Чи замислювалися ви про те, що собою представляють насправді багато світлові явища? Для прикладу візьмемо фотоефект, теплові хвилі, фотохімічні процеси тощо – все це квантові властивості світла. Якщо б вони не були відкриті, праці вчених не рушили б з мертвої точки, власне, як і науково-технічний прогрес. Вивчають їх у розділі квантової оптики, який нерозривно пов'язаний з однойменною розділом фізики.

Квантові властивості світла: визначення терміна

До недавнього часу чітку і зрозумілу трактування даного оптичного явища дати не могли. Ним успішно користувалися в науці та повсякденному житті, на його основі будували не тільки формули, але і цілі задачі з фізики. Сформулювати остаточне визначення вийшло лише у сучасних учених, які підводили підсумки діяльності своїх попередників. Отже, хвильові та квантові властивості світла – це наслідок особливостей його випромінювачів, якими є електрони атомів. Квант (або фотон) утворюється за рахунок того, що електрон переходить на нижчий енергетичний рівень, тим самим генеруючи електромагнітні імпульси.

Перші оптичні спостереження

Припущення про наявність у квантових властивостей світла з'явилося в XIX столітті. Вчені відкрили і старанно вивчали такі явища, як дифракція, інтерференція і поляризація. З їх допомогою була виведена електромагнітна хвильова теорія світла. Вона базувалася на прискоренні руху електронів під час коливання тіла. За рахунок цього відбувалось нагрівання, а слідом за ним з'являлися світлові хвилі. Першу авторську гіпотезу цього рахунок сформував англієць Д. Релей. Він розцінював випромінювання як систему однакових і постійних хвиль, причому в замкнутому просторі. Згідно з його висновками, при зменшенні довжини хвиль потужність їх повинна була безперервно зростати, більш того, була потрібна наявність ультрафіолетових і рентгенівських хвиль. На практиці ж все це не підтвердилося, і за справу взявся інший теоретик.

Формула Планка

На самому початку XX століття Макс Планк – фізик німецького походження – висунув цікаву гіпотезу. Згідно їй, випромінювання і поглинання світла відбувається не безперервно, як думали раніше, а порціями – квантами, або, як їх ще називають, фотонами. Була введена постійна Планка – коефіцієнт пропорційності, що позначається буквою h і він дорівнював 663·10 -34 Дж·с. Щоб вирахувати енергію кожного фотона, потрібна ще одна величина – v – частота світла. Постійна Планка множилася на частоту, і в результаті отримували енергію окремо взятого фотона. Так німецький вчений точно і грамотно закріпив в одній простій формулі квантові властивості світла, які раніше були виявлені Р. Герцем і позначені ним як фотоефект.

Відкриття фотоефекту

Як ми вже сказали, вчений Генріх Герц був першим, хто звернув увагу на незамечаемие раніше квантові властивості світла. Фотоефект був відкритий в 1887 році, коли вчений поєднав освітлену цинкову пластину і стрижень електрометра. У разі якщо до пластини доходить позитивний заряд, електрометрії не розряджається. Якщо випромінюється заряд негативний, то прилад починає розряджатися, як тільки на пластину потрапляє промінь ультрафіолету. В ході даного практичного досвіду було доведено, що пластина під впливом світла може випромінювати негативні електричні заряди, які згодом отримали відповідну назву - електрони.

Практичні досліди Столетова

Практичні експерименти з електронами проводив російський дослідник Олександр Столєтов. Для своїх дослідів він використовував вакуумний скляний балон і два електрода. Один електрод використовувався для передачі енергії, а другий був висвітлюються, і до нього підводився негативний полюс батареї. В ході даної операції починала зростати сила струму, але через деякий час вона ставала постійною і прямо пропорційною випромінювання світлового потоку. В результаті було виявлено, що кінетична енергія, а також затримують напруги електронів не залежать від потужності світлового випромінювання. Але збільшення частоти світла змушує рости даний показник.

Нові квантові властивості світла: фотоефект та його закони

У ході розвитку теорії Герца і практики Столетова були виведені три основні закономірності, по яких, як виявилося, функціонують фотони: 1. Потужність світлового випромінювання, яке падає на поверхню тіла, прямо пропорційна силі струму насичення. 2. Потужність світлового випромінювання ніяк не впливає кінетичну енергію фотоелектронів, а ось частота світла є причиною лінійного зростання останньої. 3. Існує якась «червона межа фотоефекту». Суть полягає в тому, що якщо частота менше мінімального показника частоти світла для даної речовини, фотоефекту не спостерігається.

