Onda e proprietà quantistiche della luce

L'articolo rivela l'essenza delle proprietà quantistiche della luce. Descrive come sono stati scoperti e cosa ha portato a.

Planck e Quant

Alla fine del diciannovesimo e all'inizio del ventesimo secolo, nei circoli scientifici si credeva che tutto in fisica fosse completamente comprensibile. Le conoscenze più avanzate in quel momento erano le equazioni di Maxwell e lo studio di vari fenomeni legati all'elettricità. I giovani che volevano fare scienza non erano consigliati per andare alla fisica: dopotutto, poteva esserci solo una ricerca di routine che non forniva alcuna scoperta. Tuttavia, ironia della sorte, fu proprio questo studio delle proprietà di un fenomeno familiare da lungo tempo che aprì la strada a nuovi orizzonti di conoscenza.

L'onda e le proprietà quantiche della luce iniziarono con la scoperta di Max Planck. Ha studiato lo spettro assoluto corpo nero e ho cercato di trovare la descrizione matematica più appropriata della sua radiazione. Di conseguenza, arrivò alla conclusione che una certa quantità minima indivisibile, che chiamava il "quanto di azione", doveva essere inserita nell'equazione. E, poiché era solo un modo per "tagliare l'angolo" per una formula matematica più semplice, non dava a questo valore alcun significato fisico. Tuttavia, altri scienziati, ad esempio, A. Einstein e E. Schrödinger, notato il potenziale di un tale fenomeno come un quanto, e ha dato sviluppo a un nuovo sezione della fisica.

Va detto che Planck stesso non credeva pienamente nella natura fondamentale della sua scoperta. Lo scienziato, cercando di smentire le proprietà quantistiche della luce, ha riscritto brevemente la sua formula, entrando in vari trucchi matematici per liberarsi di questa quantità. Ma non ci è riuscito: il genio era già stato rilasciato dalla bottiglia.

Luce - quanto di campo elettromagnetico

Dopo la scoperta di Planck, il fatto già noto che la luce ha proprietà ondulatorie è stato integrato da un altro: un fotone è un quanto del campo elettromagnetico. Cioè, la luce consiste in pacchetti di energia indivisibili molto piccoli. Ciascuno di questi pacchetti (fotone) è caratterizzato da frequenza, lunghezza d'onda ed energia, tutte collegate tra loro. La velocità della luce nel vuoto è massima per un universo conosciuto ed è di circa trecentomila chilometri al secondo.

Va notato che quantizzato (cioè, decadimento nelle parti indivisibili più piccole) e altre quantità:

• campo gluonico;
• campo gravitazionale;
• moti collettivi di atomi di cristallo.

Quantum: a differenza di Electron

Non dovresti pensare che in ogni tipo di campo ci sia un certo valore più piccolo, che è chiamato un quantum: la scala elettromagnetica contiene sia onde molto piccole e ad alta energia (per esempio raggi X), sia onde molto grandi, ma "deboli" (per esempio, onde radio). ). Ogni singolo quantum viaggia nello spazio nel suo complesso. I fotoni, vale la pena notare, sono in grado di perdere parte della loro energia quando interagiscono con ostacoli potenziali insormontabili. Questo fenomeno è chiamato "tunneling".

L'interazione tra luce e materia

Dopo una così brillante scoperta, sorsero domande:

1. Cosa succede a un quanto di luce quando interagisce con la materia?
2. Da dove viene l'energia trasportata dal fotone quando collide con una molecola?
3. Perché una lunghezza d'onda può essere assorbita e un'altra irradiata?

La cosa principale che è stata dimostrata è la pressione della luce. Questo fatto ha dato una nuova ragione per riflettere: significa che il fotone aveva impulso e massa. La dualità delle onde corpuscolari delle microparticelle accettate dopo ciò ha notevolmente facilitato la comprensione della follia che stava accadendo in questo mondo: i risultati non si adattavano a nessuna logica esistita prima.

Trasferimento di energia

Ulteriori studi hanno confermato solo le proprietà quantistiche della luce. L'effetto foto mostra come viene trasmesso energia fotonica sostanza. Insieme alla riflessione e all'assorbimento, l'illuminazione è in grado di strappare elettroni dalla superficie del corpo. Come succede? Il fotone trasferisce la sua energia all'elettrone, diventa più mobile e acquisisce la capacità di superare la forza di legame con i nuclei della materia. L'elettrone lascia il suo elemento naturale e si precipita da qualche parte al di fuori del solito ambiente.

Tipi di effetto fotoelettrico

Il fenomeno dell'effetto fotoelettrico, che conferma le proprietà quantistiche della luce, ha forme diverse e dipende dal tipo di corpo solido che il fotone incontra. Se collide con un conduttore, l'elettrone lascia la sostanza, come già descritto sopra. Questa è l'essenza dell'effetto foto esterno.

