פיזיקה קוונטית: את התכונות הקוונטיות של אור

חשבת פעם על מה מהווה למעשה תופעות אור רבות? לדוגמה, לקחת את האפקט הפוטואלקטרי, גלי חום, בתהליכים פוטו וכדומה - כל התכונות הקוונטיות של אור. אם הם לא נתגלו, עבודות מדענים לא היו עוקרות מהנקודה המתה, למעשה, כמו גם התקדמות מדעית וטכנית. למד אופטיקה קטע הקוונטים שלהם, אשר קשורה קשר בל יינתק עם אותו ענף בפיזיקה.

התכונות הקוונטיות של אור: הגדרה

עד לאחרונה, הפרשנות הברורה ומקיפה של זו תופעה אופטית לא יכולה לתת. הם משמשים בהצלחה במדע בחיי היומיום, על בסיס זה לבנות לא רק את הנוסחה אבל הבעיה כולה בפיזיקה. נסחו קביעה סופית להיות מושגת רק מדענים מודרניים אשר סיכם את פעילות קודמיו. לפיכך, מאפייני הגל קוונטית של אור - תוצאה של התכונות של הקרינה שלה, אטומי wherewith הם אלקטרונים. קוונטית (או פוטון) נוצר בשל העובדה כי אלקטרון נע להוריד את רמת האנרגיה, ובכך יצירת פולסים אלקטרו-מגנטיים.

התצפיות האופטיות הראשונות

XIX столетии. ההנחה לגבי הנוכחות של התכונות הקוונטיות של אור הופיעה במאה ה XIX. מדענים גילו ובשקידת תופעות כגון עקיפה, פרעות קיטוב. בעזרתם, את תיאוריית הגלים האלקטרומגנטיים של אור נגזרה. היא התבססה על האצה של תנועת האלקטרונים במהלך התנודות של הגוף. כתוצאה מכך, מחממת, ואחריו גלי האור הופיעה מאחוריו. ההשערה של המחבר הראשון בנושא זה יצרה את ריילי ד אנגלי. הוא נחשב כמערכת של גלים שווים וקבועים קרינה, וכן במרחב מצומצם. על פי מסקנותיה, עם ירידת אורכי גל התפוקה שלהם צריכה להגדיל באופן רציף, יתר על כן, נדרש לקיים סגול וצילומי רנטגן. בפועל, כל זה עדיין לא אושר, והוא לקח תיאורטיקן אחר.

הנוסחה של פלאנק

XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения – выдвинул интересную гипотезу. בתחילת המאה ה XX מקס פלאנק - פיזיקאי גרמני יליד - יש לשים קדימה השערה מעניינת. לדבריה, על הפליטה והבליעה של אור אינה מתרחשים באופן רציף, כפי שחשבו בעבר, וכן חלקים - קוונטים, או כפי שהם נקראים פוטונים. h , и он был равен 6,63·10 ^-34 Дж·с. הקבוע פלאנק הוצג - גורם מידתי מיוצג על ידי האות H, וזה היה שווה 6.63 × 10 ^-34 J · s. v – частота света. על מנת לחשב את האנרגיה של כל פוטון, דרוש ערך אחד יותר - נ - תדירות האור. קבוע פלאנק מוכפל התדירות, וכתוצאה מכך השיג את האנרגיה של פוטון בודד. מאז מדען גרמני במדויק ובצורה נכונה מובטחות נוסחא פשוטה, את התכונות הקוונטיות של אור, אשר נמצאו בעבר על ידי ח 'רץ, ויועד זה כמו האפקט הפוטואלקטרי.

גילוי האפקט הפוטואלקטרי

כפי שאמרנו, המדען Genrih Gerts היה הראשון אשר הפנה את תשומת הלב את התכונות הקוונטיות של nezamechaemye אור קודם לכן. אפקט הפוטואלקטרי התגלה בשנת 1887 כאשר מדען הצטרף מוארי צלחת אבץ מוט של אלקטרומטר. במקרה שבו הצלחת מגיעה מטען חיובי, אלקטרומטר לא ייפרע. אם מטען שלילי נפלטים, המכשיר מתחיל לפרוק, בהקדם ההצלחה נופלת ray אולטרה סגול. במהלך זה ניסיון מעשי הוכח כי הצלחת נחשף לאור יכול להקרין מטענים חשמליים שליליים, אשר מאוחר יותר קיבל את השם המתאים - אלקטרונים.

