АдукацыяСярэднюю адукацыю і школы

Квантавая фізіка: квантавыя ўласцівасці святла

Ці задумваліся вы пра тое, што сабой уяўляюць на самай справе шматлікія светлавыя з'явы? Для прыкладу возьмем фотаэфект, цеплавыя хвалі, фотахімічныя працэсы і таму падобнае - усё гэта квантавыя ўласцівасці святла. Калі б яны не былі адкрыты, працы вучоных не рушылі б з мёртвай кропкі, уласна, як і навукова-тэхнічны прагрэс. Вывучаюць іх у раздзеле квантавай оптыкі, які непарыўна звязаны з аднайменнай падзелам фізікі.

Квантавыя ўласцівасці святла: вызначэнне тэрміна

Да нядаўняга часу выразную і зразумелую трактоўку дадзеным аптычнай з'яве даць не маглі. Ім паспяхова карысталіся ў навуцы і паўсядзённым жыцці, на яго аснове будавалі не толькі формулы, але і цэлыя задачы па фізіцы. Сфармуляваць канчатковае вызначэнне атрымалася толькі ў сучасных навукоўцаў, якія падводзілі вынікі дзейнасці сваіх папярэднікаў. Такім чынам, хвалевыя і квантавыя ўласцівасці святла - гэта следства асаблівасцяў яго выпраменьвальнікаў, якімі з'яўляюцца электроны атамаў. Квант (або фатон) утворыцца за кошт таго, што электрон пераходзіць на паніжаны энергетычны ўзровень, тым самым генеруючы электра-магнітныя імпульсы.

Першыя аптычныя назірання

XIX столетии. Здагадка аб наяўнасці ў сьвятла квантавых уласцівасцяў з'явілася ў XIX стагоддзі. Навукоўцы адкрылі і старанна вывучалі такія з'явы, як дыфракцыя, інтэрферэнцыя і палярызацыя. З іх дапамогай была выведзена электрамагнітная хвалевая тэорыя святла. Яна грунтавалася на паскарэнні руху электронаў падчас ваганні цела. За кошт гэтага адбывалася награванне, а следам за ім з'яўляліся светлавыя хвалі. Першую аўтарскую гіпотэзу на гэты рахунак сфармаваў ангелец Д. Рэлей. Ён расцэньваў выпраменьванне як сістэму аднолькавых і пастаянных хваляў, прычым у замкнёнай прасторы. Згодна з яго высноў, пры памяншэнні даўжыні хваль магутнасць іх павінна была бесперапынна ўзрастаць, больш за тое, патрабавалася наяўнасць ўльтрафіялетавых і рэнтгенаўскіх хваль. На практыцы ж усё гэта не пацвердзілася, і за справу ўзяўся іншы тэарэтык.

Формула Планка

XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения выдвинул интересную гипотезу. У самым пачатку XX стагоддзя Макс Планк - фізік нямецкага паходжання - высунуў цікавую гіпотэзу. Згодна з ёй, выпраменьванне і паглынання святла адбываецца не бесперапынна, як думалі раней, а парцыённа - квантамі, або, як іх яшчэ называюць, фатонамі. h , и он был равен 6,63·10 -34 Дж·с. Была ўведзена пастаянная Планка - каэфіцыент прапарцыйнасці, які пазначаецца літарай h, і ён быў роўны 6,63 · 10 -34 Дж · с. v – частота света. Каб вылічыць энергію кожнага фатона, патрабавалася яшчэ адна велічыня - v - частата святла. Пастаянная Планка множылася на частату, і ў выніку атрымлівалі энергію асобна ўзятага фатона. Так нямецкі навуковец дакладна і пісьменна замацаваў у адной простай формуле квантавыя ўласцівасці святла, якія раней былі выяўленыя Г. Герцам і пазначаныя ім як фотаэфект.

адкрыццё фотаэфекту

Як мы ўжо сказалі, вучоны Генрых Герц быў першым, хто звярнуў увагу на непрыкметная раней квантавыя ўласцівасці святла. Фотаэфект быў адкрыты ў 1887 годзе, калі навуковец злучыў асветленую цынкавую пласціну і стрыжань электраметр. У выпадку, калі да пласціны даходзіць станоўчы зарад, электраметр ня разряжается. Калі выпраменьваецца зарад адмоўны, то прыбор пачынае разряжаться, як толькі на пласціну трапляе прамень ультрафіялету. У ходзе дадзенага практычнага вопыту было даказана, што пласціна пад уздзеяннем святла можа выпраменьваць адмоўныя электрычныя зарады, якія пасля атрымалі адпаведную назву - электроны.

