Uljepšajte svoje naučno znanje našim zabavnim lakim činjenicama za djecu. Uživajte u zabavnim trivijalnostima vezanim za brzinu svjetlosti, optiku, sunčevu svjetlost, ultraljubičasto svjetlo i infracrveno svjetlo. Shvatite kako funkcionira elektromagnetno zračenje i otkrijte mnoga fascinantna svojstva svjetlosti.

U fizici, svjetlost se odnosi na elektromagnetno zračenje. Svjetlost o kojoj obično govorimo u svakodnevnom životu je u vidljivom spektru (dio elektromagnetnog spektra koji ljudsko oko može vidjeti).

Druge životinje mogu vidjeti dijelove spektra koje ljudi ne mogu. Na primjer, veliki broj insekata može vidjeti ultraljubičasto (UV) svjetlo.

Ultraljubičasto svjetlo može se koristiti za prikazivanje stvari koje ljudsko oko ne može vidjeti, što je korisno za forenzičare.

Talasna dužina infracrvene svjetlosti je predugačka da bi bila vidljiva ljudskom oku.

Naučnici proučavaju svojstva i ponašanje svjetlosti u grani fizike poznatoj kao optika.

Isaac Newton je primijetio da tanak snop sunčeve svjetlosti koji udara u staklenu prizmu pod uglom stvara traku vidljivih boja uključujući crvenu, narandžastu, žutu, zelenu, plavu, indigo i ljubičastu (ROYGBIV). To se dogodilo jer različite boje prolaze kroz staklo (i druge medije) različitim brzinama, uzrokujući da se lome pod različitim uglovima i odvajaju jedna od druge.

Svetlost putuje veoma, veoma brzo. Brzina svjetlosti u vakuumu (područje bez materije) je oko 186.000 milja u sekundi (300.000 kilometara u sekundi).

Svjetlost putuje sporije kroz različite medije kao što su staklo, voda i zrak. Ovim medijima je dat indeks prelamanja koji opisuje koliko usporavaju kretanje svjetlosti. Staklo ima indeks prelamanja od 1,5, što znači da svjetlost putuje kroz njega brzinom od oko 200.000 kilometara u sekundi. Indeks prelamanja vode je 1,3, a indeks prelamanja vazduha je 1,0003, što znači da vazduh samo malo usporava svetlost.

Svjetlu je potrebno 1,255 sekundi da putuje od Zemlje do Mjeseca.

Sunčeva svjetlost može doseći dubinu od oko 80 metara (262 stope) u okeanu.

Jedna od mnogih stvari na kojima je italijanski naučnik Galileo Galilei radio bili su teleskopi, koji su u nekim svojim kasnijim radovima proizvodili teleskope sa povećanjem od 30x. Ovi teleskopi su mu pomogli da otkrije četiri najveća mjeseca koji kruže oko Jupitera (kasnije nazvani Galilejevi sateliti).

Fotosinteza je proces koji uključuje biljke koje koriste energiju sunčeve svjetlosti za pretvaranje ugljičnog dioksida u hranu.

Plan: Prve informacije o svjetlosti u antičkom periodu.
Stvaranje temelja geometrijske optike (Euklid,
Arhimed, Ptolomej, Lukrecije Kar).
Razvoj doktrine svetlosti tokom srednjeg veka
(Roger Bacon) i u renesansi (Leonardo
da Vinci, Porta).
Razvoj doktrine o svetlosti u 17. veku (Kepler, Hooke,
Huygens, Galileo, Fermi). Kreacija je počela
valna optika i prvi optički instrumenti
(Lippershey, Galileo, Leeuwenhoek).
Razvoj optike u 19. veku. Stvaranje
teorijske i eksperimentalne osnove
talasna optika (Jung, Fresnel, Stefan,
Boltzmann, Wien, Maxwell, Michelson).

1. Prvi podaci o svjetlosti u antičkom periodu. Stvaranje osnova geometrijske optike (Euklid, Arhimed, Ptolomej, Lukrecije Kar).

2. Razvoj doktrine svjetlosti tokom srednjeg vijeka (Roger Bacon) i tokom renesanse (Leonardo da Vinci, Porta).

3. Razvoj doktrine o svjetlosti u 17. vijeku (Kepler, Hooke, Huygens, Galileo, Fermi). Stvaranje početaka valne optike i prvih optičkih instrumenata (Lippe

4. Razvoj optike u 19. vijeku. Stvaranje teorijskih i eksperimentalnih osnova valne optike (Jung, Fresnel, Stefan, Boltzmann, Wien, Maxwell,

pitanja:

Ne tako davno, u decembru 2000. godine, svjetska naučna zajednica proslavila je stogodišnjicu pojave nove nauke - kvantne fizike i otkrića nove fundamentalne fizičke konstante - Planckove konstante.

Za to je zaslužan izvanredni njemački fizičar Max Planck. Ovaj događaj je prošao praktično nezapaženo. U međuvremenu, istorijski datum 14. decembra 1900. godine, kada je Maks Plank prvi put izgovorio reč „kvant” na sastanku Berlinskog fizičkog društva, ima sve razloge da postane jedan od najznačajnijih događaja u istoriji čovečanstva. Od ovog dana počinje odbrojavanje te fundamentalne revolucije u naučnoj misli, koja je do danas dovela do kvalitativno novih fundamentalnih naučnih dostignuća kvantne teorije. Kao rezultat toga, sada su postavljeni temelji za predstojeće velike i duboke promjene u svim sferama društva koje nas očekuju u bliskoj budućnosti.