Stoletova ניסיון מעשי

ניסויים מעשיים עם אלקטרונים שנערכו חוקר הרוסי אלכסנדר Stoletov. בניסויים שלו הוא השתמש נורת זכוכית ואקום ושתי אלקטרודות. אלקטרודה אחת שימשה להעברת כוח, והשני היה מואר, וזה הובא אל הקוטב השלילי של הסוללה. במהלך פעולה זו, הזרם מתחיל להגדיל את כוחו, אבל אחרי כמה זמן זה הפך קבוע ביחס ישר הקרינה של אור. כתוצאה מכך, נמצא כי האנרגיה הקינטית של אלקטרונים וכן לעיכוב המתח אינה תלויה בכוחו של אור. אבל העלייה גל האור גורמת לצמוח בנתון זה.

תכונות הקוונטיות חדשות של אור: האפקט הפוטואלקטרי ולחוקיה

במהלך הפיתוח של Stoletov התיאוריה והפרקטיקה של הרץ היה מנותק שלושה חוקים בסיסיים, אשר, כפי שהתברר, הפוטונים הם מתפקדים:

Мощность светового излучения, которое падает на поверхность тела, прямо пропорциональна силе тока насыщения. 1. אור החשמל שנופל על פני השטח של הגוף עומד ביחס ישר לעוצמת הזרם הרווי.

Мощность светового излучения никак не влияет кинетическую энергию фотоэлектронов, а вот частота света является причиной линейного роста последней. 2. אורות החשמל אינו משפיעים על האנרגיה הקינטית של photoelectron, אבל התדר של אור הוא הגורם לצמיחה ליניארי האחרונה.

Существует некая «красная граница фотоэффекта». 3. ישנו סוג של "הקצה האדום של האפקט הפוטואלקטרי." השורה התחתונה היא שאם התדירות היא פחות מ נורית חיווי תדר המינימאלית עבור חומר מסוים, האפקט הפוטואלקטרי הוא ציין.

שתי תאוריות קשיי התנגשות

אחרי נוסחה הנגזרת מקס פלאנק, המדע בפני דילמה. בעבר נגזר גל, ואת התכונות הקוונטיות של אור, אשר היו פתוחים קצת מאוחר, לא יכול להתקיים במסגרת חוקי מקובלים של הפיסיקה. בהתאם אלקטרומגנטית, התאוריה הישנה, כל האלקטרונים של הגוף, אשר נופלת על האור צריכה לבוא אל תנודה נאלצה באותו התדר. זה יעורר אנרגיה קינטית אינסופית כי הוא די בלתי אפשרי. יתר על כן, על ההצטברות של כמות שאר נדרשה תישאר אנרגית האלקטרון הוא הכרחי כדי להיות מסוגל עשרות דקות, בעוד האפקט הפוטואלקטרי, בפועל, אין עיכוב הקל. מבוכה נוספת התעוררה גם מן העובדה כי האנרגיה של photoelectrons אינה תלויה בכוחו של אור. יתר על כן, יש לא הקצה האדום של האפקט הפוטואלקטרי, ולא חושב ביחס לתדירות של האנרגיה הקינטית של אלקטרון אור נפתחה. התיאוריה הישנה לא יכול להסביר בבירור לעין של תופעות פיסיקליות, והחדש טרם הסתדר לגמרי.

רציונליזם אלברטה Eynshteyna

רק ב 1905, הפיזיקאי הדגול אלברט איינשטיין הראה בפועל והיא מעוגנת בתיאוריה, מה שזה לא יהיה - את הטבע האמיתי של האור. ומאפייני גל קוונטית, פתוחים ידי שני מול זה השערות אחרות בחלקים שווים טבועים פוטונים. להשלמת התמונה חסרה רק את העיקרון של discreteness, כלומר את המיקום המדויק של פוטונים בחלל. כל פוטון - חלקיק שיכול להיספג או נפלט בכללותו. אלקטרונים "בולעים" פוטון פנימה מגביר תשלום על הערך של האנרגיה הנקלטת על ידי החלקיקים. בהמשך, בתוך אלקטרון photocathode נע על פני השטח שלו, תוך שמירה על "מנה כפולה" של אנרגיה, אשר פלט הופכת לאנרגיה קינטית. באופן הפשוט הזה, ואת האפקט הפוטואלקטרי מתבצעת בהם שום תגובה מושהית. בשלב הסיום של האלקטרון מייצר קוונטים עצם, אשר נופל על פני השטח של הגוף, מקרין עם עוד יותר אנרגיה. ככל שמספר פוטוני פיק - הקרינה החזקה יותר, בהתאמה, ואת התנודות של גל האור גדלו.

