Objasniti raspodjelu energije u spektru ravnoteže termičko zračenje, dovoljno je, kao što je Planck pokazao, pretpostaviti da se svjetlost emituje samo u dijelovima.Da bismo objasnili fotoelektrični efekat, dovoljno je pretpostaviti da se svjetlost apsorbuje u istim dijelovima. Međutim, Ajnštajn je otišao mnogo dalje. On je iznio hipotezu da se svjetlost širi u obliku diskretnih čestica, prvobitno nazvanih svjetlosni kvanti. Kasnije su te čestice nazvane fotoni.

Najdirektnija potvrda Einsteinove hipoteze došla je iz Botheovog eksperimenta. Tanka metalna folija F (slika 10.1) postavljena je između dva brojača gasnog pražnjenja Cch (vidi § 82 2. sveske). Folija je bila osvijetljena slabim snopom x-zrake, pod čijim je utjecajem i sama postala izvor rendgenskih zraka (ovaj se fenomen naziva rendgenska fluorescencija). Zbog niskog intenziteta primarnog snopa, broj kvanta koje emituje folija bio je mali.

Kada su ga rendgenski zraci pogodili, brojač je proradio i pokrenuo poseban mehanizam M, koji je napravio oznaku na pokretnoj traci L. Ako bi se zračila energija ravnomjerno širila u svim smjerovima, kao što slijedi iz valnih prikaza, oba brojača bi morala rade istovremeno i oznake na traci bi padale jedna na drugu. U stvari, postojao je potpuno nasumičan raspored oznaka. Ovo se može objasniti samo činjenicom da u odvojenim aktima emisije nastaju svjetlosne čestice koje lete prvo u jednom smjeru, a zatim u drugom.

Dakle, eksperimentalno je dokazano postojanje posebnih svjetlosnih čestica - fotona. Energija fotona određena je njegovom frekvencijom:

Elektromagnetski talas ima impuls (vidi § 108 2. toma). Prema tome, foton takođe mora imati impuls. Da bismo odredili impuls fotona, koristimo relacije teorije relativnosti. Zamislite dva referentna okvira koji se kreću relativno jedan u odnosu na drugi brzinom. Usmjerimo ose duž. Neka foton leti u pravcu ovih osa. Energija fotona u sistemima je jednaka , respektivno. Frekvencije i su povezane relacijom

(vidi § 151 2. toma). shodno tome,

Označimo impuls fotona u sistemu K simbolom , u sistemu K - simbolom . Iz razmatranja simetrije proizilazi da impuls fotona mora biti usmjeren duž ose, pa se pri prelasku iz jednog referentnog okvira u drugi energija i zamah pretvaraju prema formuli

(vidi formulu (69.2) 1. toma; napisali smo formulu za inverznu transformaciju, i stoga promijenili predznak prije . U slučaju koji razmatramo, možemo zamijeniti u (10.3) do .

Iz poređenja formula (10.2) i (10.3) proizilazi da

(umesto toga smo napisali). Odavde

U § 71 1. toma pokazano je da je takav odnos između impulsa i energije moguć samo za čestice sa nultom masom mirovanja koje se kreću brzinom c. Dakle, od kvantni odnos i opštih principa teorije relativnosti, sledi da

1) masa mirovanja fotona je nula,

2) foton se uvijek kreće brzinom c.

To znači da je foton čestica posebne vrste, različita od čestica poput elektrona, protona itd., koje mogu postojati, krećući se brzinama manjim od c, pa čak i u mirovanju.

