Vlnové a kvantové vlastnosti světla

23. 3. 2020

Článek odhaluje podstatu kvantových vlastností světla. Popisuje, jak byly objeveny a co vedlo.

Planck a Quant

Na konci devatenáctého a počátku dvacátého století bylo ve vědeckých kruzích věřeno, že vše ve fyzice bylo zcela srozumitelné. Nejpokročilejší poznatky v té době byly Maxwellovy rovnice a studium různých jevů souvisejících s elektřinou. Mladí lidé, kteří chtěli dělat vědu, se nedoporučují chodit do fyziky: koneckonců, může existovat pouze rutinní výzkum, který neposkytuje žádné průlomy. Paradoxně, právě tato studie o vlastnostech dlouhodobě známého fenoménu otevřela cestu novým obzoru znalostí. kvantové vlastnosti světla

Vlna a kvantová vlastnost světla začala objevem Maxe Plancka. Studoval spektrum absolutní černé tělo a pokusil se najít nejvhodnější matematický popis jeho záření. V důsledku toho dospěl k závěru, že určitá minimální nedělitelná veličina, kterou nazývá "kvantum akce", musí být zapsána do rovnice. A protože to byl jen způsob, jak "zkrátit roh" pro jednodušší matematický vzorec, nedal tuto hodnotu žádný fyzický význam. Nicméně, jiní vědci, například A. Einstein a E. Schrödinger, zaznamenal potenciál takového jevu jako kvantum a dal vývoj nové úsek fyziky.

Je třeba říci, že sám Planck nevěřil zásadnímu charakteru svého objevu. Vědec, který se pokoušel vyvrátit kvantové vlastnosti světla, stručně přepsal svůj vzorec a začal s různými matematickými triky, aby se zbavil tohoto množství. Ale neuspěl: Džiník už byl propuštěn z láhve.

Světlo - kvantum elektromagnetického pole

Po objevu Planck je již známý fakt, že světlo má vlnové vlastnosti, doplněno jiným: foton je kvantum elektromagnetického pole. To znamená, že světlo se skládá z velmi malých nedělitelných paketů energie. Každý z těchto balíků (fotonů) je charakterizován frekvencí, vlnovou délkou a energií, které jsou navzájem spojeny. Rychlost světla ve vakuu je maximální pro známý vesmír a je asi tři sta tisíc kilometrů za sekundu.

vlnové a kvantové vlastnosti světla

Je třeba poznamenat, že kvantizovaná (tj. Rozpad na nejmenší nedělitelné části) a další množství:

  • gluonové pole;
  • gravitační pole;
  • kolektivní pohyby atomů krystalů.

Quantum: Na rozdíl od elektronu

Neměli byste si myslet, že v každém typu pole existuje určitá nejmenší hodnota, která se nazývá kvantum: elektromagnetická škála obsahuje jak velmi malé, tak i vysokoenergetické vlny (například rentgenové záření) a velmi velké, ale "slabé" vlny (například rádiové vlny). ). Jen každý kvantum cestuje ve vesmíru jako celek. Fotony, stojí za zmínku, jsou schopny ztrácet část své energie při interakci s nepřekonatelnými potenciálními bariérami. Tento jev se nazývá "tunelování".

Interakce světla a hmoty

Po takovém jasném objevu vyvstaly otázky:

  1. Co se stane s kvantovým světlem, když interaguje s hmotou?
  2. Kde přichází energie nesená fotonem, když se srazí s molekulou?
  3. Proč může být jedna vlnová délka absorbována a druhá vyzařována?

kvantové vlastnosti světelného fotoelektrického efektu

Hlavní věc, která se ukázala, je tlak světla. Tato skutečnost dala nový důvod pro reflexi: to znamená, že foton měl impuls a maso. Dvojitost korpuskulárních vln mikročástic, která byla po tomto přijetí přijata, značně ulehčila pochopení šílenství, které se dělo v tomto světě: výsledky neodpovídaly žádné logice, která existovala dříve.

Přenos energie

Další studie potvrdily pouze kvantové vlastnosti světla. Fotografický efekt ukazuje, jak se přenáší fotonové energie látky. Spolu s odrazem a absorpcí je osvětlení schopno odtrhnout elektrony z povrchu těla. Jak se to děje? Foton přenáší svou energii na elektron, stává se mobilnější a získává schopnost překonat sílu spojení s jádrem hmoty. Elektron opouští svůj rodný prvek a prochází někde mimo obvyklé prostředí.

Druhy fotoelektrického efektu

Fenomén fotoelektrického efektu, který potvrzuje kvantové vlastnosti světla, má různé formy a závisí na tom, jaký pevný těleso foton narazí. Pokud koliduje s vodičem, pak elektron opouští látku, jak již bylo popsáno výše. To je podstatou vnějšího fotografického efektu.

kvantové vlastnosti světelného fotoelektrického efektu a jeho zákonů

Pokud je však osvětlena polovodičová nebo dielektrika, pak elektrony neopouštějí hranice těla, jsou však přerozděleny a usnadňují pohyb nosičů náboje. Takže fenomén zlepšení vodivosti během osvětlení se nazývá interní fotoelektrický efekt.

