Fala i kwantowe właściwości światła

23.03.2020

Artykuł ujawnia istotę kwantowych właściwości światła. Opisuje, w jaki sposób zostały odkryte i do czego doprowadziły.

Planck i Quant

Pod koniec XIX i na początku XX wieku wierzono w kręgach naukowych, że wszystko w fizyce jest całkowicie zrozumiałe. Najbardziej zaawansowaną wiedzą w tej chwili były równania Maxwella i badanie różnych zjawisk związanych z elektrycznością. Młodym ludziom, którzy chcieli robić naukę, nie zalecano fizyki: w końcu mogą być tylko rutynowe badania, które nie przyniosły przełomu. Jednak, jak na ironię, właśnie to badanie właściwości fenomenu znanego od dawna otworzyło drogę do nowych horyzontów wiedzy. kwantowe właściwości światła

Fala i kwantowe właściwości światła zaczęły się wraz z odkryciem Maxa Plancka. Studiował spektrum absolutne czarne ciało i próbowali znaleźć najbardziej odpowiedni matematyczny opis jego promieniowania. W rezultacie doszedł do wniosku, że pewna minimalna niepodzielna ilość, którą nazwał "kwantem działania", musi zostać wprowadzona do równania. A ponieważ był to tylko sposób na "cięcie róg" dla prostszej matematycznej formuły, nie nadał tej wartości żadnego fizycznego znaczenia. Jednak inni naukowcy, na przykład, A. Einstein i E. Schrödinger, dostrzegł potencjał takiego zjawiska jak kwant i dało rozwój nowemu sekcja fizyki.

Trzeba powiedzieć, że sam Plancka nie w pełni wierzył w fundamentalną naturę swojego odkrycia. Naukowiec, próbując obalić kwantowe właściwości światła, krótko przepisał swoją formułę, przechodząc w różne matematyczne sztuczki, aby pozbyć się tej ilości. Ale nie udało mu się: dżin został już uwolniony z butelki.

Światło - kwantowe pole elektromagnetyczne

Po odkryciu Plancka już znany fakt, że światło ma właściwości falowe, został uzupełniony przez inny: foton jest kwantem pola elektromagnetycznego. Oznacza to, że światło składa się z bardzo małych niepodzielnych pakietów energii. Każdy z tych pakietów (foton) charakteryzuje się częstotliwością, długością fali i energią, z których wszystkie są ze sobą powiązane. Prędkość światła w próżni jest maksymalna dla znanego wszechświata i wynosi około trzystu tysięcy kilometrów na sekundę.

falowe i kwantowe właściwości światła

Należy zauważyć, że skwantowane (to jest rozpad na najmniejsze niepodzielne części) i inne ilości:

  • pole gluonowe;
  • pole grawitacyjne;
  • zbiorowe ruchy atomów kryształów.

Quantum: W przeciwieństwie do Electron

Nie powinieneś myśleć, że w każdym typie pola istnieje pewna najmniejsza wartość, nazywana kwantem: skala elektromagnetyczna zawiera zarówno fale bardzo małe i o dużej energii (na przykład promieniowanie rentgenowskie), jak i bardzo duże, ale "słabe" fale (na przykład fale radiowe). ). Każdy kwant porusza się w przestrzeni jako całości. Fotony, warto zauważyć, są w stanie stracić część swojej energii podczas interakcji z niemożliwymi do pokonania potencjalnymi barierami. Zjawisko to nosi nazwę "tunelowania".

Interakcja światła i materii

Po tak jasnym odkryciu pojawiły się pytania:

  1. Co dzieje się z kwantem światła, kiedy wchodzi on w interakcję z materią?
  2. Gdzie energia niesie foton, gdy zderza się z cząsteczką?
  3. Dlaczego jedna długość fali może być pochłaniana, a inna promieniowana?

kwantowe właściwości lekkiego efektu fotoelektrycznego

Najważniejsze, co zostało udowodnione, to ciśnienie światła. Ten fakt dał nowy powód do refleksji: oznacza to, że foton miał impuls i masę. Dwoistość fal mózgowych mikrocząstek zaakceptowanych po tym znacznie ułatwiła zrozumienie szaleństwa, które miało miejsce w tym świecie: wyniki nie pasowały do ​​żadnej logiki, która istniała wcześniej.

Transfer energii

Dalsze badania potwierdziły tylko kwantowe właściwości światła. Efekt fotograficzny pokazuje, w jaki sposób jest transmitowany energia fotonów substancja. Wraz z odbiciem i absorpcją, oświetlenie jest w stanie oderwać elektrony od powierzchni ciała. Jak to się dzieje? Foton przenosi swoją energię do elektronu, staje się bardziej mobilny i zyskuje zdolność pokonywania siły wiązania z jądrem materii. Elektron opuszcza swój pierwotny element i pędzi gdzieś poza zwykłym środowiskiem.

Rodzaje efektu fotoelektrycznego

Zjawisko zjawiska fotoelektrycznego, które potwierdza kwantowe właściwości światła, ma różne formy i zależy od tego, z jakim rodzajem ciała spotyka się foton. Jeśli zderzy się z przewodnikiem, elektron opuści substancję, jak już opisano powyżej. To jest esencja zewnętrznego efektu fotograficznego.

kwantowe właściwości lekkiego efektu fotoelektrycznego i jego prawa

Ale jeśli półprzewodnik lub dielektryk jest oświetlony, wówczas elektrony nie opuszczają granic ciała, ale ulegają redystrybucji, ułatwiając ruch nośników ładunku. Tak więc zjawisko poprawy przewodnictwa podczas oświetlenia jest nazywane wewnętrznym efektem fotoelektrycznym.