Zamjenom frekvencije u formuli (10.4) kroz talasnu dužinu, dobijamo izraz za impuls fotona

( - talasni broj). Foton leti u pravcu širenja elektromagnetnog talasa. Prema tome, pravci impulsa i talasnog vektora k se poklapaju. Stoga se formula (10.5) može napisati u vektorskom obliku:

Neka tok fotona koji leti duž normale na površinu padne na površinu koja upija svjetlost. Ako je gustina fotona , PS fotona pada po jedinici površine u jedinici vremena. Kada se apsorbuje, svaki foton daje zamah zidu.Množenjem sa , dobijamo impuls koji se po jedinici vremena daje jediničnoj površini, tj. pritisak svetlosti na zid:

Proizvod je jednak energiji fotona zatvorenih u jedinici volumena, odnosno gustoći elektromagnetne energije w. Tako smo došli do formule - w, koja se poklapa sa izrazom za pritisak dobijenim iz elektromagnetske teorije (vidi formulu (108.9) 2. sveske). Odbijajući se od zida, foton mu daje zamah. Stoga će za reflektirajuću površinu tlak biti jednak .

Na osnovu koncepta elektromagnetnog polja kao skupa fotona, lako je dobiti odnos između emisivnosti crnog tijela i ravnotežne gustine zračenja.

Pretpostavimo da se u jediničnoj zapremini šupljine ispunjene ravnotežnim zračenjem nalaze fotoni čija se frekvencija nalazi u rasponu od

(uporedi sa formulom (3.4)).

U ovom poglavlju razmatrali smo niz pojava u kojima se svjetlost ponaša poput struje čestica (fotona). Međutim, ne treba zaboraviti da se fenomeni kao što su interferencija i difrakcija svjetlosti mogu objasniti samo na osnovu valnih koncepata. Dakle, svjetlost otkriva korpuskularno-valni dualizam (dualnost): u nekim pojavama se manifestuje njena talasna priroda, i ponaša se kao elektromagnetski talas, u drugim pojavama se manifestuje korpuskularna priroda svetlosti, i ponaša se kao tok fotona. U § 18 ćemo vidjeti da je dualnost talas-čestica svojstvena ne samo česticama svjetlosti, već i česticama materije (elektronima, protonima, atomima, itd.).

Hajde da saznamo u kakvom su odnosu talasni i korpuskularni obrazac. Odgovor na ovo pitanje može se dobiti razmatranjem osvjetljenja površine sa obje tačke gledišta. Prema konceptima talasa, osvetljenje u nekoj tački površine je proporcionalno kvadratu amplitude svetlosnog talasa. Sa korpuskularne tačke gledišta, osvetljenje je proporcionalno gustini fotona. Posljedično, postoji direktna proporcionalnost između kvadrata amplitude svjetlosnog talasa i gustine fluksa fotona. Foton je nosilac energije i impulsa. Energija se oslobađa u tački na površini gdje foton udara. Kvadrat amplitude talasa određuje vjerovatnoću da foton udari dati poen površine.

Površina pada otprilike 2-1013 fotona u sekundi. Relativna fluktuacija je obrnuto proporcionalna kvadratni korijen od broja čestica (vidi formulu (102.6) 1. sveske). Stoga, pri navedenoj vrijednosti fluksa fotona, fluktuacije su zanemarljive, a površina izgleda kao da je ravnomjerno osvijetljena.

Fluktuacije slabih svjetlosnih tokova otkrili su S. I. Vavilov i njegovi saradnici. Otkrili su da u području najveće osjetljivosti oko počinje reagirati na svjetlost kada oko 200 fotona u sekundi pogodi zenicu. Pri tom intenzitetu Vavilov je uočio fluktuacije svjetlosnog toka, koje su imale izrazito statistički karakter. Istina, treba imati na umu da su fluktuacije u percepciji svjetlosti uočene u Vavilovljevim eksperimentima bile posljedica ne samo fluktuacija svjetlosnog toka, već i fluktuacija povezanih s fiziološkim procesima koji se odvijaju u oku,

Metodologija moderne fizike, koja je nastala na "kvascu" teorije relativnosti, dovela je do neviđenog potresanja umova i do pojave mnogih naučnih teorija zasnovanih na njoj, više nalik fantazijama srednjovjekovnih skolastika.

