Vật lý lượng tử: các tính chất lượng tử của ánh sáng

Bạn đã bao giờ nghĩ về những gì tạo nên trên thực tế nhiều hiện tượng ánh sáng? Ví dụ, lấy hiệu ứng quang điện, sóng nhiệt, quá trình quang hóa và những thứ tương tự - tất cả các tính chất lượng tử của ánh sáng. Nếu họ đã không được phát hiện, các nhà khoa học các tác phẩm sẽ không có di chuyển từ điểm chết, trên thực tế, cũng như các tiến bộ khoa học và kỹ thuật. Học phần của họ về quang học lượng tử, được gắn bó chặt chẽ với các chi nhánh cùng của vật lý.

tính chất lượng tử của ánh sáng: một định nghĩa

Cho đến gần đây, việc giải thích rõ ràng và toàn diện này hiện tượng quang học không thể cung cấp. Chúng được sử dụng thành công trong khoa học và cuộc sống hàng ngày, trên cơ sở đó xây dựng không chỉ là công thức nhưng toàn bộ vấn đề trong vật lý. Xây dựng một quyết định cuối cùng được lấy chỉ từ các nhà khoa học hiện đại đã tóm tắt các hoạt động của những người tiền nhiệm của nó. Như vậy, tính chất sóng lượng tử của ánh sáng và - một hệ quả của các tính năng của bộ phát của nó, các nguyên tử wherewith là electron. Quantum (hoặc photon) được hình thành do thực tế rằng một electron di chuyển để giảm mức năng lượng, do đó tạo ra các xung điện từ.

Các quan sát quang học đầu tiên

XIX столетии. Các giả định về sự hiện diện của các tính chất lượng tử của ánh sáng xuất hiện vào thế kỷ XIX. Các nhà khoa học đã phát hiện ra và siêng năng hiện tượng như nhiễu xạ, giao thoa và sự phân cực. Với sự giúp đỡ của họ, lý thuyết sóng điện từ của ánh sáng được bắt nguồn. Nó được dựa trên sự tăng tốc của sự chuyển động của các electron trong các dao động của cơ thể. Kết quả là, nóng, tiếp theo là sóng của ánh sáng xuất hiện phía sau. Giả thuyết tác giả đầu tiên về đề tài này đã hình thành Anh D. Rayleigh. Ông được coi là một hệ thống bức xạ sóng bình đẳng và vĩnh viễn, và trong một không gian hạn chế. Theo kết luận của nó, với sự sụt giảm trong các bước sóng đầu ra của họ nên tăng liên tục, hơn nữa, yêu cầu phải có tia cực tím và tia X. Trên thực tế, tất cả điều này chưa được xác nhận, và nó mất nhà lý luận khác.

công thức Planck

XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения – выдвинул интересную гипотезу. Vào đầu thế kỷ XX Maks Plank - một nhà vật lý sinh ra ở Đức - đã đưa ra một giả thuyết thú vị. Theo bà, các khí thải và hấp thụ ánh sáng không xảy ra liên tục, như suy nghĩ trước đây, và phần - Quanta, hoặc khi chúng được gọi là photon. h , и он был равен 6,63·10 ^-34 Дж·с. hằng số Planck đã được giới thiệu - yếu tố tỉ lệ đại diện bởi lá thư h, và nó đã tương đương với 6.63 × 10 ^-34 J · s. v – частота света. Để tính toán năng lượng của mỗi photon, cần một giá trị nhiều hơn - v - tần số của ánh sáng. hằng số Planck nhân với tần số, và kết quả là thu được năng lượng của một photon đơn lẻ. Kể từ khi nhà khoa học Đức một cách chính xác và chính xác bảo đảm trong một công thức đơn giản, các tính chất lượng tử của ánh sáng, mà trước đây đã được tìm thấy bằng cách H. Hertz, và được chỉ định nó như là hiệu ứng quang điện.

Việc phát hiện ra hiệu ứng quang điện

Như chúng ta đã biết, các nhà khoa học Genrih Gerts là người đầu tiên đã thu hút sự chú ý đến tính chất lượng tử của ánh sáng nezamechaemye trước đó. Các hiệu ứng quang điện được phát hiện vào năm 1887 khi một nhà khoa học tham gia được chiếu sáng một tấm kẽm và một cây gậy của điện kế. Trong trường hợp các tấm đến một điện tích dương, các điện không xả. Nếu một điện tích âm được phát ra, các thiết bị bắt đầu xả, càng sớm càng tấm rơi tia cực tím. Trong thời gian này kinh nghiệm thực tiễn nó đã được chứng minh rằng tấm được tiếp xúc với ánh sáng có thể tỏa điện tích âm, mà sau này đã nhận được tên thích hợp - electron.