Planck je uspio riješiti problem spektralne distribucije svjetlosti koju emituju zagrijana tijela, problem koji klasična fizika nije mogla riješiti. Planck je bio prvi koji je iznio hipotezu o kvantizaciji energije oscilatora, što je bilo nespojivo s principima klasične fizike. Upravo je ova hipoteza, koju su kasnije razvili radovi mnogih istaknutih fizičara, dala poticaj procesu revizije i razbijanja starih koncepata, koji je kulminirao stvaranjem kvantne fizike, koja je odredila relevantnost naše istraživanje.

Target rad - analizirati kvantnu teoriju svjetlosti.

U skladu sa postavljenim ciljevima, riješeno je sljedeće glavni zadaci :

Razmotrite razvoj ideja o prirodi svjetlosti;

Proučavati kvantna svojstva svjetlosti: fotoelektrični efekat i Comptonov efekat;

Analizirajte Planckovu kvantnu teoriju.

Metode istraživanja:

Obrada, analiza znanstvenih izvora;

Analiza naučne literature, udžbenika i priručnika o problemu koji se proučava.

Predmet proučavanja – kvantna teorija svjetlosti

1. Razvoj ideja o svjetlosti

Prve ideje o prirodi svjetlosti nastale su među starim Grcima i Egipćanima. Pronalaskom i usavršavanjem različitih optičkih instrumenata (parabolična ogledala, mikroskop, teleskop), ove ideje su se razvile i transformisale. Krajem 17. vijeka nastale su dvije teorije svjetlosti: korpuskularna (I. Newton) i talasna (R. Hooke i H. Huygens).

Prema korpuskularnoj teoriji, svjetlost je tok čestica (korpuskula) koje emituju svijetleća tijela. Newton je vjerovao da se kretanje svjetlosnih tijela pokorava zakonima mehanike. Dakle, refleksija svjetlosti je shvaćena kao slična refleksiji elastične lopte od ravni. Prelamanje svjetlosti objašnjeno je promjenom brzine čestica pri kretanju iz jednog medija u drugi. Za slučaj prelamanja svjetlosti na granici vakuum-medij, korpuskularna teorija je dovela do sljedećeg oblika zakona refrakcije:

gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu, υ je brzina prostiranja svjetlosti u mediju. Pošto je n > 1, iz korpuskularne teorije slijedi da bi brzina svjetlosti u mediju trebala biti veća od brzine svjetlosti u vakuumu. Njutn je takođe pokušao da objasni pojavu interferentnih rubova pretpostavkom o određenoj periodičnosti svetlosnih procesa. Dakle, Newtonova korpuskularna teorija je sadržavala elemente talasnih koncepata.

Talasna teorija, za razliku od korpuskularne teorije, smatrala je svjetlost kao valni proces sličan mehaničkim valovima. Talasna teorija zasnivala se na Hajgensovom principu, prema kojem svaka tačka do koje talas stigne postaje centar sekundarnih talasa, a omotač ovih talasa daje položaj fronta talasa u sledećem trenutku. Koristeći Hajgensov princip, objašnjeni su zakoni refleksije i prelamanja. Rice. 1 daje ideju o Huygensovim konstrukcijama za određivanje smjera prostiranja vala prelomljenog na granici dva prozirna medija.

Rice. 1. Huygensove konstrukcije za određivanje smjera prelomljenog vala.

Za slučaj loma svjetlosti na granici vakuum-medij, teorija valova dovodi do sljedećeg zaključka:

Ispostavilo se da je zakon prelamanja, izveden iz teorije valova, u suprotnosti s Newtonovom formulom. Talasna teorija dovodi do zaključka: υ< c, тогда как согласно корпускулярной теории υ >c.

Tako su do početka 18. stoljeća postojala dva suprotstavljena pristupa objašnjavanju prirode svjetlosti: Newtonova korpuskularna teorija i Huygensova teorija valova. Obje teorije su objasnile linearno širenje svjetlosti, zakone refleksije i prelamanja. Čitav 18. vijek postao je vijek borbe između ovih teorija. Međutim, početkom 19. stoljeća situacija se radikalno promijenila. Korpuskularna teorija je odbačena i talasna teorija je trijumfovala. Velike zasluge za to pripadaju engleskom fizičaru T. Youngu i francuskom fizičaru O. Fresnelu, koji su proučavali fenomene interferencije i difrakcije. Sveobuhvatno objašnjenje ovih pojava moglo bi se dati samo na osnovu teorije talasa. Važna eksperimentalna potvrda validnosti teorije talasa dobijena je 1851. godine, kada je J. Foucault (i nezavisno od njega A. Fizeau) izmerio brzinu svetlosti u vodi i dobio vrednost υ< c.

Iako je do sredine 19. veka teorija talasa bila opšteprihvaćena, pitanje prirode svetlosnih talasa ostalo je nerešeno.

Maksvel je 60-ih godina 19. veka uspostavio opšte zakone elektromagnetnog polja, što ga je dovelo do zaključka da su svetlost elektromagnetni talasi. Važna potvrda ovog gledišta bila je podudarnost brzine svjetlosti u vakuumu sa elektrodinamičkom konstantom. Elektromagnetska priroda svjetlosti je prepoznata nakon eksperimenata G. Hertza (1887–1888) u proučavanju elektromagnetnih valova. Početkom 20. veka, nakon eksperimenata P. N. Lebedeva o merenju svetlosnog pritiska (1901), elektromagnetna teorija svetlosti postala je čvrsto utvrđena činjenica.