Tako, na primjer, profesor Veinik, ozloglašen po tome što je patio zbog kritike teorije relativnosti (on ju je jednostavno ismijavao), piše u "Termodinamici" - udžbeniku za studente: "...važna mana kvantne mehanike je nedostatak ideje vodilja koje bi omogućile prosuđivanje strukture čestice. Kao rezultat tako banalne elementarne čestice kao što je foton, spada u kategoriju izuzetnih (očigledno, tome je olakšala činjenica da se svjetlost dugo vremena smatrala valom, kao i formula E = mc 2 Einstein). Zapravo, foton se u principu ne razlikuje od elektrona i drugih elementarnih čestica (to se može suditi po fotografijama...). Bilo je dovoljno razumjeti strukturu elektrona ili fotona kako bi se dobila potpuna slika o cijelom mikrokosmosu i zakonima koji njima upravljaju. Prema opštoj teoriji (Veinik - N.N.), elementarna čestica je ansambl mikronaboja. Potonji uključuju: masu (supstance), prostor (metroni), vrijeme (hronone), elektron, termon, Planckovu konstantu itd. Broj različitih elementarnih čestica je beskonačno velik.”

Tako vidimo kako prostor-vrijeme, talasna čestica, princip nesigurnosti, ekvivalent mase-energije i drugi "entiteti" nastavljaju da stvaraju nova čudovišta u obliku termona, metrona, kronona i supstanci. Što se tiče fotografije, da je Veiniku prikazana slika autoputa noću, on bi na isti način definisao „banalnost” automobila koji ostavlja trag farova na fotografiji. "San razuma rađa čudovišta" (Goya).

„Uzrok svih prirodnih fenomena se sagledava uz pomoć razmatranja mehaničke prirode, inače se mora odreći svake nade da ćemo ikada bilo šta razumjeti u fizici.” (Huygens "Traktat o svjetlu"). Ista ideja u različite opcije izrazili najpoznatiji istraživači i mislioci različitih vremena: Aristotel, Galileo, Newton, Hooke, Descartes, d'Alembert, Fresnel, Faraday, Helmholtz i mnogi drugi. Dakle, Maxwell je u svojoj „Treatizi o elektricitetu i magnetizmu“ napisao: „Trenutno ne možemo razumjeti širenje (interakcije - N.N.) u vremenu drugačije osim nečim poput leta materijalne supstance kroz prostor, ili kao stanje kretanja ili napetost u mediju koji već postoji u prostoru... Zaista, bez obzira na to kako se energija prenosi s jednog tijela na drugo u vremenu, mora postojati medij ili supstanca u kojoj se energija nalazi nakon što je napustila jedno tijelo, ali još nije dostigao drugu... Dakle, sve ove teorije (talas, interakcija i elektromagnetizam - N.N.) dovode do koncepta medija u kojem se odvija propagacija, a ako prihvatimo ovaj medij kao hipotezu, mislim da bi trebalo da traje istaknuto mjesto u našim istraživanjima, te treba pokušati izgraditi mentalni prikaz njegovog djelovanja u svim detaljima; ovo je bio moj stalni cilj u ovoj raspravi.".

Ali pokušajmo sada da zamislimo pojavu fotona prema Veiniku: "pobuđeni" elektron je leteo, leteo orbitom i odjednom se od njega odvojila određena "banalna suština", koja, bez razloga i osnova za to, bez obzira na brzinu i cikličnu frekvenciju elektrona, poprima svoju frekvenciju oscilovanja (nakon izračunavanja količine energije koju mora uzeti?), a masa - što se događa! Učinak ovdje nije generiran uzrocima, a fizička razmatranja nisu podržana logikom i zakonima mehanike. Sta su mentalne reprezentacije» Maxwell?!

