".

Interakcija svetlobe in snovi

Po tako svetlem odkritju so se pojavila vprašanja:

1. Kaj se zgodi s kvantom svetlobe, ko sodeluje s snovjo?
2. Kje gre energija, ki jo nosi foton, ko trči ob molekulo?
3. Zakaj se ena valovna dolžina absorbira in druga seva?

Glavna stvar, ki se je izkazala, je pritisk svetlobe. To dejstvo je dalo nov razlog za razmislek: pomeni, da je foton imel impulz in maso. Dvojnost korpuskularnega vala mikrodelcev, ki so bila sprejeta po tem, je močno olajšala razumevanje norosti, ki se je dogajalo v tem svetu: rezultati se niso ujemali z nobeno logiko, ki je obstajala prej.

Prenos energije

Nadaljnje študije so le potrdile kvantne lastnosti svetlobe. Foto učinek prikazuje, kako se prenaša energija fotona snovi. Poleg refleksije in absorpcije lahko osvetlitev raztrga elektrone s površine telesa. Kako se to dogaja? Foton prenese svojo energijo na elektron, postane bolj mobilen in pridobi sposobnost premagovanja sile vezave z jedri snovi. Elektron zapušča svoj prvotni element in hiti nekje izven običajnega okolja.

Vrste fotoelektričnih učinkov

Pojav fotoelektričnega učinka, ki potrjuje kvantne lastnosti svetlobe, ima različne oblike in je odvisen od tega, s kakšnim trdnim telesom se srečuje foton. Če trči z vodnikom, potem elektron zapusti snov, kot je opisano zgoraj. To je bistvo zunanjega foto učinka.

Če pa je osvetljen polprevodnik ali dielektrik, potem elektroni ne zapustijo meja telesa, ampak se prerazporedijo, kar olajša gibanje nosilcev nabojev. Tako se pojav izboljšanja prevodnosti med osvetljevanjem imenuje notranji fotoelektrični učinek.

Formula zunanji fotoelektrični učinek

Nenavadno je, vendar je notranji foto učinek zelo težko razumeti. Potrebno je poznati teorijo polja pasu, razumeti prehode skozi prepovedano cono in razumeti bistvo elektromagnetne prevodnosti polprevodnikov, da bi v celoti spoznali pomen tega pojava. Poleg tega se notranji fotoelektrični učinek v praksi pogosto ne uporablja. S potrditvijo kvantnih lastnosti svetlobe enačbe zunanjega fotoelektričnega učinka omejujejo plast, iz katere svetloba lahko izvleče elektrone.

hν = A + W,

kjer je h Planckova konstanta, ν je kvant svetlobe določene valovne dolžine, A delo, ki ga opravi elektron, da zapusti snov, W je kinetična energija (in s tem hitrost), s katero leti.

Torej, če se vsa fotonska energija porabi le za izstop elektrona iz telesa, potem bo na površini imela nič kinetično energijo in dejansko ne bo mogla pobegniti. Tako se notranji fotoelektrični učinek odvija v precej tanki zunanji besedi osvetljene snovi. To močno omejuje njegovo uporabo.

Obstaja možnost, da optični kvantni računalnik bo še vedno uporabljal notranji fotoelektrični učinek, vendar ta tehnologija še ne obstaja.

Zakoni zunanjega fotoelektričnega učinka

Hkrati kvantne lastnosti svetlobe niso povsem neuporabne: fotoelektrični učinek in njegovi zakoni omogočajo ustvarjanje vira elektronov. Medtem ko je te zakone v celoti oblikoval Einstein (za katerega je dobil Nobelovo nagrado), so se različni predpogoji pojavili veliko prej kot dvajseto stoletje. Pojav toka, ko je bil elektrolit osvetljen, je bil prvič opažen že v začetku 19. stoletja, leta 1839.

Vseh treh zakonov je:

1. Intenzivnost saturnega fotonapetja je sorazmerna intenzivnosti svetlobnega toka.
2. Največja kinetična energija elektronov, ki zapušča snov pod vplivom fotonov, je odvisna od frekvence (in s tem energije) vpadnega sevanja, vendar ni odvisna od intenzivnosti.
3. Vsaka snov z enakim tipom površine (gladka, konveksna, groba, nosna) ima rdeč rob fotoelektričnega učinka. To pomeni, da obstaja tako najmanjša energija (in s tem frekvenca) fotona, ki ločuje elektrone od površine.

Vsi ti vzorci so logični, vendar jih je treba podrobneje obravnavati.

Razlaga zakonov za foto učinke

Prvi zakon pomeni naslednje: več fotonov pade na kvadratni meter površine na sekundo, tem več svetlobe lahko vzame elektrone iz osvetljene snovi.

Primer je košarka: bolj pogosto igralec vrže žogo, pogosteje jo bo udaril. Seveda, če je igralec dovolj dober in se med tekmo ne poškoduje.

Drugi zakon dejansko daje frekvenčni odziv odhajajočih elektronov. Frekvenca in valovna dolžina fotona določata njeno energijo. V vidnem spektru ima rdeča svetloba najnižjo energijo. In ker je veliko rdečih fotonov poslanih s svetilko na snov, so sposobni prenesti le nizko energijo na elektrone. Kinetična energija ne more biti višja od določene meje, čeprav so bili izvlečeni iz same površine in skorajda niso končali dela. Toda če osvetlimo isto snov z vijoličnimi žarki, bo hitrost najhitrejših elektronov veliko višja, tudi če je vijoličnih kvantov zelo malo.

V tretjem zakonu sta dve komponenti - rdeča obroba in stanje površine. Številni dejavniki so odvisni od tega, ali je kovina polirana ali groba, ali so v njej pore, ali je gladka ali ne: koliko fotonov se odraža, kako se prerazporedijo po površini (očitno manj svetlobe pade v jame). Tako lahko med seboj primerjate različne snovi samo z enakim pogojem površine. Toda energija fotona, ki je še vedno zmožen raztrgati elektron od snovi, je odvisna samo od vrste snovi. Če jedra niso zelo močno privlačna za nosilec naboja, je lahko fotonska energija nižja, zato je rdeča meja globlja. In če jedra snovi trdno držijo svoje elektrone in se ne želijo tako preprosto deliti z njimi, se rdeča meja premakne na zeleno stran.