Quantum fizikia: quantum mali ya mwanga

Je, umewahi mawazo kuhusu nini maana ya kweli wengi matukio mwanga? Kwa mfano, kufanya kazi photoelectric, mawimbi ya joto, taratibu photochemical na kama - quantum mali yote ya mwanga. Kama walikuwa imegunduliwa, wanasayansi kazi bila kuwa na kuhamia kutoka hatua wafu, kwa kweli, pamoja na kisayansi na kiufundi maendeleo. Kujifunza sehemu yao ya optics quantum, ambayo ni inextricably wanaohusishwa na tawi hiyo ya fizikia.

Quantum mali ya mwanga: Ufafanuzi

Hadi hivi karibuni, tafsiri ya wazi na ya kina ya hii jambo macho hakuweza kutoa. Wao ni mafanikio kutumika katika sayansi na maisha ya kila siku, kwa msingi huu wa kujenga si tu formula lakini tatizo zima katika fizikia. Kuunda uamuzi wa mwisho kupatikana tu kutoka wanasayansi wa kisasa ambao inaongozwa shughuli za watangulizi wake. Hivyo, quantum wimbi mali ya mwanga na - matokeo ya sifa za emitters wake, atomu ambazo kwa watu elektroni. Quantum (au fotoni) ni sumu kutokana na ukweli kwamba elektroni hatua ya ngazi ya nishati chini, hivyo kuzalisha electro-magnetic kunde.

kwanza uchunguzi wa macho

XIX столетии. Dhana kuhusu kuwepo kwa mali quantum ya mwanga alionekana katika karne ya XIX. Wanasayansi wamegundua na bidii mambo kama diffraction, kuingiliwa na ubaguzi. Kwa msaada wao, electromagnetic wimbi nadharia ya mwanga ilitokana. Ilikuwa misingi ya kuongeza kasi ya harakati ya elektroni katika oscillations ya mwili. Kwa sababu hiyo, jua kali, na kufuatiwa na mawimbi ya mwanga alionekana nyuma yake. mwandishi wa kwanza nadharia tete katika somo hili mfinyanzi Mwingereza D. Rayleigh. Anaonekana kama mfumo wa mionzi sawa na ya kudumu mawimbi, na katika nafasi funge. Kwa mujibu wa uamuzi wake, pamoja na kupungua kwa wavelengths yao pato inapaswa kuongeza kuendelea, hata hivyo, inatakiwa kuwa na ultraviolet na eksirei. Katika mazoezi, hii yote hazijawahi kuthibitishwa, na ilichukua mnadharia nyingine.

formula Planck ya

XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения – выдвинул интересную гипотезу. Katika mwanzo wa karne ya XX Maks Plank - Kijerumani mzaliwa mwanafizikia - kimetoa nadharia ya kuvutia. Kulingana naye, chafu na ngozi ya mwanga haina kutokea kuendelea, kama ilivyodhaniwa hapo awali, na sehemu - quanta, au kama wao ni kuitwa fotoni. h , и он был равен 6,63·10 ^-34 Дж·с. mara kwa mara Planck ya kuletwa - uwiano sababu inawakilishwa na barua h, na ilikuwa sawa na 6.63 × 10 ^-34 J · s. v – частота света. Ili kufanya mahesabu ya nishati ya kila photon, zinahitajika moja zaidi thamani - v - mzunguko wa mwanga. mara kwa mara Planck ya kuzidisha mara mzunguko, na matokeo yake kupatikana nishati ya photon moja. Tangu German mwanasayansi usahihi na usahihi kuulinda katika formula rahisi, mali quantum ya mwanga, ambayo hapo awali ilikuwa kupatikana kwa H. Hertz, na mteule kama athari photoelectric.

ugunduzi wa athari photoelectric

Kama tulivyosema, mwanasayansi Genrih Gerts alikuwa wa kwanza ambaye alielezea tabia quantum ya mwanga nezamechaemye mapema. athari photoelectric iligunduliwa mwaka 1887 wakati mwanasayansi alijiunga mwanga sahani zinki na fimbo ya electrometer. Iwapo sahani suala la malipo mazuri, electrometer si kuruhusiwa. Ikiwa gharama hasi ni lilio, kifaa huanza kutokwa, mara tu sahani maporomoko ultraviolet ray. Wakati wa hii mikono juu ya uzoefu ilikuwa imeonekana kuwa sahani ni wazi kwa mwanga inaweza kung'ara hasi mashtaka umeme, ambayo baadaye alipokea jina sahihi - elektroni.