Dakle, Maksvel tvrdi da se energija može preneti na daljinu na samo dva načina: ili zajedno sa materijom (masom), ili talasima kroz posredni medij. Postojanje navodno posebne vrste materije - elektromagnetno polje- rezultat prodora u fiziku nenaučnog mišljenja. Ovo čak nije ni kalorično, što je prilično uspješno opisalo vibracijsku energiju atoma i molekula materije i, u isto vrijeme, toplinsko (elektromagnetno) zračenje. Ovo je samo pokušaj da se pred misterijom prirode prikrije svoje neznanje i nemoć.

Veliki umovi čovječanstva bore se s ovom zagonetkom, počevši od starogrčkih, staroarapskih, staroindijskih i starokineskih mislilaca, od Newtona, Hookea, Huygensa, do modernih istraživača koji su, iako su postigli velika dostignuća u korištenju svjetlosti (laseri, itd.), međutim, njihova saznanja o suštini svetlosti su još uvek veoma daleko od istine.

Newtonovi stavovi o prirodi svjetlosti bili su vrlo kontradiktorni i nedosljedni. Iako je bio začetnik istinski naučnog mišljenja, strah od postavljanja naučnih hipoteza bez dovoljno eksperimentalnih i opservacijskih činjenica doveo ga je do druge krajnosti: do ograničenosti mišljenja i nedosljednosti u zaključcima. Tako su ga njegovi pogledi na interakciju tijela na udaljenosti doveli do ideje o postojanju međumedija; ali kada razmatra prirodu svjetlosti, on odbacuje ovo okruženje samo zato što "ne postoji dovoljna količina eksperimenata pomoću kojih bi se zakoni djelovanja ovog etra tačno utvrdili i pokazali."

Naravno, u njegovo vrijeme pitanje svojstava i sastava etra bilo je preuranjeno, jer čak i takve nauke kao što su optika, elektromagnetizam, atomski i molekularna fizika i mnogi drugi. Čak iu naše vrijeme, takve nauke kao što su jezgro atoma i elementarne čestice još uvijek "lebdi u magli". Šta reći o etru - sljedećem koraku u strukturi materije?

Međutim, zapažanja, činjenice, eksperimenti i saznanja o svojstvima etera postajali su sve više, a sve velike i bilo kakve značajne teorije nastale su samo zahvaljujući "mentalnoj konstrukciji njegovog djelovanja". Einstein i Infeld su to nazvali "šumama" za izgradnju teorija, koje se mogu ukloniti u korist postojanja opšteg principa relativnosti. Ali sada je teško zamisliti da takve nauke kao što su optika i elektromagnetska teorija, ako se pred njima pojavio opšti princip relativnosti.

„Teorija talasa je pobedila Njutnovu teoriju ekspiracije sa besprekornom kvalitativnom i kvantitativnom tačnošću svojih predviđanja“ (S. Vavilov) i ne samo to. Prvo, nezavisnost brzine svjetlosti od brzine izvora ne može se objasniti teorijom oticanja. Newton je upravo vjerovao da se brzina fotona dodaje brzini izvora. Drugo, teorija ekspiracije je predviđala povećanje brzine svjetlosti u gušćem mediju, dok je Huygensova teorija valova predviđala smanjenje ove brzine. Direktni eksperimenti o mjerenju brzine u gustom mediju, koje su izveli Fizeau i Foucault, potvrdili su talasnu prirodu svjetlosti.