Najvažniju ulogu u razjašnjavanju prirode svjetlosti odigralo je eksperimentalno određivanje njene brzine. Od kraja 17. vijeka više puta se pokušava izmjeriti brzina svjetlosti raznim metodama (astronomska metoda A. Fizeaua, metoda A. Michelsona). Moderna laserska tehnologija omogućava mjerenje brzine svjetlosti sa vrlo velikom preciznošću na osnovu nezavisnih mjerenja talasne dužine λ i frekvencije svjetlosti ν (c = λ · ν). Na taj način je pronađena vrijednost

premašujući u tačnosti sve prethodno dobijene vrijednosti za više od dva reda veličine.

Svetlost igra izuzetno važnu ulogu u našim životima. Čovjek prima ogromnu količinu informacija o svijetu oko sebe uz pomoć svjetlosti. Međutim, u optici kao grani fizike, pod svjetlom se podrazumijeva ne samo vidljiva svjetlost, već i susjedni široki rasponi spektra elektromagnetnog zračenja - infracrveno IR i ultraljubičasto UV. U pogledu svojih fizičkih svojstava, svjetlost se u osnovi ne razlikuje od elektromagnetnog zračenja u drugim opsezima – različiti dijelovi spektra razlikuju se jedni od drugih samo po talasnoj dužini λ i frekvenciji ν. Rice. 2. daje ideju o skali elektromagnetnih talasa.

Rice. 2. Skala elektromagnetnih talasa. Granice između različitih raspona su proizvoljne

Za mjerenje valnih dužina u optičkom rasponu koriste se jedinice dužine od 1 nanometar (nm) i 1 mikrometar (µm):

1 nm = 10 –9 m = 10 –7 cm = 10 –3 µm.

Vidljiva svjetlost zauzima raspon od približno 400 nm do 780 nm, odnosno 0,40 µm do 0,78 µm.

Elektromagnetska teorija svjetlosti je omogućila da se objasne mnoge optičke pojave, kao što su interferencija, difrakcija, polarizacija itd. Međutim, ova teorija nije upotpunila razumijevanje prirode svjetlosti. Već početkom 20. stoljeća postalo je jasno da je ova teorija nedovoljna za tumačenje fenomena atomske skale koji nastaju u interakciji svjetlosti sa materijom. Da bi se objasnili fenomeni kao što su zračenje crnog tijela, fotoelektrični efekat, Comptonov efekat, itd., bilo je potrebno uvesti kvantne koncepte

2. Kvantna svojstva svjetlosti: fotoelektrični efekat. Comptonov efekat

Fotoelektrični efekat je 1887. otkrio njemački fizičar G. Hertz, a eksperimentalno ga je proučavao A. G. Stoletov 1888-1890. Najpotpuniju studiju fenomena fotoelektričnog efekta izveo je F. Lenard 1900. godine. U to vrijeme elektron je već bio otkriven (D. Thomson, 1897.) i postalo je jasno da fotoelektrični efekat (ili više upravo vanjski fotoefekat) sastoji se od izbacivanja elektrona iz tvari pod utjecajem svjetlosti koja pada na nju.

Dijagram eksperimentalne postavke za proučavanje fotoelektričnog efekta prikazan je na Sl. 3.

Rice. 3. Dijagram eksperimentalne postavke za proučavanje fotoelektričnog efekta

U eksperimentima je korištena staklena vakuum boca s dvije metalne elektrode, čija je površina temeljito očišćena. Na elektrode je primijenjen određeni napon U, čiji se polaritet mogao mijenjati pomoću dvostrukog prekidača. Jedna od elektroda (katoda K) osvjetljavana je kroz kvarcni prozor monokromatskom svjetlošću određene valne dužine λ, a pri konstantnom svjetlosnom toku mjerena je ovisnost jakosti fotostruje I od primijenjenog napona. Na sl. Na slici 4 prikazane su tipične krivulje takve zavisnosti, dobijene pri dvije vrijednosti intenziteta svjetlosnog toka koji pada na katodu.

Rice. 4. Zavisnost jačine fotostruje od primijenjenog napona. Kriva 2 odgovara većem intenzitetu svjetlosti. In1 i In2 su struje zasićenja, Uz je potencijal blokiranja.

Krive pokazuju da pri dovoljno velikim pozitivnim naponima na anodi A fotostruja dostiže zasićenje, budući da svi elektroni izbačeni iz katode svjetlošću dospiju do anode. Pažljiva mjerenja su pokazala da je struja zasićenja In direktno proporcionalna intenzitetu upadne svjetlosti. Kada je napon na anodi negativan, električno polje između katode i anode inhibira elektrone. Do anode mogu doći samo oni elektroni čija kinetička energija prelazi |eU|. Ako je napon na anodi manji od –Uz, fotostruja prestaje. Mjerenjem Uz možete odrediti maksimalnu kinetičku energiju fotoelektrona:

Na iznenađenje naučnika, pokazalo se da je vrednost Uz nezavisna od intenziteta upadnog svetlosnog toka. Pažljiva mjerenja su pokazala da potencijal blokiranja raste linearno sa povećanjem frekvencije ν svjetlosti (slika 5).

Rice. 5. Zavisnost potencijala blokiranja Uz od frekvencije ν upadne svjetlosti.

Brojni eksperimentatori su ustanovili sljedeće osnovne principe fotoelektričnog efekta:

4) Fotoelektrični efekat je praktično bez inercije, fotostruja nastaje odmah nakon početka osvjetljenja katode, pod uslovom da je frekvencija svjetlosti ν > νmin.