Труднощі зіткнення двох теорій

Після формули, виведеної Максом Планком, наука зіткнулася з дилемою. Раніше виведені хвильові та квантові властивості світла, які були відкриті трохи пізніше, не могли існувати в рамках загальноприйнятих фізичних законів. Згідно з електромагнітної, старою теорією, всі електрони тіла, на яке потрапляє світло, повинні приходити в вимушене коливання на рівних частотах. Це породжувало б нескінченно велику кінетичну енергію, що ніяк неможливо. Більш того, для накопичення необхідної кількості енергії електронам потрібно було перебувати в стані спокою десятки хвилин, в той час як явище фотоефекту на практиці спостерігається без найменшої затримки. Додаткова виникала плутанина також з-за того, що енергія фотоелектронів не залежала від потужності світлового випромінювання. Крім того, ще не була відкрита червона межа фотоефекту, а також не була вирахувана пропорційність частоти світла кінетичної енергії електронів. Стара теорія не змогла чітко пояснити видимі оку фізичні явища, а нова ще не до кінця відпрацьованою.

Раціоналізм Альберта Ейнштейна

Лише в 1905 році геніальний фізик А. Ейнштейн виявив на практиці і чітко сформулював в теорії, яка вона - справжня природа світла. Хвильові та квантові властивості, відкриті за допомогою двох протилежних один одному гіпотез, в рівних частинах притаманні фотонам. Для повноти картини не вистачало лише принципу дискретності, тобто точного місцезнаходження квантів в просторі. Кожен квант – це частинка, яка може поглинатися або випромінюватися як єдине ціле. Електрон, «проковтуючи» всередину себе фотон, збільшує свій заряд на значення енергії поглинається частинки. Далі, всередині фотокатода електрон рухається до його поверхні, зберігаючи при цьому «подвійну порцію енергії, яка на виході перетворюється в кінетичну. Таким простим чином і здійснюється фотоефект, в якому відсутня запізніла реакція. У самого фінішу електрон випускає з себе квант, який падає на поверхню тіла, випромінюючи при цьому ще більше енергії. Чим більше кількість випущених фотонів – тим потужніше випромінювання, відповідно, і коливання світлової хвилі зростає.

Найпростіші прилади, в основі яких лежить принцип фотоефекту

Після відкриттів, зроблених німецькими вченими на початку ХХ століття, почалося активне застосування квантових властивостей світла для виготовлення різних приладів. Винаходи, принцип дії яких полягає у фотоефекті, називають фотоелементами, найпростіший представник яких – вакуумний. Серед його недоліків можна назвати слабку провідність струму, низьку чутливість до випромінювання довгих хвиль, із-за чого він не може бути використаний в ланцюгах змінного струму. Вакуумний прилад широко використовується у фотометрії, їм вимірюють силу яскравості та якості світла. Також він грає важливу роль в фототелефонах і в процесі відтворення звуку.

Фотоелементи з стаціонарними функціями

Це вже зовсім інший тип приладів, в основі яких лежать квантові властивості світла. Їх призначення – зміна концентрації носіїв струму. Дане явище іноді називають внутрішнім фотоефектом, і він становить основу роботи фоторезисторів. Дані напівпровідники відіграють дуже важливу роль у нашому повсякденному житті. Вперше їх почали використовувати в ретро-автомобілях. Тоді вони забезпечували роботу електроніки та акумуляторів. В середині ХХ століття подібні фотоелементи стали застосовувати для будівництва космічних кораблів. Досі за рахунок внутрішнього фотоефекту працюють турнікети в метро, портативні калькулятори і сонячні батареї.

Фотохімічні реакції

Світ, природа якого стала лише частково доступна науки в ХХ столітті, насправді впливає на хімічні і біологічні процеси. Під впливом квантових потоків починається процес дисоціації молекул і їх злиття з атомами. В науці таке явище називається фотохимией, а в природі одним з його проявів є фотосинтез. Саме за рахунок світлових хвиль в клітинах виробляються процеси по викиду певних речовин в міжклітинний простір, за рахунок чого рослина набуває зелений відтінок. Впливають квантові властивості світла і на людський зір. Потрапляючи на сітківку ока, фотон провокує процес розкладання молекули білка. Дана інформація транспортується по нейронах в мозок, і після її обробки ми можемо бачити при світлі. З настанням темряви молекула білка відновлюється, і зір аккомодируется до нових умов.

Підсумки

У цій статті ми з'ясували, що головним чином квантові властивості світла проявляються в явищі, що називається фотоефектом. Кожен фотон має свій заряд і масу, і при зіткненні з електроном потрапляє всередину нього. Квант і електрон стають одним цілим, і їх спільна енергія перетворюється в кінетичну, що, власне кажучи, і потрібне для здійснення фотоефекту. Хвильові коливання при цьому можуть збільшити вироблену фотоном енергію, але лише до певного показника. Фотоефект в наші дні є незамінною складовою більшості видів техніки. На його основі будують космічні лайнери і супутники, розробляють сонячні батареї, що використовують як джерело допоміжної енергії. Крім того, світлові хвилі впливають на хіміко-біологічні процеси на Землі. За рахунок простих сонячних променів рослини стають зеленими, земна атмосфера фарбується на всю палітру синього кольору, і ми бачимо світ таким, який він є.