Formuła zewnętrznego efektu fotoelektrycznego

Dziwne, ale efekt wewnętrznej fotografii jest bardzo trudny do zrozumienia. Konieczne jest poznanie teorii pola pasma, zrozumienie przejść przez strefę zabronioną i zrozumienie istoty przewodnictwa półprzewodników w przewodach elektronowych, aby w pełni zdać sobie sprawę z wagi tego zjawiska. Co więcej, wewnętrzny efekt fotoelektryczny nie jest tak często stosowany w praktyce. Potwierdzając kwantowe właściwości światła, formuły zewnętrznego efektu fotoelektrycznego ograniczają warstwę, z której światło jest w stanie wyciągnąć elektrony.

hν = A + W,

gdzie h jest stałą Plancka, ν jest kwantem światła o pewnej długości fali, A jest pracą, którą wykonuje elektron, by opuścić substancję, W jest energią kinetyczną (a zatem i prędkością), z którą leci.

Tak więc, jeśli cała energia fotonu jest zużywana tylko na wyjście elektronu z ciała, to na powierzchni będzie miała zerową energię kinetyczną i faktycznie nie będzie w stanie uciec. Zatem wewnętrzny efekt fotoelektryczny zachodzi w raczej cienkim zewnętrznym słowie oświetlanej substancji. To znacznie ogranicza jego użycie.

kwantowe właściwości światła krótko

Jest szansa, że ​​optyczne komputer kwantowy nadal będzie korzystał z wewnętrznego efektu fotoelektrycznego, ale ta technologia jeszcze nie istnieje.

Prawa zewnętrznego efektu fotoelektrycznego

Jednocześnie kwantowe właściwości światła nie są całkowicie bezużyteczne: efekt fotoelektryczny i jego prawa umożliwiają stworzenie źródła elektronów. Chociaż te prawa zostały w pełni sformułowane przez Einsteina (dla którego zdobył Nagrodę Nobla), różne przesłanki pojawiły się znacznie wcześniej niż w XX wieku. Pojawienie się prądu, gdy elektrolit był oświetlony, zaobserwowano po raz pierwszy już na początku XIX wieku, w 1839 roku.

kwantowe właściwości zjawiska light photoeffect

W sumie istnieją trzy prawa:

  1. Natężenie fotoprądu nasycenia jest proporcjonalne do natężenia strumienia świetlnego.
  2. Maksymalna energia kinetyczna elektronów pozostawiających substancję pod wpływem fotonów zależy od częstotliwości (a zatem energii) padającego promieniowania, ale nie zależy od intensywności.
  3. Każda substancja o tym samym typie powierzchni (gładka, wypukła, szorstka, nosa) ma czerwoną granicę efektu fotoelektrycznego. Oznacza to, że istnieje tak najmniejsza energia (a tym samym częstotliwość) fotonu, który również oddziela elektrony od powierzchni.

Wszystkie te wzory są logiczne, ale należy je rozważać bardziej szczegółowo.

Wyjaśnienie praw dotyczących efektów fotograficznych

Pierwsze prawo oznacza: im więcej fotonów spada na metr kwadratowy powierzchni na sekundę, tym więcej elektronów jest w stanie "wziąć" światło z oświetlanej substancji.

kwantowe właściwości lekkiej formuły

Przykładem jest koszykówka: im częściej zawodnik rzuca piłkę, tym częściej trafia. Oczywiście, jeśli gracz jest wystarczająco dobry i nie jest ranny podczas meczu.

Drugie prawo w rzeczywistości daje odpowiedź częstotliwościową wychodzących elektronów. Częstotliwość i długość fali fotonu określają jego energię. W widmie widzialnym czerwone światło ma najniższą energię. A ponieważ wiele czerwonych fotonów jest wysyłanych przez lampę do substancji, są one w stanie przenosić tylko niewielką energię na elektrony. W konsekwencji, nawet jeśli zostały wyciągnięte z samej powierzchni i prawie nie zakończyły pracy wychodzenia, ich energia kinetyczna nie może przekroczyć pewnego progu. Ale jeśli rozpalimy tę samą substancję za pomocą fioletowych promieni, prędkość najszybszych elektronów będzie znacznie większa, nawet jeśli istnieje bardzo mało fioletowych kwantów.

W trzecim prawie są dwa elementy - czerwona granica i stan powierzchni. Wiele czynników zależy od tego, czy metal jest polerowany, czy szorstki, czy istnieją w nim pory, czy jest gładki, czy nie: ile fotonów jest odbijanych, jak są one redystrybuowane na powierzchni (oczywiście, mniej światła wpadnie do dołów). Dzięki temu można porównywać ze sobą różne substancje tylko w takim samym stanie powierzchni. Ale energia fotonu, który wciąż może oderwać elektron od substancji, zależy tylko od rodzaju substancji. Jeśli jądra nie są bardzo mocno przyciągane do nośnika ładunku, energia fotonu może być niższa, a zatem granica czerwona jest głębsza. A jeśli jądra materii mocno trzymają swoje elektrony i nie chcą tak łatwo się z nimi rozdzielić, wówczas czerwona granica przesuwa się na zieloną stronę.