Fisika kuantum: sifat kuantum cahaya

Apakah Anda pernah berpikir tentang apa yang merupakan sebenarnya banyak fenomena cahaya? Sebagai contoh, mengambil efek fotolistrik, gelombang panas, proses fotokimia dan sejenisnya - semua sifat kuantum cahaya. Jika mereka tidak ditemukan, para ilmuwan karya tidak akan pindah dari titik mati, pada kenyataannya, serta kemajuan ilmu pengetahuan dan teknis. Mempelajari bagian mereka dari optik kuantum, yang terkait erat dengan cabang yang sama fisika.

sifat kuantum cahaya: definisi

Sampai saat ini, penafsiran yang jelas dan komprehensif ini fenomena optik tidak bisa memberikan. Mereka berhasil digunakan dalam ilmu pengetahuan dan kehidupan sehari-hari, atas dasar ini untuk membangun tidak hanya formula tetapi seluruh masalah dalam fisika. Merumuskan keputusan akhir diperoleh hanya dari ilmuwan modern yang menyimpulkan kegiatan pendahulunya. Dengan demikian, sifat-sifat gelombang kuantum cahaya dan - konsekuensi dari fitur emitter nya, atom yangtelah adalah elektron. Quantum (atau foton) terbentuk karena fakta bahwa elektron bergerak untuk menurunkan tingkat energi, sehingga menghasilkan pulsa elektro-magnetik.

Pengamatan optik pertama

XIX столетии. Asumsi tentang keberadaan sifat kuantum cahaya muncul pada abad XIX. Para ilmuwan telah menemukan dan rajin fenomena seperti difraksi, interferensi, dan polarisasi. Dengan bantuan mereka, teori gelombang elektromagnetik cahaya berasal. Hal ini didasarkan pada percepatan pergerakan elektron selama osilasi dari tubuh. Akibatnya, memanaskan, diikuti oleh gelombang cahaya muncul di belakangnya. Hipotesis penulis pertama mengenai hal ini telah membentuk Inggris D. Rayleigh. Dia dianggap sebagai sistem radiasi gelombang yang sama dan permanen, dan di ruang tertutup. Menurut kesimpulan, dengan penurunan panjang gelombang output mereka harus meningkatkan terus menerus, apalagi, wajib memiliki ultraviolet dan sinar-x. Dalam prakteknya, semua ini belum dikonfirmasi, dan butuh teori lain.

rumus Planck

XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения – выдвинул интересную гипотезу. Pada awal abad XX Maks Plank - seorang fisikawan kelahiran Jerman - telah mengajukan sebuah hipotesis yang menarik. Menurut dia, emisi dan penyerapan cahaya tidak terjadi terus menerus, seperti yang diperkirakan sebelumnya, dan bagian - quanta, atau seperti yang disebut foton. h , и он был равен 6,63·10 ^-34 Дж·с. Konstanta Planck diperkenalkan - faktor proporsionalitas diwakili oleh huruf h, dan itu sama dengan 6,63 × 10 ^-34 J · s. v – частота света. Dalam rangka untuk menghitung energi setiap foton, membutuhkan satu nilai lebih - v - frekuensi cahaya. Konstanta Planck dikalikan dengan frekuensi, dan sebagai hasilnya diperoleh energi dari foton tunggal. Sejak ilmuwan Jerman akurat dan benar dijamin dalam rumus sederhana, sifat kuantum cahaya, yang sebelumnya telah ditemukan oleh H. Hertz, dan ditunjuk sebagai efek fotolistrik.

Penemuan efek fotolistrik

Seperti yang telah kami katakan, ilmuwan Genrih Gerts adalah yang pertama yang menarik perhatian pada sifat kuantum dari nezamechaemye cahaya sebelumnya. Efek fotolistrik ditemukan pada tahun 1887 ketika seorang ilmuwan bergabung diterangi piring seng dan tongkat elektrometer tersebut. Dalam kasus di mana piring datang ke muatan positif, elektrometer tidak bisa keluar. Jika muatan negatif yang dipancarkan, perangkat mulai debit, segera setelah piring jatuh sinar ultraviolet. Selama ini pengalaman terbukti bahwa pelat terkena cahaya dapat memancarkan muatan listrik negatif, yang kemudian menerima nama yang tepat - elektron.