Vitendo uzoefu Stoletova

majaribio ya vitendo na elektroni uliofanywa Urusi mtafiti Alexander Stoletov. Kwa tafiti zake alitumia bulb utupu kioo na electrodes mbili. electrode One ilitumika kwa maambukizi nguvu, na ya pili mara mwanga, na alipelekwa katika pole hasi ya betri. Wakati wa operesheni hii, sasa huanza kuongeza nguvu, lakini baada ya muda ikawa mara kwa mara na moja kwa moja sawia na mionzi ya mwanga. Matokeo yake, ilibainika kuwa kinetic nishati ya elektroni na pia kuchelewesha voltage halitegemei nguvu za mwanga. Lakini kuongezeka kwa mzunguko wa mwanga sababu ya kukua takwimu hii.

New quantum tabia za mwanga: athari photoelectric na sheria zake

Wakati wa maendeleo ya Hertz ya nadharia na mazoezi Stoletov alikuwa kuondolewa sheria tatu za msingi, ambayo, kama aligeuka, fotoni ni kazi:

Мощность светового излучения, которое падает на поверхность тела, прямо пропорциональна силе тока насыщения. 1. Power mwanga kwamba iko juu ya uso wa mwili ni moja kwa moja sawia na nguvu ya kueneza sasa.

Мощность светового излучения никак не влияет кинетическую энергию фотоэлектронов, а вот частота света является причиной линейного роста последней. 2. Nguvu mwanga haiathiri kinetic nishati ya photoelectron, lakini mzunguko wa mwanga ni sababu ya ukuaji karibuni mstari.

Существует некая «красная граница фотоэффекта». 3. Kuna aina gani ya "nyekundu makali ya athari photoelectric." line ya chini ni kwamba kama mzunguko ni chini ya kiwango cha chini frequency kiashiria mwanga kwa ajili ya nyenzo fulani, athari photoelectric ni kuzingatiwa.

nadharia mbili mgongano Matatizo

Baada formula inayotokana Max Planck, Sayansi wanakabiliwa na mtanziko. Hapo awali inayotokana wimbi, na quantum mali ya mwanga, ambayo yalikuwa wazi kidogo baadaye, hakuweza kuwepo katika mfumo wa sheria zinazokubalika za fizikia. Kwa mujibu wa sumakuumeme, nadharia za zamani, elektroni zote za mwili, ambayo iko juu ya mwanga ajaye oscillation kulazimishwa katika mzunguko huo. Hii itakuwa kuzalisha usio kinetic nishati ambayo haiwezekani kabisa. Zaidi ya hayo, kwa mkusanyiko wa kiasi required ya mapumziko ingekuwa bado elektroni nishati ni muhimu kuwa na uwezo wa mamia ya dakika, wakati athari photoelectric, kwa vitendo, hakuna kuchelewa kidogo. machafuko zaidi akaondoka pia kutokana na ukweli kwamba nishati ya photoelectrons halitegemei nguvu za mwanga. Zaidi ya hayo, ina si makali nyekundu ya athari photoelectric, na kwa hivyo mahesabu sawia na mzunguko wa elektroni kinetic nishati ya mwanga imekuwa kufunguliwa. nadharia ya zamani hawakuweza kueleza wazi wazi kwa macho ya matukio ya kimwili, na mpya bado kikamilifu kazi nje.

Umantiki Alberta Eynshteyna

Tu mwaka 1905, mwanafizikia kubwa Albert Einstein alionyesha kwa vitendo na ilitoa katika nadharia, ni nini - asili ya kweli ya mwanga. Na quantum wimbi mali, wazi na kinyume mbili kila nadharia nyingine katika sehemu sawa ya asili kwa fotoni. Kukamilisha picha walikosa tu kanuni ya discreteness, yaani eneo halisi ya fotoni katika nafasi. Kila photon - chembe ambayo yanaweza kufyonzwa au lilio kwa ujumla. Electron "kumeza" ndani photon kuongezeka malipo yake juu ya thamani ya nishati kufyonzwa kwa chembe. Zaidi ya hayo, ndani ya photocathode elektroni hatua kwa uso yake, wakati kudumisha "mara mbili dozi" ya nishati, ambayo pato ni kugeuza nishati kinetic. Kwa namna hii rahisi, na athari photoelectric unafanywa ambapo hakuna majibu kuchelewa. Katika kumaliza elektroni inazalisha quantum yenyewe, ambayo iko juu ya uso wa mwili, meremeta na nishati zaidi. idadi kubwa ya fotoni zinazozalishwa - mionzi yenye nguvu zaidi, kwa mtiririko huo, na fluctuation ya wimbi mwanga kukua.