Ma se un semiconduttore o un dielettrico è illuminato, allora gli elettroni non lasciano i limiti del corpo, ma vengono ridistribuiti, facilitando il movimento dei portatori di carica. Pertanto, il fenomeno di migliorare la conduttività durante l'illuminazione è chiamato effetto fotoelettrico interno.

Effetto fotoelettrico esterno di formula

Stranamente, ma l'effetto foto interno è molto difficile da capire. È necessario conoscere la teoria del campo della banda, comprendere le transizioni attraverso la zona proibita e comprendere l'essenza della conduttività elettrone-buco dei semiconduttori al fine di comprendere appieno l'importanza di questo fenomeno. Inoltre, l'effetto fotoelettrico interno non è così spesso utilizzato nella pratica. Confermando le proprietà quantistiche della luce, le formule dell'effetto fotoelettrico esterno limitano lo strato da cui la luce è in grado di estrarre gli elettroni.

hν = A + W,

dove h è la costante di Planck, ν è un quanto di luce di una certa lunghezza d'onda, A è il lavoro che viene fatto da un elettrone per lasciare una sostanza, W è l'energia cinetica (e quindi la velocità) con cui vola.

Quindi, se tutta l'energia del fotone viene spesa solo all'uscita dell'elettrone dal corpo, allora sulla superficie avrà zero energia cinetica e in effetti non sarà in grado di fuggire. Pertanto, l'effetto fotoelettrico interno si svolge in una parola esterna piuttosto sottile della sostanza illuminata. Questo limita notevolmente il suo uso.

C'è una possibilità che ottica computer quantistico utilizzerà ancora l'effetto fotoelettrico interno, ma questa tecnologia non esiste ancora.

Le leggi dell'effetto fotoelettrico esterno

Allo stesso tempo, le proprietà quantistiche della luce non sono del tutto inutili: l'effetto fotoelettrico e le sue leggi consentono di creare una fonte di elettroni. Mentre queste leggi furono completamente formulate da Einstein (per il quale vinse il premio Nobel), vari prerequisiti sorsero molto prima del ventesimo secolo. L'apparizione di una corrente quando l'elettrolito era illuminato fu osservata per la prima volta all'inizio del XIX secolo, nel 1839.

Ci sono tre leggi in totale:

1. L'intensità della saturazione fotocorrente è proporzionale all'intensità del flusso luminoso.
2. L'energia cinetica massima degli elettroni che lascia una sostanza sotto l'azione dei fotoni dipende dalla frequenza (e quindi dall'energia) della radiazione incidente, ma non dipende dall'intensità.
3. Ogni sostanza con lo stesso tipo di superficie (liscia, convessa, ruvida, con il naso) ha un bordo rosso dell'effetto fotoelettrico. Cioè, c'è un'energia così piccola (e quindi la frequenza) del fotone, che separa anche gli elettroni dalla superficie.

Tutti questi schemi sono logici, ma dovrebbero essere considerati in maggiore dettaglio.

Spiegazione delle leggi dell'effetto fotoelettrico

La prima legge indica quanto segue: più fotoni cadono per metro quadrato di superficie al secondo, più elettroni questa luce sono in grado di "prendere" dalla sostanza che si illumina.

Un esempio è il basket: più spesso un giocatore lancia la palla, più spesso colpisce. Certo, se il giocatore è abbastanza bravo e non ferito durante la partita.

La seconda legge dà effettivamente la risposta in frequenza degli elettroni uscenti. La frequenza e la lunghezza d'onda di un fotone determinano la sua energia. Nello spettro visibile, la luce rossa ha l'energia più bassa. E poiché molti fotoni rossi vengono inviati da una lampada a una sostanza, sono in grado di trasferire solo energia bassa agli elettroni. Di conseguenza, anche se sono stati estratti dalla superficie stessa e quasi non hanno completato il lavoro di uscita, la loro energia cinetica non può essere al di sopra di una certa soglia. Ma se accendiamo la stessa sostanza con raggi viola, allora la velocità degli elettroni più veloci sarà molto più alta, anche se ci sono pochissimi quanti viola.

Nella terza legge ci sono due componenti: il bordo rosso e lo stato della superficie. Molti fattori dipendono dal fatto che il metallo sia lucido o ruvido, se ci sono dei pori o se è liscio o meno: quanti fotoni vengono riflessi, come vengono ridistribuiti sulla superficie (ovviamente, meno luce cadrà nelle fosse). In questo modo è possibile confrontare tra loro sostanze diverse solo con le stesse condizioni di superficie. Ma l'energia di un fotone, che è ancora in grado di strappare un elettrone da una sostanza, dipende solo dal tipo di sostanza. Se i nuclei non sono fortemente attratti da un vettore di carica, allora l'energia del fotone potrebbe essere più bassa e, quindi, il bordo rosso è più profondo. E se i nuclei della materia tengono saldamente i loro elettroni e non vogliono separarsi così facilmente, allora il bordo rosso si sposta sul lato verde.