Svi ovi zakoni fotoelektričnog efekta u osnovi su protivrečili idejama klasične fizike o interakciji svjetlosti s materijom. Prema konceptima talasa, elektron koji stupa u interakciju sa elektromagnetnim svetlosnim talasom postepeno bi akumulirao energiju i bilo bi potrebno značajno vreme, u zavisnosti od intenziteta svetlosti, da elektron akumulira dovoljno energije da izleti iz katode. Kako pokazuju proračuni, ovo vrijeme treba računati u minutama ili satima. Međutim, iskustvo pokazuje da se fotoelektroni pojavljuju odmah nakon početka osvjetljenja katode. U ovom modelu također je bilo nemoguće razumjeti postojanje crvene granice fotoelektričnog efekta. Talasna teorija svjetlosti nije mogla objasniti neovisnost energije fotoelektrona od intenziteta svjetlosnog toka, proporcionalnost maksimalne kinetičke energije frekvenciji svjetlosti.

Dakle, elektromagnetna teorija svjetlosti nije mogla objasniti ove obrasce.

Rješenje je pronašao A. Einstein 1905. Teorijsko objašnjenje uočenih zakona fotoelektričnog efekta dao je Ajnštajn na osnovu hipoteze M. Plancka da se svjetlost emituje i apsorbira u određenim dijelovima, a energija svakog takvog dijela je određen formulom E = hν, gdje je h Plankova konstanta, Einstein je napravio sljedeći korak u razvoju kvantnih koncepata. Došao je do zaključka da svjetlost također ima isprekidanu, diskretnu strukturu. Elektromagnetski talas se sastoji od odvojenih delova - kvanta, kasnije nazvanih fotona. Kada je u interakciji sa materijom, foton u potpunosti prenosi svu svoju energiju hν na jedan elektron. Elektron može raspršiti dio ove energije tokom sudara s atomima materije. Osim toga, dio energije elektrona se troši na prevazilaženje potencijalne barijere na međumeđu metal-vakum. Da bi to učinio, elektron mora izvršiti radnu funkciju A, koja ovisi o svojstvima katodnog materijala. Maksimalna kinetička energija koju fotoelektron emitiran iz katode može imati određena je zakonom održanja energije:

Ova formula se obično naziva Einsteinova jednadžba za fotoelektrični efekat.

Koristeći Ajnštajnovu jednačinu, mogu se objasniti svi zakoni spoljašnjeg fotoelektričnog efekta. Einsteinova jednadžba podrazumijeva linearnu ovisnost maksimalne kinetičke energije o frekvenciji i neovisnosti intenziteta svjetlosti, postojanje crvene granice i fotoelektrični efekat bez inercije. Ukupan broj fotoelektrona koji napuštaju površinu katode za 1 s mora biti proporcionalan broju fotona koji upadaju na površinu za isto vrijeme. Iz ovoga slijedi da struja zasićenja mora biti direktno proporcionalna intenzitetu svjetlosnog toka.

Kao što slijedi iz Einsteinove jednadžbe, tangenta nagiba prave linije koja izražava ovisnost potencijala blokiranja Uz od frekvencije ν (slika 5) jednaka je omjeru Planckove konstante h i naboja elektrona e:

Ovo nam omogućava da eksperimentalno odredimo vrijednost Planckove konstante. Takva mjerenja je izvršio R. Millikan (1914) i dobro se slažu sa vrijednošću koju je pronašao Planck. Ova mjerenja su također omogućila da se odredi radna funkcija izlaza A:

gdje je c brzina svjetlosti, λcr je talasna dužina koja odgovara crvenoj granici fotoelektričnog efekta. Za većinu metala, radna funkcija A je nekoliko elektron-volti (1 eV = 1,602·10–19 J). U kvantnoj fizici, elektron volt se često koristi kao energetska jedinica. Vrijednost Planckove konstante, izražena u elektron voltima u sekundi, je

h = 4,136·10 –15 eV·s

Među metalima, alkalni metali imaju najnižu radnu funkciju. Na primjer, za natrijum A = 1,9 eV, što odgovara crvenoj granici fotoelektričnog efekta λcr ≈ 680 nm. Stoga se spojevi alkalnih metala koriste za stvaranje katoda u fotoćelijama namijenjenim za snimanje vidljive svjetlosti.

Dakle, zakoni fotoelektričnog efekta pokazuju da se svjetlost, kada se emituje i apsorbira, ponaša kao tok čestica zvanih fotoni ili svjetlosni kvanti.

Energija fotona je

Foton se kreće u vakuumu brzinom c. Foton nema masu, m = 0. Iz opšte relacije specijalne teorije relativnosti, povezujući energiju, impuls i masu bilo koje čestice,

E 2 = m 2 c 4 + p 2 c 2,

sledi da foton ima impuls

Tako se doktrina svjetlosti, nakon što je dovršila revoluciju u trajanju od dva stoljeća, ponovo vratila idejama svjetlosnih čestica - korpuskula.

Ali ovo nije bio mehanički povratak Njutnovoj korpuskularnoj teoriji. Početkom 20. veka postalo je jasno da svetlost ima dvostruku prirodu. Kada se svjetlost širi, pojavljuju se njena valna svojstva (interferencija, difrakcija, polarizacija), a kada je u interakciji sa materijom, pojavljuju se njena korpuskularna svojstva (fotoelektrični efekat). Ova dvostruka priroda svjetlosti naziva se dualitet valova i čestica. Kasnije je otkrivena dualna priroda elektrona i drugih elementarnih čestica. Klasična fizika ne može pružiti vizualni model kombinacije valnih i korpuskularnih svojstava mikro-objekata. Kretanjem mikro-objekata ne upravljaju zakoni klasične Njutnove mehanike, već zakoni kvantne mehanike. Teorija zračenja crnog tijela koju su razvili M. Planck i Einsteinova kvantna teorija fotoelektričnog efekta leži u osnovi ove moderne nauke.