Vzorec vnější fotoelektrický efekt

Zvláště zvláštní, ale interní fotografický efekt je velmi obtížné pochopit. Je třeba znát teorii oboru, porozumět přechodům v zakázané zóně a pochopit podstatu vodivosti elektronových děr polovodičů, abychom plně uvědomili důležitost tohoto jevu. Navíc interní fotoelektrický efekt není v praxi tak často používán. Potvrzující kvantové vlastnosti světla, vzorce vnějšího fotoelektrického efektu omezují vrstvu, ze které je světlo schopno vytáhnout elektrony ven.

hν = A + W,

kde h je konstanta Planck, ν je kvantum světla s určitou vlnovou délkou, A je práce, kterou provádí elektron, aby opustil látku, W je kinetická energie (a tedy i rychlost), s níž letí.

Takže pokud je veškerá fotonová energie utracena pouze na výstupu elektronu z těla, pak na povrchu bude mít nulovou kinetickou energii a ve skutečnosti nebude schopná uniknout. Takže vnitřní fotoelektrický efekt probíhá v poměrně tenkém vnějším světle osvětlené látky. To značně omezuje jeho použití.

kvantové vlastnosti světla krátce

Tam je šance, že optický kvantový počítač bude stále používat interní fotoelektrický efekt, ale tato technologie dosud neexistuje.

Zákony vnějšího fotoelektrického efektu

Současně kvantové vlastnosti světla nejsou zcela zbytečné: fotoelektrický efekt a jeho zákony umožňují vytvořit zdroj elektronů. Zatímco tyto zákony byly plně formulovány Einsteinem (pro něž získal Nobelovu cenu), různé předpoklady vznikly mnohem dříve než dvacáté století. Vzhled proudu, kdy byl osvětlený elektrolyt, byl poprvé pozorován již v počátku devatenáctého století, v roce 1839.

kvantové vlastnosti světelného jevu fotoefektu

Existují celkem tři zákony:

  1. Intenzita saturačního fotočlánku je úměrná intenzitě světelného toku.
  2. Maximální kinetická energie elektronů, které opouštějí látku pod působením fotonů, závisí na frekvenci (a tedy na energii) dopadajícího záření, ale nezávisí na intenzitě.
  3. Každá látka se stejným typem povrchu (hladká, konvexní, hrubá, nosná) má červený okraj fotoelektrického efektu. To znamená, že existuje taková nejmenší energie (a tedy frekvence) fotonu, který také odděluje elektrony od povrchu.

Všechny tyto modely jsou logické, ale měly by být zvažovány podrobněji.

Vysvětlení zákonů fotoelektrického efektu

První zákon znamená následující: čím více fotonů spadne na metr čtvereční plochy povrchu za sekundu, tím více elektronů toto světlo dokáže "vzít" z látky, která je osvětlena.

kvantové vlastnosti lehkého vzorce

Příkladem je basketbal: čím častěji hráč hodí míč, tím častěji zasáhne. Samozřejmě, pokud je hráč dostatečně dobrý a není zraněn během zápasu.

Druhý zákon skutečně dává frekvenční odezvu odchozích elektronů. Frekvence a vlnová délka fotonu určují jeho energii. Ve viditelném spektru má červené světlo nejnižší energii. A tolik červených fotonů vysílá lampa na látku, jsou schopni přenést pouze nízkou energii na elektrony. V důsledku toho, i kdyby byli vytaženi z povrchu samotného a téměř nedokončili práci, která by mohla opustit, jejich kinetická energie nemůže být nad určitou prahovou hodnotou. Ale pokud svítíme stejnou látkou s fialovými paprsky, potom bude rychlost nejrychlejších elektronů mnohem vyšší, i když je jen velmi málo purpurových kvant.

Ve třetím zákoně existují dvě složky - červený okraj a stav povrchu. Mnoho faktorů závisí na tom, zda je kov leštěný nebo drsný, zda jsou v něm póry nebo zda je hladký nebo ne: kolik fotonů se odráží, jak jsou přerozděleny přes povrch (samozřejmě méně světla spadne do jám). Takže si můžete vzájemně porovnávat různé látky pouze se stejnými povrchovými podmínkami. Energie fotonu, který je stále schopen odtrhnout elektron od látky, závisí pouze na druhu látky. Pokud jádra nejsou příliš silně přitahováni nosičem náboje, může být fotonová energie nižší, a proto je červený okraj hlubší. A jádra hmoty pevně drží své elektrony a nechtějí se s nimi tak snadno rozdělit, pak se červený okraj posune na zelenou stranu.