Вълнови и квантови свойства на светлината

Статията разкрива същността на квантовите свойства на светлината. Описва как са били открити и до какво е довело.

Планк и Квант

В края на ХІХ и началото на ХХ век в научните среди се смяташе, че всичко във физиката е напълно разбираемо. Най-напреднали в този момент бяха уравненията на Максуел и изучаването на различни явления, свързани с електричеството. На младите хора, които искаха да се занимават с наука, не се препоръчва да ходят на физика: в края на краищата, може да има само рутинни изследвания, които не дават никакви пробиви. Въпреки това, по ирония на съдбата, именно това изследване на свойствата на отдавна познато явление отвори пътя към нови хоризонти на знанието.

Вълновите и квантовите свойства на светлината започват с откриването на Макс Планк. Той изучи спектъра абсолютно черно тяло и се опитаха да намерят най-подходящото математическо описание на неговото излъчване. В резултат на това той стигна до заключението, че в уравнението, което той нарича "квант на действие", трябва да се въведе определено минимално неделимо количество. И тъй като това е само начин да се „отреже ъгълът” за по-проста математическа формула, той не дава на тази стойност никакъв физически смисъл. Въпреки това, други учени, например, А. Айнщайн и E. Schrödinger, забеляза потенциала на такова явление като квантова и даде развитие на ново част от физиката.

Трябва да се каже, че самият Планк не вярваше напълно в фундаменталната природа на своето откритие. Ученият, опитвайки се да опровергае квантовите свойства на светлината, накратко пренаписа своята формула, като се зае с различни математически трикове, за да се отърве от това количество. Но той не успя: духът вече е бил освободен от бутилката.

Светлина - квант на електромагнитното поле

След откриването на Планк, вече известният факт, че светлината има вълнови свойства, се допълва от друг: фотонът е квант на електромагнитното поле. Това означава, че светлината се състои от много малки неделими енергийни пакети. Всеки от тези пакети (фотон) се характеризира с честота, дължина на вълната и енергия, всички от които са свързани един с друг. Скоростта на светлината във вакуум е максимална за известна вселена и е около триста хиляди километра в секунда.

Трябва да се отбележи, че квантува (т.е. разпада на най-малките неделими части) и други количества:

• глюонно поле;
• гравитационно поле;
• колективни движения на кристални атоми.

Quantum: За разлика от Electron

Не бива да мислите, че във всеки вид поле има определена най-малка стойност, която се нарича квантова: електромагнитната скала съдържа много малки и високи енергийни вълни (например рентгенови) и много големи, но „слаби” вълни (например радиовълни). ). Само всяко квантово пътува в пространството като цяло. Фотоните, заслужава да се отбележи, са в състояние да загубят част от енергията си, когато взаимодействат с непреодолими потенциални бариери. Това явление се нарича "тунелиране".

Взаимодействието на светлината и материята

След такова ярко откритие възникнаха въпроси:

1. Какво се случва с квантовата светлина, когато тя взаимодейства с материята?
2. Къде отива енергията, пренесена от фотона, когато се сблъска с молекула?
3. Защо една дължина на вълната може да се абсорбира, а другата да излъчва?

Основното, което е доказано, е налягането на светлината. Този факт даде нова причина за размисъл: това означава, че фотонът има импулс и маса. Двустранността на корпускулярната вълна на микрочастиците, приети след това, значително улесни разбирането за лудостта, която се случва в този свят: резултатите не се вписваха в никаква логика, съществувала преди това.

Трансфер на енергия

Допълнителни изследвания само потвърждават квантовите свойства на светлината. Фото ефектът показва как се предава фотонна енергия вещество. Заедно с отражението и абсорбцията, осветлението може да разкъсва електрони от повърхността на тялото. Как става това? Фотонът предава енергията си на електрона, става по-подвижен и придобива способността да преодолее силата на свързване с ядрата на материята. Електрон оставя родния си елемент и се втурва някъде извън обичайната среда.

Видове фотоелектричен ефект

Феноменът на фотоелектричния ефект, който потвърждава квантовите свойства на светлината, има различни форми и зависи от това какъв вид твърдо тяло се среща с фотона. Ако се сблъска с проводник, електронът напуска веществото, както вече беше описано по-горе. Това е същността на външния фотоефект.