Comptonov efekat

Koncept fotona, koji je predložio A. Einstein 1905. da bi objasnio fotoelektrični efekat, dobio je eksperimentalnu potvrdu u eksperimentima američkog fizičara A. Comptona (1922). Compton je proučavao elastično raspršivanje kratkotalasnih rendgenskih zraka na slobodnim (ili slabo vezanim za atome) elektronima materije. Efekat koji je otkrio povećanja talasne dužine raspršenog zračenja, kasnije nazvan Comptonov efekat, ne uklapa se u okvire teorije talasa, prema kojoj se talasna dužina zračenja ne bi smela menjati tokom rasejanja. Prema talasnoj teoriji, elektron, pod uticajem periodičnog polja svetlosnog talasa, vrši prinudne oscilacije na frekvenciji talasa i stoga emituje raspršene talase iste frekvencije.

Comptonovo kolo je prikazano na sl. 6. Monohromatsko rendgensko zračenje talasne dužine λ0, koje izlazi iz rendgenske cevi R, prolazi kroz olovne dijafragme i u obliku uskog snopa se usmerava na raspršujuću ciljnu supstancu P (grafit, aluminijum). Zračenje raspršeno pod određenim uglom θ analizira se pomoću rendgenskog spektrografa S, u kojem ulogu difrakcione rešetke ima kristal K postavljen na rotirajući stepen. Iskustvo je pokazalo da kod raspršenog zračenja dolazi do povećanja talasne dužine Δλ, u zavisnosti od ugla rasejanja θ:

Δλ = λ - λ 0 = 2Λ sin 2 θ / 2,

gdje je Λ = 2,43·10–3 nm takozvana Comptonova talasna dužina, nezavisna od svojstava raspršivača. U rasejanom zračenju, uz spektralnu liniju talasne dužine λ, uočava se i nepomerena linija talasne dužine λ0. Odnos intenziteta pomaknutih i nepomaknutih linija ovisi o vrsti raspršivača.

Fig.6. Dizajn eksperimenta Compton

Slika 7 prikazuje krivulje raspodjele intenziteta u spektru zračenja raspršenog pod određenim uglovima.

Rice. 7. Spektri raspršenog zračenja

Objašnjenje Komptonovog efekta dali su 1923. A. Compton i P. Debye (nezavisno) na osnovu kvantnih koncepata o prirodi zračenja. Ako pretpostavimo da je zračenje tok fotona, onda je Comptonov efekat rezultat elastičnog sudara rendgenskih fotona sa slobodnim elektronima materije. U lakim atomima raspršujućih tvari, elektroni su slabo vezani za atomska jezgra, pa se mogu smatrati slobodnima. Tokom sudara, foton prenosi dio svoje energije i impulsa na elektron u skladu sa zakonima održanja.

Razmotrimo elastični sudar dviju čestica - upadnog fotona, koji ima energiju E0 = hν0 i impuls p0 = hν0 / c, sa elektronom u mirovanju, čija je energija mirovanja jednaka. Foton, sudarajući se s elektronom, mijenja smjer kretanja (scatters). Moment fotona nakon raspršenja postaje jednak p = hν / c, a njegova energija E = hν< E0. Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны. Энергия электрона после столкновения в соответствии с релятивистской формулой (см. § 7.5) становится равной gdje je pe stečeni impuls elektrona. Zakon o očuvanju je napisan u obliku

Zakon održanja impulsa

može se prepisati u skalarnom obliku koristeći kosinusni teorem (vidi dijagram momenta, slika 8):

Rice. 8.Pulsni dijagram za elastično rasipanje fotona stacionarnim elektronom.

Iz dvije relacije koje izražavaju zakon održanja energije i impulsa, nakon jednostavnih transformacija i eliminacije vrijednosti pe, može se dobiti

mc 2 (ν 0 – ν) = hν 0 ν(1 – cos θ).

Prijelaz s frekvencija na valne dužine dovodi do izraza koji se poklapa s Comptonovom formulom dobivenom iz eksperimenta:

Dakle, teorijski proračun izveden na osnovu kvantnih koncepata pružio je sveobuhvatno objašnjenje Komptonovog efekta i omogućio da se Comptonova talasna dužina Λ izrazi u terminima osnovnih konstanti h, c i m:

Kao što pokazuje iskustvo, u rasejanom zračenju, pored pomerene linije talasne dužine λ, primećuje se i nepomerena linija originalne talasne dužine λ0. Ovo se objašnjava interakcijom nekih fotona sa elektronima koji su čvrsto vezani za atome. U ovom slučaju foton razmjenjuje energiju i zamah s atomom u cjelini. Zbog velike mase atoma u odnosu na masu elektrona, atomu se prenosi samo neznatan dio energije fotona, pa se talasna dužina λ raspršenog zračenja praktično ne razlikuje od talasne dužine λ0 upadnog zračenja .

3. Planckova kvantna teorija

Planck je došao do zaključka da se procesi zračenja i apsorpcije elektromagnetne energije od strane zagrijanog tijela ne odvijaju kontinuirano, kako je klasična fizika prihvatila, već u konačnim dijelovima - kvantima. Kvant je minimalni dio energije koju tijelo emituje ili apsorbira. Prema Planckovoj teoriji, energija kvantnog E je direktno proporcionalna frekvenciji svjetlosti:

gdje je h takozvana Planckova konstanta, jednaka h = 6,626·10–34 J·s. Plankova konstanta je univerzalna konstanta koja igra istu ulogu u kvantnoj fizici kao i brzina svjetlosti u STR.