Talasna teorija svjetlosti potvrđena je i teorijskim i eksperimentalnim radovima Faradaya, Maxwella, Hertza, Lebedeva i drugih istraživača. Maxwell je, na primjer, u svom "Traktatu..." napisao: "...svjetlosni medij, kada svjetlost prolazi kroz njega, služi kao spremnik energije. AT teorija talasa, koju su razvili Huygens, Fresnel, Young, Green i drugi, ova energija se smatra dijelom potencijalnom, a dijelom kinetičkom. Potencijalna energija smatra se da je posljedica deformacije elementarnih volumena medija, što znači da medij moramo smatrati elastičnim. Kinetička energija se smatra uslovljenom oscilirajuće kretanje medij, tako da moramo pretpostaviti da medij ima konačnu gustinu. Teorija elektriciteta i magnetizma usvojena u ovoj raspravi priznaje postojanje dvije vrste energije - elektrostatičke i elektrokinetičke, a pretpostavlja se da su one lokalizirane ne samo...u tijelima, već iu svakom dijelu okolnog prostora.. Stoga je naša teorija konzistentna sa teorijom valova u tome što obje pretpostavljaju postojanje medija koji može postati spremnik za dvije vrste energije. Istovremeno, i Maksvel i Faradej, kao ljudi širokih naučnih pogleda, isticali su da je etar potreban ne samo za talasnu teoriju svetlosti (elektrodinamizam), već i za prenos interakcija. Ovaj veoma važan argument moderni istraživači i dalje ignorišu kao rezultat potrebe da se vidi "nova haljina kralja" - zakrivljenost prostor-vremena.

Evo kako je o tome napisao pripovjedač Andersen: „Pretvarali su se da su vješti tkalci i govorili da mogu tkati tako divnu tkaninu koja ima nevjerovatno svojstvo - postaje nevidljiva svakoj osobi koja sjedi na pogrešnom mjestu ili je neprolazno glupa. .. „Nisam glup, pomisli velikodostojnik. Znači li to da sam na pogrešnom mjestu? Evo jednog za tebe! Međutim, ne možete to ni pokazati!”

S. Vavilov je napisao: „Teorija talasa je trijumfovala, činilo se, konačnu pobedu... Ali trijumf se pokazao veoma preuranjenim... Talasna teorija se pokazala bespomoćnom pred kvantnim zakonima delovanja svetlosti. "

Sada se postavljamo pitanje: da li je moguće da bi ova jedina činjenica naspram mnogih drugih mogla tako dramatično promijeniti mišljenje naučnika?! Da, postoji diskretnost zračenja; da, foton leti kao monolitna čestica. Ali zar ne postoji slično ponašanje zvuka u zraku? Ili obrnuto: nije li ponašanje elektromagnetnih valova slično zvuku?

Hertz i njegovi sljedbenici su savršeno vidjeli imanje elektromagnetno zračenje preneti u okolinu sferni valovi koji nisu lokalizirani u prostoru. (Uzgred, oni nisu kvantizovani, kako tvrde moderni svjetiljci, jer nisu rezultat skakanja elektrona s jedne orbite na drugu, već ubrzanog kretanja slobodnih elektrona u provodniku). Zbog ovog svojstva dugih elektromagnetnih talasa, gledamo TV i slušamo radio prijemnik sa bilo koje tačke sfere oko emitera. Međutim, čim frekvencija elektromagnetnih valova prijeđe određenu granicu u smjeru povećanja, pojavljuje se usmjerenost zračenja.

Ista stvar se dešava sa zvukom. Istina, takva svojstva zvuka otkrivena su sasvim nedavno, u vezi sa proizvodnjom ultrazvuka. Pokazalo se da ultrazvučni valovi imaju oštru usmjerenost i da se mogu smatrati česticama lokaliziranim u svemiru. Toliko o "bespomoćnosti teorije talasa"! Ispostavilo se da svaki put kada su istraživači sami bespomoćni da nešto objasne, za to krive klasičnu mehaniku.

Kao što je Feynman pokazao, zakoni oscilacija ovise o frekvenciji, budući da priroda procesa koji se odvijaju u mediju ovisi o tome. Međutim, i sam se zadovoljio samo izvođenjem jednačine oscilacija, kada se pritisak i temperatura u elastičnom talasu adijabatski menjaju. Nijedan od istraživača, uključujući Feynmana, nije razmatrao visoke frekvencije oscilovanja u odnosu na srednju slobodnu putanju čestica, kada procesi koji se dešavaju u ovom slučaju dovode do apsorpcije toplote. U ovom slučaju je sasvim očito da se oscilacija ne može širiti sfernim valom zbog raspodjele smjerova kretanja pojedinih čestica. Može se samo oštro usmjeriti, jer je frekvencija oscilacija manja od "frekvencije" slobodnog puta čestica.