המכשירים הפשוטים ביותר, אשר מבוססים על העיקרון של האפקט הפוטואלקטרי

לאחר התגליות שנעשו על ידי מדענים גרמנים בתחילת המאה עשרים, היישום נכנס התכונות הקוונטיות של אור לייצור התקנים שונים. המצאות, אשר פעולתם הוא האפקט הפוטואלקטרי, הנקראות תאי שמש, נציג הפשוט מהם - את החלל. בין החסרונות שלה יכולים להיקרא מוליכות זרם חלשות, רגישות נמוכה לקרינת גל ארוכה, ולכן זה לא יכול לשמש מעגלי AC. מכשיר הוואקום משמש נרחב פוטומטריה, הם מודדים את עוצמת הבהירות ואיכות אור. הוא גם ממלא תפקיד חשוב fototelefonah ובמהלך השמעת אודיו.

תאים פוטו-וולטאיים עם פונקציות הולכה

זה היה די סוג אחר של מכשירים, אשר מבוססים על התכונות הקוונטיות של אור. מטרתם - כדי לשנות את צפיפות ההספק. תופעה זו נקראת לפעמים האפקט הפוטואלקטרי הפנימי, וזה בסיס photoconductors פעולה. מוליכים למחצה אלה ממלאים תפקיד חשוב מאוד בחיי היומיום שלנו. בפעם הראשונה הם החלו להשתמש במכוניות רטרו. אחר כך הם מספקים מבצע האלקטרוניקה וסוללה. באמצע המאה עשרים החל ליישם תאים סולריים כזה לבניית חלליות. עד עתה, בשל האפקט הפוטואלקטרי הפנימי לפעול הקרוסלות ברכבת התחתית, מחשבונים ניידים פנלים סולאריים.

תגובות פוטו

אור, את האופי של קרי מדע רק חלקית זמין במאה עשרים, למעשה, זה משפיע על תהליכים כימיים ביולוגיים. בהשפעת הזרם מתחיל תהליך ניתוק מולקולרי קוונטים ומיזוגן עם האטומים. במדע, זה נקרא פוטוכימיה, ולפי טיבם של אחד הביטויים שלה הוא פוטוסינתזה. זה נובע תהליכים גלים אור של פליטה של חומרים מסוימים המיוצרים על ידי תאים לחלל התאי, לפיה הצמח הופך ירוק.

משפיעים על תכונות קוונטיות של אור וראייה אנושית. התחל על הרשתית, פוטון מפעיל את תהליך הפירוק של מולקולות חלבון. מידע זה מועבר על ידי נוירונים במוח, ואחרי הטיפול, כולנו יכולים לראות את האור. מולקולת חלבון Nightfall משוחזרת והחזון הוא לאכלס לתנאים החדשים.

תוצאות

גילינו במהלך מאמר זה, המהווה בעיקר את התכונות הקוונטיות של אור מוצגות תופעה הנקראת האפקט הפוטואלקטרי. לכל פוטון מהטעינה ומסה, וכאשר התעמת עם אלקטרון נופל לתוכו. Quantum ו- אלקטרונים הופכים אחד, והאנרגיה בשילוב שלהם הופכת לאנרגיה קינטית, אשר, אם לדייק, הדרושים ליישום של האפקט הפוטואלקטרי. תנודת הגל שתתהווה עלולה להגביר את אנרגית הפוטון, אבל רק עד מידה מסוימת.

היום האפקט הפוטואלקטרי היא מרכיב חיוני של רוב סוגי הציוד. על בסיס שלה ספינות חלל הבניין ולוויינים, לפתח תאים סולאריים משמשים כמקור אנרגיה עזר. בנוסף, גלי האור יש השפעה רבה על תהליכים כימיים וביולוגיים על פני כדור הארץ. ההוצאה של אור שמש רגילה הצמחים ירוקים, באווירה של הארץ נצבעה צבעים מלאים של כחול, ואנחנו רואים את העולם כפי שהוא.