Но ако се осветява полупроводник или диелектрик, тогава електроните не напускат границите на тялото, а се преразпределят, улеснявайки движението на носителите на заряд. По този начин феноменът за подобряване на проводимостта по време на осветяване се нарича вътрешен фотоелектричен ефект.

Формула външен фотоелектричен ефект

Странно, но вътрешният фотоефект е много труден за разбиране. Необходимо е да се познава теорията на лентовото поле, да се разберат преходите през забранената зона и да се разбере същността на електронно-дупчната проводимост на полупроводниците, за да се осъзнае напълно значението на това явление. Освен това, вътрешният фотоелектричен ефект не се използва често на практика. Потвърждавайки квантовите свойства на светлината, формулите на външния фотоелектричен ефект ограничават слоя, от който светлината може да издърпва електроните.

hν = A + W,

където h е константата на Планк, ν е квант на светлина с определена дължина на вълната, А е работата, която се извършва от електрона, за да напусне вещество, W е кинетичната енергия (и следователно скоростта), с която лети.

Така, ако цялата енергия на фотона се изразходва само за изхода на електрона от тялото, то на повърхността ще има нулева кинетична енергия и всъщност няма да може да избяга. Така вътрешният фотоелектричен ефект се осъществява в доста тънка външна дума на осветената субстанция. Това значително ограничава използването му.

Има шанс, че оптично квантов компютър все още ще използва вътрешния фотоелектричен ефект, но тази технология все още не съществува.

Законите на външния фотоелектричен ефект

В същото време, квантовите свойства на светлината не са напълно безполезни: фотоелектричният ефект и неговите закони правят възможно създаването на източник на електрони. Докато тези закони бяха напълно формулирани от Айнщайн (за което той спечели Нобелова награда), различни предпоставки се появиха много по-рано от двадесети век. Появата на ток при осветяване на електролита се наблюдава за първи път в началото на XIX век, през 1839 година.

Общо има три закона:

1. Интензивността на фототока на насищане е пропорционална на интензивността на светлинния поток.
2. Максималната кинетична енергия на електрони, напускащи вещество под действието на фотони, зависи от честотата (и следователно от енергията) на падащото излъчване, но не зависи от интензивността.
3. Всяко вещество със същия вид повърхност (гладка, изпъкнала, груба, носова) има червена граница на фотоелектричния ефект. Това означава, че има такава най-малка енергия (и следователно честота) на фотона, който също отделя електроните от повърхността.

Всички тези модели са логични, но трябва да бъдат разгледани по-подробно.

Обяснение на законите на фотоелектричния ефект

Първият закон означава следното: колкото повече фотони падат на квадратен метър от повърхността в секунда, толкова повече електрони могат да „вземат“ тази светлина от осветеното вещество.

Пример за това е баскетболът: колкото по-често играчът хвърля топката, толкова по-често той ще удари. Разбира се, ако играчът е достатъчно добър и не е наранен по време на мача.

Вторият закон всъщност дава честотната характеристика на изходящите електрони. Честотата и дължината на вълната на фотона определят нейната енергия. Във видимия спектър червената светлина има най-ниска енергия. И тъй като много червени фотони се изпращат от една лампа към вещество, те могат да предават само ниска енергия на електрони. Следователно, дори ако са били извадени от самата повърхност и почти не са завършили работата по излизане, тяхната кинетична енергия не може да бъде над определен праг. Но ако осветяваме едно и също вещество с виолетови лъчи, скоростта на най-бързите електрони ще бъде много по-висока, дори ако има много малко виолетови кванти.

В третия закон има два компонента - червената граница и състоянието на повърхността. Много фактори зависят от това дали металът е полиран или груб, има ли пори в него или дали е гладък или не, колко фотони се отразяват, как се преразпределят по повърхността (очевидно по-малко светлина ще попадне в ямите). Така че можете да сравнявате помежду си различни вещества само при едно и също състояние на повърхността. Но енергията на фотон, който все още е в състояние да разкъса електрона от вещество, зависи само от вида на веществото. Ако ядрата не са много силно привлечени от носител на заряд, то енергията на фотона може да бъде по-ниска и следователно червената граница е по-дълбока. И ако ядрата на материята държат електроните си здраво и не искат да се разделят с тях толкова лесно, то червената граница се премества към зелената страна.