Na osnovu hipoteze o intermitentnoj prirodi procesa emisije i apsorpcije elektromagnetnog zračenja tijela, Planck je dobio formulu za spektralnu svjetlost potpuno crnog tijela. Pogodno je napisati Planckovu formulu u obliku koji izražava raspodjelu energije u spektru zračenja crnog tijela na frekvencijama ν, a ne na talasnim dužinama λ.

Ovdje je c brzina svjetlosti, h je Plankova konstanta, k je Boltzmanova konstanta, T je apsolutna temperatura.

Rješenje problema zračenja crnog tijela označilo je početak nove ere u fizici. Nije bilo lako pomiriti se s napuštanjem klasičnih koncepata, a sam Planck, nakon što je napravio veliko otkriće, proveo je nekoliko godina bezuspješno pokušavajući razumjeti kvantizaciju energije sa pozicije klasične fizike.

ZAKLJUČAK

Tako su se prve ideje o prirodi svjetlosti pojavile među starim Grcima i Egipćanima. Kako su razni optički instrumenti izumljeni i poboljšani, te su se ideje razvijale i transformisale. Krajem 17. veka nastale su dve teorije svetlosti: korpuskularna teorija I. Njutna i talasna teorija R. Huka i H. Hajgensa.

Fotoelektrični efekat je 1887. otkrio njemački fizičar G. Hertz, a eksperimentalno ga je proučavao A. G. Stoletov 1888-1890. Najpotpuniju studiju fenomena fotoelektričnog efekta izveo je F. Lenard 1900. godine. U to vrijeme elektron je već bio otkriven i postalo je jasno da se fotoefekt (tačnije, vanjski fotoefekt) sastoji od izbacivanje elektrona iz supstance pod uticajem svetlosti koja pada na nju.

Kao rezultat toga, brojni eksperimentatori su uspostavili sljedeće osnovne principe fotoelektričnog efekta:

1) Maksimalna kinetička energija fotoelektrona raste linearno sa povećanjem frekvencije svetlosti ν i ne zavisi od njenog intenziteta.

2) Za svaku supstancu postoji takozvana crvena granica fotoelektričnog efekta, odnosno najniža frekvencija νmin na kojoj je vanjski fotoefekt još uvijek moguć.

3) Broj fotoelektrona koje emituje svetlost sa katode u 1 s je direktno proporcionalan intenzitetu svetlosti.

4) Fotoelektrični efekat je praktično bez inercije, fotostruja nastaje odmah nakon početka osvjetljenja katode, pod uslovom da je frekvencija svjetlosti ν > νmin.

Koncept fotona, koji je predložio A. Einstein 1905. da bi objasnio fotoelektrični efekat, dobio je eksperimentalnu potvrdu u eksperimentima američkog fizičara A. Comptona (1922). Compton je proučavao elastično raspršivanje kratkotalasnih rendgenskih zraka na slobodnim (ili slabo vezanim za atome) elektronima materije. Efekat koji je otkrio povećanja talasne dužine raspršenog zračenja, kasnije nazvan Comptonov efekat, ne uklapa se u okvire teorije talasa, prema kojoj se talasna dužina zračenja ne bi smela menjati tokom rasejanja.

Godine 1900. Planck je iznio hipotezu o kvantizaciji emitovane energije.

Plankova formula dobro opisuje spektralnu distribuciju zračenja crnog tijela na bilo kojoj frekvenciji. Odlično se slaže sa eksperimentalnim podacima.

Ideja kvantizacije jedna je od najvećih ideja u fizici. Pokazalo se da mnoge veličine koje se smatraju kontinuiranim imaju diskretne serije vrijednosti. Na osnovu ove ideje nastala je kvantna mehanika koja opisuje zakone ponašanja mikročestica

LISTA KORIŠTENE REFERENCE

1. Guseikhanov, M.K. Koncepti savremene prirodne nauke: - M.: Daškov i K, 2005. - 692 str.

2. Dubnischeva, T.Ya. Koncepti savremene prirodne nauke. Osnovni kurs pitanja i odgovora: Proc. priručnik za univerzitete / T.Ya. Dubnischeva. - Novosibirsk: Siberian Univ. izdavačka kuća, 2003. - 407 str.

3. Koncepti savremene prirodne nauke: udžbenik. za univerzitete / Ed. V.N. Lavrinenko, V.P. Ratnikova - 3. izd., revidirano. i dodatne - M.: UNITY-DANA, 2003. - 317 str.

4. Lebedev S.A. Koncepti savremene prirodne nauke. – M.: 2007

5. Pokrovski, A.K. Koncepti savremene prirodne nauke: Udžbenik. za univerzitete / A.K. Pokrovski, L.B. Mirotin; edited by L.B. Mirotina. - M.: Ispit, 2005. - 480 s.

6. Ruzavin, G.I. Koncepti savremene prirodne nauke: Udžbenik. za univerzitete / G.I. Ruzavin. - M.: Jedinstvo, 2005. - 287 str.

7. Sukhanov A.D., Golubeva O.N. Koncepti savremene prirodne nauke. M., 2004

8. Torosyan, V.G. Koncepti savremene prirodne nauke: udžbenik. priručnik za univerzitete / V.G. Torosyan. - M.: Više. škola, 2003. - 208 str.

Koncepti savremene prirodne nauke: udžbenik. za univerzitete / Ed. V.N. Lavrinenko, V.P. Ratnikova - 3. izd., revidirano. i dodatne - M.: UNITY-DANA, 2003. - 317 str.