Практычныя досведы Сталетава

Практычныя эксперыменты з электронамі праводзіў руская даследчык Аляксандр Сталетаў. Для сваіх досведаў ён выкарыстаў вакуумны шкляны балон і два электрода. Адзін электрод выкарыстоўваўся для перадачы энергіі, а другі быў асвятлянай, і да яго падводзілі адмоўны полюс батарэі. У ходзе гэтай аперацыі пачынала ўзрастаць сіла току, але праз некаторы час яна станавілася сталай і прама прапарцыйнай выпраменьвання светлавога патоку. У выніку было выяўлена, што кінэтычная энергія, а таксама затрымлівалыя напружання электронаў не залежаць ад магутнасці светлавога выпраменьвання. Але павелічэнне частаты святла прымушае расці дадзены паказчык.

Новыя квантавыя ўласцівасці святла: фотаэфект і яго законы

У ходзе развіцця тэорыі Герца і практыкі Сталетава былі выведзеныя тры асноўныя заканамернасці, па якіх, як апынулася, функцыянуюць фатоны:

Мощность светового излучения, которое падает на поверхность тела, прямо пропорциональна силе тока насыщения. 1. Магутнасць светлавога выпраменьвання, якое падае на паверхню цела, прама прапарцыйная сіле току насычэння.

Мощность светового излучения никак не влияет кинетическую энергию фотоэлектронов, а вот частота света является причиной линейного роста последней. 2. Магутнасць светлавога выпраменьвання ніяк не ўплывае кінэтычную энергію фотаэлектроннага, а вось частата святла з'яўляецца прычынай лінейнага росту апошняй.

Существует некая «красная граница фотоэффекта». 3. Існуе нейкая «чырвоная мяжа фотаэфекту». Сутнасць заключаецца ў тым, што калі частата менш мінімальнага паказчыка частоты святла для дадзенага рэчыва, то фотаэфекту не назіраецца.

Цяжкасці сутыкнення двух тэорый

Пасля формулы, выведзенай Максам Планкам, навука сутыкнулася з дылемай. Раней выведзеныя хвалевыя і квантавыя ўласцівасці святла, якія былі адкрыты крыху пазней, не маглі існаваць у рамках агульнапрынятых фізічных законаў. У адпаведнасці з электрамагнітнай, старой тэорыяй, усе электроны цела, на якое трапляе святло, павінны прыходзіць у вымушанае ваганне на роўных частотах. Гэта спараджала б бясконца вялікую кінэтычную энергію, што ніяк немагчыма. Больш за тое, для назапашвання неабходнай колькасці энергіі электронам трэба было знаходзіцца ў стане спакою дзясяткі хвілін, у той час як з'ява фотаэфекту на практыцы назіраецца без аніякай затрымкі. Дадатковая блытаніна ўзнікала таксама з-за таго, што энергія фотаэлектроннага не залежала ад магутнасці светлавога выпраменьвання. Акрамя таго, яшчэ не была адкрыта чырвоная мяжа фотаэфекту, а таксама не была падлічана прапарцыянальнасць частоты святла кінэтычнай энергіі электронаў. Старая тэорыя не змагла выразна растлумачыць бачныя воку фізічныя з'явы, а новая была яшчэ не да канца адпрацаванай.

Рацыяналізм Альберта Эйнштэйна

Толькі ў 1905 году геніяльны фізік А. Эйнштэйн выявіў на практыцы і выразна сфармуляваў у тэорыі, якая яна - сапраўдная прырода святла. Хвалевыя і квантавыя ўласцівасці, адкрытыя з дапамогай двух процілеглых адзін аднаму гіпотэз, у роўных частках ўласцівыя фатонам. Для паўнаты карціны не хапала толькі прынцыпу дыскрэтнасці, то ёсць дакладнага месцазнаходжаньня квантаў ў прасторы. Кожны квант - гэта часціца, якая можа паглынацца або выпраменьвацца як адзінае цэлае. Электрон, «праглынаючы» ўнутр сябе фатон, павялічвае свой зарад на значэнне энергіі Паглынаецца часціцы. Далей, ўнутры фотокатода электрон рухаецца да яго паверхні, захоўваючы пры гэтым «падвойную порцыю» энергіі, якая на выхадзе ператвараецца ў кінэтычную. Такім простым чынам і ажыццяўляецца фотаэфект, у якім адсутнічае запозненая рэакцыя. У самога фінішу электрон выпускае з сябе квант, які і падае на паверхню цела, выпраменьваючы пры гэтым яшчэ больш энергіі. Чым больш колькасць выпушчаных фатонаў - тым больш магутны выпраменьванне, адпаведна, і ваганне светлавой хвалі расце.