Kinh nghiệm thực tế Stoletova

thí nghiệm thực tế với các electron tiến hành nghiên cứu người Nga Alexander Stoletov. Đối với thí nghiệm của mình, ông sử dụng một bóng đèn thủy tinh chân không và hai điện cực. Một điện cực được sử dụng cho truyền tải điện, và lần thứ hai được chiếu sáng, và nó đã được đưa đến cực âm của ắc quy. Trong hoạt động này, hiện tại bắt đầu để tăng sức mạnh, nhưng sau một thời gian nó đã trở thành một hằng số và tỷ lệ thuận với bức xạ của ánh sáng. Kết quả là, người ta phát hiện ra rằng động năng của electron cũng như kéo dài thời gian điện áp không phụ thuộc vào sức mạnh của ánh sáng. Nhưng sự gia tăng tần số của ánh sáng gây ra để phát triển con số này.

đặc tính mới của lượng tử ánh sáng: hiệu ứng quang điện và pháp luật của nó

Trong sự phát triển của Hertz lý thuyết và thực hành Stoletov đã được rút ba luật cơ bản, trong đó, khi nó bật ra, các photon là hoạt động:

Мощность светового излучения, которое падает на поверхность тела, прямо пропорциональна силе тока насыщения. 1. ánh sáng điện rơi trên bề mặt của cơ thể là tỷ lệ thuận với cường độ của bão hòa hiện nay.

Мощность светового излучения никак не влияет кинетическую энергию фотоэлектронов, а вот частота света является причиной линейного роста последней. 2. ánh sáng điện không ảnh hưởng đến động năng của quang điện tử, nhưng tần số của ánh sáng là nguyên nhân của sự tăng trưởng tuyến tính mới nhất.

Существует некая «красная граница фотоэффекта». 3. Có một loại "cạnh màu đỏ của hiệu ứng quang điện." Điểm mấu chốt là nếu tần số thấp hơn đèn báo tần số tối thiểu đối với một loại vật liệu nhất định, hiệu ứng quang điện được quan sát.

hai lý thuyết va chạm khó khăn

Sau khi công thức có nguồn gốc Max Planck, Khoa học phải đối mặt với một tình trạng khó xử. Trước đây có nguồn gốc sóng, và tính chất lượng tử của ánh sáng, đó là mở một chút sau đó, không thể tồn tại trong khuôn khổ của pháp luật được chấp nhận chung của vật lý. Phù hợp với điện từ, lý thuyết cũ, tất cả các electron của cơ thể, mà rơi vào ánh sáng nên đi vào dao động buộc phải ở cùng một tần số. Điều này sẽ tạo ra một động năng vô hạn đó là khá bất khả thi. Hơn nữa, đối với sự tích tụ của số tiền yêu cầu của phần còn lại sẽ vẫn là năng lượng điện tử là cần thiết để có thể hàng chục phút, trong khi hiệu ứng quang điện, trong thực tế, không có sự chậm trễ nhỏ nhất. nhầm lẫn hơn nữa cũng xuất phát từ thực tế rằng năng lượng của quang điện tử không phụ thuộc vào sức mạnh của ánh sáng. Hơn nữa, không có rìa màu đỏ của hiệu ứng quang điện, và không tính tỷ lệ với tần số của các electron năng lượng động học của ánh sáng đã được mở. Lý thuyết cũ không thể giải thích rõ ràng nhìn thấy bằng mắt của các hiện tượng vật lý, và mới vẫn chưa hoàn toàn làm việc ra.

Chủ nghĩa duy lý Alberta Eynshteyna

Chỉ trong năm 1905, nhà vật lý vĩ đại Albert Einstein cho thấy trong thực tế và khớp nối về mặt lý thuyết, những gì nó là - bản chất thật sự của ánh sáng. Và tính chất sóng lượng tử, mở bởi hai đối diện mỗi giả thuyết khác trong các phần bằng cố hữu để photon. Để hoàn thành bức tranh thiếu chỉ nguyên tắc discreteness, tức là vị trí chính xác của các photon trong không gian. Mỗi photon - một hạt có thể được hấp thụ hoặc phát ra như một toàn thể. Electron "nuốt" photon bên trong tăng phí của nó trên giá trị của năng lượng hấp thụ bởi các hạt. Hơn nữa, bên electron âm cực quang di chuyển đến bề mặt của nó, trong khi duy trì một "liều kép" của năng lượng, trong đó sản lượng được chuyển thành động năng. Bằng cách đơn giản này, và hiệu ứng quang điện được thực hiện, trong đó không có phản ứng chậm. Tại kết thúc của electron tạo ra một lượng tử riêng của mình, rơi vào bề mặt của cơ thể, tỏa ra năng lượng nhiều hơn. Việc lớn hơn số lượng photon được tạo ra - các bức xạ mạnh hơn, tương ứng, và sự biến động của các sóng ánh sáng phát triển.