Ruzavin, G.I. Koncepti savremene prirodne nauke: Udžbenik. za univerzitete / G.I. Ruzavin. - M.: Jedinstvo, 2005. - 287 str.

Dubnischeva, T.Ya. Koncepti savremene prirodne nauke. Osnovni kurs pitanja i odgovora: Proc. priručnik za univerzitete / T.Ya. Dubnischeva. - Novosibirsk: Siberian Univ. izdavačka kuća, 2003. - 407 str.

Lebedev S.A. Koncepti savremene prirodne nauke. – M.: 2007

Guseikhanov, M.K. Koncepti savremene prirodne nauke: - M.: Dashkov i K, 2005. - 692 str.

Sukhanov A.D., Golubeva O.N. Koncepti savremene prirodne nauke. M., 2004

Torosyan, V.G. Koncepti savremene prirodne nauke: udžbenik. priručnik za univerzitete / V.G. Torosyan. - M.: Više. škola, 2003. - 208 str.

Optika je grana fizike koja proučava prirodu svjetlosti, zakone svjetlosnih pojava i procese interakcije svjetlosti sa materijom.

Tokom protekla dva i po stoljeća, ideja o prirodi svjetlosti doživjela je vrlo značajnu promjenu. Krajem 17. vijeka. Formirane su dvije fundamentalno različite teorije o prirodi svjetlosti: korpuskularna teorija koju je razvio Newton i teorija valova koju je razvio Hajgens. Prema korpuskularnoj teoriji, svjetlost je tok materijalnih čestica (korpuskula) koji lete velikom brzinom iz izvora svjetlosti. Prema teoriji valova, svjetlost je val koji izlazi iz izvora svjetlosti i širi se velikom brzinom u "svjetskom etru" - stacionarnom elastičnom mediju koji neprekidno ispunjava cijeli Univerzum. Obje teorije su na zadovoljavajući način objasnile zakone svojstvene određenim svjetlosnim pojavama, na primjer, zakone refleksije i prelamanja svjetlosti. Međutim, fenomeni kao što su interferencija, difrakcija i polarizacija svjetlosti nisu se uklapali u okvire ovih teorija.

Sve do kraja 18. vijeka. ogromna većina fizičara preferirala je Newtonovu korpuskularnu teoriju. Početkom 19. vijeka. Zahvaljujući istraživanjima Younga (1801) i Fresnela (1815), teorija valova je značajno razvijena i poboljšana. Zasniva se na Huygens-Fresnelovom principu, sa kojim smo se već upoznali u poglavlju “Oscilacije i talasi” (vidi § 34). Teorija valova Huygens-Young-Fresnel uspješno je objasnila gotovo sve svjetlosne fenomene poznate u to vrijeme, uključujući interferenciju, difrakciju i polarizaciju svjetlosti, te je stoga ova teorija dobila univerzalno priznanje, a Newtonova korpuskularna teorija je odbačena.

Slaba tačka teorije talasa bio je hipotetički „svjetski etar“, čija je realnost ostala vrlo

sumnjivo. Međutim, 60-ih godina prošlog veka, kada je Maksvel razvio teoriju jedinstvenog elektromagnetnog polja (vidi § 105), nestala je potreba za „svetskim eterom“ kao posebnim nosiocem svetlosnih talasa: ispostavilo se da je svetlost elektromagnetna. talasi i, prema tome, njihov nosilac je elektromagnetno polje. Vidljiva svjetlost odgovara elektromagnetnim talasima dužine od 0,77 do 0,38 mikrona (vidi tabelu na strani 392), nastalim vibracijama naelektrisanja od kojih se sastoje atomi i molekuli. Tako je talasna teorija o prirodi svjetlosti evoluirala u elektromagnetnu teoriju svjetlosti.

Jedan od najvažnijih eksperimentalnih dokaza valjanosti elektromagnetne teorije svjetlosti bili su eksperimenti Fizeaua (1849), Foucaulta (1850) i Michelsona (1881): eksperimentalna vrijednost brzine širenja svjetlosti poklapala se s teoretskom vrijednošću. brzine širenja elektromagnetnih talasa dobijenih iz Maxwellove elektromagnetske teorije. Još jedna jednako važna potvrda elektromagnetne teorije bili su eksperimenti Ya Lebedeva (1899): ispostavilo se da je svjetlosni pritisak koji je izmjerio na čvrstim tijelima (vidi § 137) jednak pritisku elektromagnetnih valova. Maxwellova teorija (vidi § 105) .

Ideja o talasnoj (elektromagnetnoj) prirodi svetlosti ostala je nepokolebljiva do kraja 19. veka. Međutim, do tada se nakupio prilično opsežan materijal koji nije bio u skladu s ovom idejom, čak joj je bio u suprotnosti. Proučavanje podataka o spektrima luminiscencije hemijskih elemenata, o raspodjeli energije u spektru toplotnog zračenja crnog tijela, o fotoelektričnom efektu i nekim drugim pojavama dovelo je do potrebe da se pretpostavi da zračenje, širenje i apsorpcija elektromagnetna energija je diskretne (intermitentne) prirode, tj. svjetlost se emituje, širi i apsorbira ne kontinuirano (kako slijedi iz teorije valova), već u dijelovima (kvantima). Na osnovu ove pretpostavke, njemački fizičar Planck je 1900. godine stvorio kvantnu teoriju elektromagnetnih procesa, a Ajnštajn je 1905. razvio kvantnu teoriju svjetlosti, prema kojoj je svjetlost tok svjetlosnih čestica – fotona. Tako je početkom ovog stoljeća nastala nova teorija o prirodi svjetlosti – kvantna teorija, oživljavajući u izvjesnom smislu Newtonovu korpuskularnu teoriju. Međutim, fotoni se značajno (kvalitativno) razlikuju od običnih materijalnih čestica: svi fotoni se kreću brzinom jednakom brzini svjetlosti, dok posjeduju konačnu masu („masa mirovanja“ fotona je nula).