Praktis pengalaman Stoletova

eksperimen praktis dengan elektron yang dilakukan peneliti Rusia Alexander Stoletov. Untuk eksperimen ia menggunakan bola kaca vakum dan dua elektroda. Satu elektroda digunakan untuk transmisi listrik, dan yang kedua diterangi, dan dibawa ke kutub negatif baterai. Selama operasi ini, saat ini mulai meningkatkan kekuatan, tapi setelah beberapa saat itu menjadi konstan dan berbanding lurus dengan radiasi cahaya. Akibatnya, ditemukan bahwa energi kinetik elektron serta menunda tegangan tidak tergantung pada kekuatan cahaya. Namun peningkatan frekuensi cahaya menyebabkan tumbuh angka ini.

properti baru kuantum cahaya: efek fotolistrik dan hukum-hukumnya

Selama pengembangan Hertz teori dan praktek Stoletov telah ditarik tiga hukum dasar, yang, ternyata, foton yang berfungsi:

Мощность светового излучения, которое падает на поверхность тела, прямо пропорциональна силе тока насыщения. 1. Lampu daya yang jatuh di permukaan tubuh berbanding lurus dengan kekuatan arus saturasi.

Мощность светового излучения никак не влияет кинетическую энергию фотоэлектронов, а вот частота света является причиной линейного роста последней. 2. Lampu Daya tidak mempengaruhi energi kinetik dari fotoelektron, tetapi frekuensi cahaya adalah penyebab dari pertumbuhan linear terbaru.

Существует некая «красная граница фотоэффекта». 3. Ada semacam "tepi merah efek fotolistrik." Intinya adalah bahwa jika frekuensi kurang dari lampu indikator frekuensi minimum untuk bahan tertentu, efek fotolistrik diamati.

dua teori tabrakan Kesulitan

Setelah rumus yang diturunkan Max Planck, Ilmu dihadapkan dengan dilema. Sebelumnya berasal gelombang, dan sifat kuantum cahaya, yang terbuka sedikit kemudian, tidak bisa ada dalam rangka hukum yang berlaku umum fisika. Sesuai dengan elektromagnetik, teori lama, semua elektron dari tubuh, yang jatuh pada cahaya harus datang ke osilasi paksa pada frekuensi yang sama. Hal ini akan menghasilkan energi kinetik yang tak terbatas yang cukup mustahil. Selain itu, untuk akumulasi jumlah yang diperlukan istirahat akan tetap energi elektron yang diperlukan untuk dapat puluhan menit, sementara efek fotolistrik, dalam prakteknya, tidak ada penundaan sedikit pun. kebingungan lebih lanjut muncul juga dari fakta bahwa energi fotoelektron tidak bergantung pada kekuatan cahaya. Selain itu, belum tepi merah efek fotolistrik, dan tidak dihitung sebanding dengan frekuensi elektron energi kinetik cahaya telah dibuka. Teori lama tidak bisa menjelaskan dengan jelas terlihat dengan mata dari fenomena fisik, dan baru belum sepenuhnya berhasil.

Rasionalisme Alberta Eynshteyna

Hanya pada tahun 1905, fisikawan besar Albert Einstein menunjukkan dalam praktek dan diartikulasikan dalam teori, apa itu - hakikat cahaya. Dan gelombang sifat kuantum, terbuka oleh dua berlawanan satu sama hipotesis lain di bagian yang sama melekat foton. Untuk melengkapi gambar kurang hanya prinsip discreteness, yaitu lokasi yang tepat dari foton dalam ruang. Setiap foton - partikel yang dapat diserap atau dipancarkan secara keseluruhan. Elektron "menelan" foton ke dalam meningkatkan biaya pada nilai energi yang diserap oleh partikel. Selanjutnya, dalam photocathode elektron bergerak ke permukaan, sementara mempertahankan "dosis ganda" energi, yang output diubah menjadi energi kinetik. Dengan cara sederhana ini, dan efek fotolistrik dilakukan di mana tidak ada reaksi tertunda. Pada akhir dari elektron menghasilkan kuantum itu sendiri, yang jatuh pada permukaan tubuh, memancar dengan lebih banyak energi. Semakin besar jumlah foton yang dihasilkan - radiasi yang lebih kuat, masing-masing, dan fluktuasi gelombang cahaya tumbuh.