Các thiết bị đơn giản nhất, mà là dựa trên nguyên tắc hiệu ứng quang điện

Sau khi khám phá được thực hiện bởi các nhà khoa học Đức vào đầu thế kỷ XX, các ứng dụng được vào các tính chất lượng tử của ánh sáng để sản xuất thiết bị khác nhau. Sáng chế, mà hoạt động là hiệu ứng quang điện, được gọi là các tế bào năng lượng mặt trời, đại diện đơn giản nhất trong số đó - chân không. Trong số nhược điểm của nó có thể được gọi là độ dẫn hiện nay yếu, nhạy cảm thấp với bức xạ sóng dài, đó là lý do tại sao nó không thể được sử dụng trong mạch AC. Thiết bị chân không được sử dụng rộng rãi trong trắc quang, họ đo lường sức mạnh của độ sáng và chất lượng ánh sáng. Ông cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc fototelefonah và trong khi phát âm thanh.

tế bào quang điện với chức năng dẫn

Đó là một loại hoàn toàn khác nhau của các thiết bị, mà là dựa trên các tính chất lượng tử của ánh sáng. Mục đích của họ - để thay đổi mật độ tàu sân bay. Hiện tượng này đôi khi được gọi là hiệu ứng quang điện nội bộ, và nó là cơ sở của photoconductors hoạt động. Những chất bán dẫn được đóng một vai trò rất quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng tôi. Đây là lần đầu tiên họ bắt đầu sử dụng những chiếc xe retro. Sau đó, họ cung cấp các thiết bị điện tử và pin hoạt động. Vào giữa thế kỷ XX bắt đầu áp dụng các tế bào năng lượng mặt trời như vậy để xây dựng tàu vũ trụ. Cho đến nay, do hiệu ứng quang điện nội bộ hoạt động turnstiles trong tàu điện ngầm, máy tính xách tay và tấm pin mặt trời.

phản ứng quang hóa

Ánh sáng, bản chất trong số đó chỉ là khoa học một phần có sẵn trong thế kỷ XX, trên thực tế, nó ảnh hưởng đến quá trình sinh học hóa học và. Dưới ảnh hưởng của dòng chảy bắt đầu quá trình lượng tử phân ly phân tử và sáp nhập của họ với các nguyên tử. Trong khoa học, điều này được gọi là quang, và trong bản chất của một trong những biểu hiện của nó là quang hợp. Đó là do sóng quá trình ánh sáng của khí thải một số chất được sản xuất bởi các tế bào vào không gian ngoại bào, trong đó nhà máy sẽ trở thành màu xanh lá cây.

Ảnh hưởng đến tính chất lượng tử của ánh sáng và tầm nhìn của con người. Bắt trên võng mạc, một photon gây nên quá trình phân hủy các phân tử protein. Thông tin này được vận chuyển bằng tế bào thần kinh trong não, và sau khi điều trị, chúng ta có thể nhìn thấy ánh sáng. phân tử protein Nightfall được phục hồi và tầm nhìn được cung cấp chỗ ở với điều kiện mới.

kết quả

Chúng tôi phát hiện ra trong quá trình của bài viết này, trong đó chủ yếu là các tính chất lượng tử của ánh sáng được thể hiện trong một hiện tượng gọi là hiệu ứng quang điện. Mỗi photon có trách nhiệm và khối lượng của nó, và khi đối mặt với một electron rơi vào nó. Quantum và điện tử trở thành một, và năng lượng kết hợp của họ được chuyển hóa thành năng lượng động học, trong đó, nói đúng, cần thiết cho việc thực hiện các hiệu ứng quang điện. Dao động sóng do đó sản xuất có thể làm tăng năng lượng photon, nhưng chỉ đến một biện pháp nhất định.

hiệu ứng quang điện ngày nay là một thành phần thiết yếu của hầu hết các loại thiết bị. Trên cơ sở của nó những con tàu không gian xây dựng và vệ tinh, phát triển pin mặt trời được sử dụng như một nguồn năng lượng phụ trợ. Bên cạnh đó, các sóng ánh sáng có ảnh hưởng lớn đến quá trình hóa học và sinh học trên Trái đất. Các chi phí của ánh sáng mặt trời thông thường các nhà máy có màu xanh, bầu khí quyển của trái đất được sơn bảng đầy đủ các màu xanh, và chúng ta thấy thế giới như nó là.