Važnu ulogu u daljem razvoju kvantne teorije svjetlosti odigrala su teorijske studije atomskih i molekularnih spektra koje su izveli Bohr (1913), Schrödinger (1925), Dirac.

(1930), Feynman (1949), V. A. Fock (1957) itd. Prema modernim pogledima, svjetlost je složen elektromagnetski proces koji ima i valna i korpuskularna svojstva. U nekim pojavama (interferencija, difrakcija, polarizacija svjetlosti) otkrivaju se valna svojstva svjetlosti; ove pojave su opisane teorijom talasa. U drugim pojavama (fotoelektrični efekat, luminiscencija, atomski i molekularni spektri) otkrivaju se korpuskularna svojstva svjetlosti; takve pojave opisuje kvantna teorija. Dakle, talasna (elektromagnetska) i korpuskularna (kvantna) teorija ne odbacuju, već se nadopunjuju, odražavajući tako dualnu prirodu svojstava svjetlosti. Ovdje nailazimo na jasan primjer dijalektičkog jedinstva suprotnosti: svjetlost je i val i čestica. Prikladno je naglasiti da je takav dualizam svojstven ne samo svjetlosti, već i mikročesticama supstanci, na primjer, kao što je već navedeno (vidi § 20), elektron, koji se obično smatra česticom, u nekim se pojavama otkriva kao talas (videti § 126).

Moderna fizika teži stvaranju jedinstvene teorije o prirodi svjetlosti, odražavajući dualnu korpuskularno-valnu prirodu svjetlosti; razvoj takve jedinstvene teorije još nije završen.

U ovom kursu, valna svojstva svjetlosti se razmatraju u Pogl. XVIII, a korpuskularna (kvantna) svojstva svjetlosti - u pogl. XIX (u vezi sa pitanjem strukture atoma). Kada opisujemo valna svojstva svjetlosti, koristićemo Huygens-Fresnelov princip i opšte koncepte i karakteristike talasnog procesa uvedene u § 31-34 prvog dela kursa (kao što su front svetlosnog talasa, koherentni izvori svetlosti , svetlosni snop, svetlosna frekvencija, svetlosna talasna dužina itd.). Stoga, kada počnete proučavati optiku, trebali biste ponovo pročitati ove odlomke.

Gloria ili Rainbow Halo

Kada se svjetlost rasprši natrag (mješavina refleksije, refrakcije i difrakcije) natrag do svog izvora, kapljice vode u oblacima, sjena objekta između oblaka i izvora može se podijeliti u trake boja. Slava se također prevodi kao nezemaljska ljepota - prilično tačan naziv za tako lijep prirodni fenomen) U nekim dijelovima Kine ovaj fenomen se čak naziva i Budino svjetlo - često ga prati Brocken Ghost.

Brocken Ghost

Brockenov duh (njemački: Brockengespenst), koji se naziva i planinski duh, je uvećana sjena posmatrača na površini oblaka (magle) u smjeru suprotnom od Sunca. Senka je ponekad okružena prstenovima u boji (tzv. glorija).

Fenomen se može posmatrati u planinskoj magli ili oblačnim uslovima, pa čak i iz aviona. Ali postao je poznat zahvaljujući vrhu Brocken na planinama Harz u Njemačkoj, gdje stalna magla i dostupnost malih nadmorskih visina omogućavaju da se posebno često posmatra. To je doprinijelo nastanku lokalne legende, prema kojoj je fenomen dobio ime.
"Brocken Ghost" je prvi opisao Johann Silberschlag 1780. godine, koji ga je primijetio u planinama Harz (Njemačka) na vrhu Brocken. Od tada se o ovoj planini pričaju strašne priče o vampirima i duhovima. Ali Johann Wolfgang von Goethe je bio taj koji je Brockenu donio njegovu konačnu slavu. Na ovaj vrh se penju Faust i Mefistofel da bi došli do veštičje subote. A u poglavlju “Valpurgijska noć” možete pronaći tačan opis Brockenovog duha:

Pogledaj ivicu brežuljka.
Mefisto, vidite, tamo na ivici
Da li je senka tako usamljena?
Ona klizi kroz vazduh
Bez dodirivanja tla nogom.

Ovaj fenomen se može vidjeti u bilo kojoj planinskoj regiji, kao što je nacionalni park Halikala na ostrvu Maui na Havajima ili u velškim planinama.

Brocken Ghost se pojavljuje kada Sunce sija iza penjača koji gleda dolje sa grebena ili vrha u maglu. Svjetlo projektuje penjačovu sjenu naprijed kroz maglu, često poprima bizarne, ugaone oblike uzrokovane perspektivom. Povećanje veličine sjene je optička iluzija, koja se objašnjava činjenicom da promatrač upoređuje svoju sjenu koja leži na relativno obližnjim oblacima sa udaljenim površinskim objektima vidljivim kroz praznine u oblacima; ili kada je nemoguće navigirati u magli i mjeriti veličine. Osim toga, sjene padaju na kapljice vode koje se nalaze na različitim udaljenostima od oka, što remeti percepciju dubine. Duh se može pomaknuti (ponekad potpuno neočekivano) zbog kretanja sloja oblaka i fluktuacija gustine u oblaku.