Perangkat yang paling sederhana, yang didasarkan pada prinsip efek fotolistrik

Setelah penemuan yang dibuat oleh ilmuwan Jerman pada awal abad kedua puluh, aplikasi masuk ke sifat kuantum cahaya untuk pembuatan berbagai perangkat. Penemuan, yang operasi adalah efek fotolistrik, yang disebut sel surya, wakil sederhana yang - vakum. Di antara kelemahan bisa disebut konduktivitas arus lemah, sensitivitas rendah radiasi gelombang panjang, yang mengapa hal itu tidak dapat digunakan dalam rangkaian AC. Perangkat vakum secara luas digunakan dalam fotometri, mereka mengukur kekuatan kecerahan dan kualitas cahaya. Dia juga memainkan peran penting dalam fototelefonah dan selama pemutaran audio.

sel fotovoltaik dengan fungsi konduksi

Itu cukup berbagai jenis perangkat, yang didasarkan pada sifat kuantum cahaya. Tujuan mereka - untuk mengubah kerapatan pembawa. Fenomena ini kadang-kadang disebut efek fotolistrik internal dan itu adalah dasar dari photoconductors operasi. semikonduktor ini memainkan peran yang sangat penting dalam kehidupan kita sehari-hari. Untuk pertama kalinya mereka mulai menggunakan mobil retro. Kemudian mereka memberikan elektronik dan baterai operasi. Di tengah-tengah abad kedua puluh mulai menerapkan sel surya tersebut untuk membangun pesawat ruang angkasa. Sampai saat ini, karena efek fotolistrik internal yang beroperasi pintu putar di kereta bawah tanah, kalkulator portabel dan panel surya.

reaksi fotokimia

Cahaya, sifat yang hanya sebagian tersedia ilmu pengetahuan di abad kedua puluh, pada kenyataannya, hal itu mempengaruhi proses kimia dan biologi. Di bawah pengaruh aliran dimulai proses disosiasi molekul kuantum dan merger mereka dengan atom. Dalam ilmu, ini dikenal sebagai Fotokimia, dan dalam sifat salah satu manifestasinya adalah fotosintesis. Hal ini karena gelombang proses cahaya emisi zat tertentu yang diproduksi oleh sel-sel ke dalam ruang ekstraseluler, dimana tanaman menjadi hijau.

Mempengaruhi sifat kuantum cahaya dan penglihatan manusia. Mendapatkan pada retina, foton memicu proses penguraian molekul protein. Informasi ini diangkut oleh neuron di otak, dan setelah pengobatan, kita semua bisa melihat cahaya. molekul protein malam tiba dipulihkan dan visi ditampung dengan kondisi baru.

hasil

Kami menemukan dalam perjalanan artikel ini, yang terutama sifat kuantum cahaya yang ditampilkan dalam sebuah fenomena yang disebut efek fotolistrik. Setiap foton memiliki muatan dan massa, dan ketika dihadapkan dengan sebuah elektron jatuh ke dalamnya. Quantum dan elektron menjadi satu, dan energi gabungan mereka diubah menjadi energi kinetik, yang, tegasnya, diperlukan untuk pelaksanaan efek fotolistrik. Osilasi gelombang sehingga dihasilkan dapat meningkatkan energi foton, tetapi hanya untuk ukuran tertentu.

Efek fotolistrik saat ini adalah komponen penting dari sebagian besar jenis peralatan. Pada dasarnya bangunan ruang kapal dan satelit, mengembangkan sel surya yang digunakan sebagai sumber energi tambahan. Selain itu, gelombang cahaya memiliki dampak yang besar pada proses kimia dan biologi di Bumi. Mengorbankan sinar matahari biasa tanaman hijau, atmosfer bumi dicat palet penuh biru, dan kita melihat dunia seperti itu.