Найпростыя прыборы, у аснове якіх ляжыць прынцып фотаэфекту

Пасля адкрыццяў, зробленых нямецкімі навукоўцамі на світанку ХХ стагоддзя, пачалося актыўнае ўжыванне квантавых уласцівасцяў святла для вырабу розных прыбораў. Вынаходкі, прынцып дзеяння якіх заключаецца ў фотаэфект, называюць фотаэлементамі, найпросты прадстаўнік якіх - вакуумны. У ліку яго недахопаў можна назваць слабую праводнасць току, нізкую адчувальнасць да выпраменьвання доўгіх хваль, з-за чаго ён не можа быць выкарыстаны ў ланцугах пераменнага току. Вакуумны прыбор шырока выкарыстоўваецца ў фотаметрыі, ім вымераюць сілу яркасці і якасці святла. Таксама ён гуляе важную ролю ў фототелефон і ў працэсе прайгравання гуку.

Фотаэлементы з правадніковыя функцыямі

Гэта ўжо зусім іншы тып прыбораў, у аснове якіх ляжаць квантавыя ўласцівасці святла. Іх прызначэнне - змена канцэнтрацыі носьбітаў току. Дадзенае з'ява часам называюць унутраным фотаэфектам, і ён складае аснову працы фоторезисторов. Дадзеныя паўправаднікі гуляюць вельмі важную ролю ў нашай паўсядзённым жыцці. Упершыню іх пачалі выкарыстоўваць у рэтра-аўтамабілях. Тады яны забяспечвалі працу электронікі і акумулятараў. У сярэдзіне ХХ стагоддзя падобныя фотаэлементы сталі ўжываць для будаўніцтва касмічных караблёў. Да гэтага часу за кошт унутранага фотаэфекту працуюць турнікеты ў метро, партатыўныя калькулятары і сонечныя батарэі.

фотахімічныя рэакцыі

Святло, прырода якога стала толькі часткова даступная навуцы ў ХХ стагоддзі, на самай справе ўплывае на хімічныя і біялагічныя працэсы. Пад уздзеяннем квантавых патокаў пачынаецца працэс дысацыяцыі малекул і іх зліццё з атамамі. У навуцы такая з'ява называецца фотахіміі, а ў прыродзе адным з яго праяў з'яўляецца фотасінтэз. Менавіта за кошт светлавых хваль у клетках вырабляюцца працэсы па выкіду пэўных рэчываў у міжклеткавай прастору, за кошт чаго расліна набывае зялёны адценне.

Ўплываюць квантавыя ўласцівасці святла і на чалавечае зрок. Трапляючы на сятчатку вока, фатон правакуе працэс разлажэнне малекулы бялку. Дадзеная інфармацыя транспартуецца па нейронам ў мозг, і пасля яе апрацоўкі мы можам бачыць усё пры святле. З надыходам цемры малекула бялку аднаўляецца, і зрок аккомодируется да новых умоў.

вынікі

У ходзе дадзенага артыкула мы высветлілі, што галоўным чынам квантавыя ўласцівасці святла праяўляюцца ў з'яве, званым фотаэфектам. Кожны фатон мае свой зарад і масу, і пры сутыкненні з электронам трапляе ўнутр яго. Квант і электрон становяцца адным цэлым, і іх сумесная энергія ператвараецца ў кінэтычную, што, уласнага кажучы, і патрабуецца для ажыццяўлення фотаэфекту. Хвалевыя ваганні пры гэтым могуць павялічыць прадукцыю, якая вырабляецца фатонам энергію, але толькі да пэўнага паказчыка.

Фотаэфект ў нашы дні з'яўляецца незаменнай складнікам большасці відаў тэхнікі. На яго аснове будуюць касмічныя лайнеры і спадарожнікі, распрацоўваюць сонечныя батарэі, выкарыстоўваюць як крыніца дапаможнай энергіі. Акрамя таго, светлавыя хвалі аказваюць вялікі ўплыў на хіміка-біялагічныя працэсы на Зямлі. За кошт простых сонечных прамянёў расліны становяцца зялёнымі, зямная атмасфера афарбоўваецца ва ўсю палітру сіняга колеру, і мы бачым свет такім, які ён ёсць.

Similar articles

 

 

 

 

Trending Now

 

 

 

 

Newest

Copyright © 2018 be.delachieve.com. Theme powered by WordPress.