vifaa rahisi, ambayo ni msingi wa kanuni ya athari photoelectric

Baada ambayo wanasayansi wamegundua German katika mwanzo wa karne ya ishirini, maombi anapata katika mali quantum ya mwanga kwa ajili ya utengenezaji wa vifaa mbalimbali. Inventions, ambaye kazi ni athari photoelectric, aitwaye seli nishati ya jua, mwakilishi rahisi ambayo - utupu. Miongoni mwa hasara yake anaweza kuitwa dhaifu conductivity ya sasa, uwezo wa kuonyesha athari kwa wimbi la mionzi kwa muda mrefu, ambayo ni kwa nini haiwezi kutumika katika AC nyaya. kifaa utupu sana kutumika katika photometry, kupima nguvu ya mwangaza na mwanga ubora. Pia ina jukumu muhimu katika fototelefonah na wakati wa kucheza sauti.

seli photovoltaic na kazi upitishaji

Ilikuwa aina tofauti ya vifaa, ambayo ni msingi wa quantum tabia za mwanga. Madhumuni yao - na mabadiliko ya carrier wiani. Jambo hili kwa mara huitwa ndani photoelectric athari, na ni msingi wa photoconductors utendaji. halvledare Hizi ni kucheza nafasi muhimu sana katika maisha yetu ya kila siku. Kwa mara ya kwanza walianza kutumia magari retro. Kisha kutoa vifaa vya umeme na betri utendaji. Katikati ya karne ya ishirini alianza kuomba kama seli nishati ya jua kwa ajili ya kujenga spaceships. Hadi sasa, kutokana na ndani athari photoelectric kazi turnstiles katika Subway, calculators ni nyepesi na umeme wa jua.

photochemical

Mwanga, asili ya ambayo ilikuwa tu sehemu inapatikana sayansi katika karne ya ishirini, kwa kweli, unaathiri kemikali na kibiolojia. Chini ya ushawishi wa mtiririko kuanza quantum Masi dissociation mchakato na muungano wao na atomi. Katika sayansi, hii inajulikana kama kemia, na katika hali ya moja ya maonyesho yake ni photosynthesis. Ni kutokana na mwanga mawimbi mchakato wa utoaji wa dutu fulani zinazozalishwa na seli katika nafasi ya seli, ambapo kupanda inakuwa kijani.

Kuathiri quantum mali ya mwanga na maono ya binadamu. Kupata kwenye retina, photon kuchochea mchakato wa kuoza kwa molekuli protini. Taarifa hizi kusafirishwa kwa neurons katika ubongo, na baada ya matibabu, tunaweza wote kuona mwanga. Usiku molekuli ya protini ni kurejeshwa na maono ni kushughulikiwa na hali mpya.

matokeo

Tuligundua wakati wa makala hii, ambayo ni hasa quantum mali ya mwanga yameonyeshwa katika jambo kuitwa athari photoelectric. Kila photon ina malipo yake na habari, na wakati wanakabiliwa na elektroni maporomoko ndani yake. Quantum na elektroni kuwa moja, na nguvu zao pamoja ni waongofu katika nishati kinetic, ambayo, madhubuti kusema, muhimu kwa ajili ya utekelezaji wa athari photoelectric. wimbi oscillation hivyo zinazozalishwa inaweza kuongeza photon nishati, lakini tu kwa kiasi fulani.

Photoelectric athari leo ni sehemu muhimu ya aina nyingi za vifaa. Kwa msingi wake jengo nafasi meli na satelaiti, kuendeleza seli nishati ya jua ni kutumika kama chanzo cha nishati msaidizi. Aidha, mawimbi ya mwanga na matokeo makubwa juu ya mchakato wa kemikali na kibiolojia duniani. gharama ya jua kawaida mimea ya kijani, anga ya dunia ni walijenga palette kamili ya rangi ya bluu, na tunaona ulimwengu kama ni.