Iz analogije sa svojstvima ultrazvuka slijedi zaključak da lokalnost uopće nije u suprotnosti s teorijom valova. Štaviše, neće li se ispostaviti da se vazduh ponaša kao metal, a ultrazvuk ima poprečne talase?

Osim lokaliteta, fotoni, za razliku od radio talasa, imaju još jedno važno svojstvo vezano za njihovo porijeklo: strogo doziranu energiju. Ovo svojstvo fotona povezano sa strukturom atoma ne bi trebalo proširiti na čitav spektar elektromagnetnih talasa. I ovde, tim pre, Plankovu konstantu kao karakteristiku energije fotona ne treba posmatrati u širem smislu, kao što se to čini na svakom koraku u fizici u poslednje vreme. Plankova konstanta nema nikakve veze sa diskretnošću vremena, prostora i mase.

U vezi sa striktnim doziranjem energije fotona, nastala je nova nauka - kvantna mehanika, u kojoj je od samog početka do danas ostalo nekoliko neriješenih pitanja. Prvo: zašto elektroni atoma, krećući se po kružnoj ili eliptičnoj orbiti, ne emituju fotone, iako doživljavaju centripetalno ubrzanje? Drugo: koji je mehanizam emisije i apsorpcije fotona?

Prvo pitanje se odnosi na zabludu koja se ponavlja u svim udžbenicima i naučni radovi on kvantna mehanika. Tako, na primjer, u Semenčenkovom „Odabranim poglavljima teorijske fizike“ čitamo: „Elektroni se ne mogu dugo kretati oko jezgra, jer prema zakonima klasične elektrodinamike, svaki elektron koji se brzo kreće zrači elektromagnetsku energiju. Time kinetička energija elektron se smanjuje i na kraju mora pasti na jezgro. A Kaigorodsky je čak izračunao u "Fizici za sve" vrijeme pada elektrona na jezgro - stotinke sekunde!

Molim čitaoca da pogleda Weberovu jednačinu klasične elektrodinamike, koja se sastoji od tri člana. Prvi član je Coulombov zakon, drugi je promjena sile interakcije kao rezultat potencijalnog kašnjenja, treći je ono što se odnosi na našu temu zračenja. Ovdje vidimo da Weberova formula uključuje skalar udaljenosti između čestica u interakciji. To znači da su na konstantnoj udaljenosti između jezgra i elektrona i prvi i drugi izvod jednaki nuli. Stoga, u ovom slučaju ne bi trebalo biti potencijalnog kašnjenja i radijacije. To znači da svaki elektron koji se brzo kreće ne zrači energiju. Elektron koji se kreće po kružnoj orbiti ne bi trebao zračiti! Nevjerovatno je koliko dugo je tako značajna greška bila nezapažena!

Rješenje za drugo pitanje predložio je Hajgens. On je sugerisao: "Svjetlost nastaje zbog udara koje pokretne čestice tijela nanose česticama etra." Prije pojave de Broglieove relacije za valne dužine, činilo se da ova Hajgensova fraza "visi u zraku". De Broglieov omjer je trebao postati temelj za proučavanje uzroka pojave kao samog omjera, a kao posljedica de Broglieovih valova - pojave fotona. Međutim, zaključak o neodređenosti kvantne mehanike, koji su donijeli Born, Heisenberg i Bohr, kao i Ajnštajnovo odbacivanje etra, odveli su fizičare od ovog problema.

Očigledno, treba pretpostaviti da su de Broglieovi valovi stvarni proces "guranja" kretanja čestica, čiji je uzrok neujednačeno kašnjenje potencijala, a foton je segment lokalnog (oštro usmjerenog) etra. valovi, koji imaju na početku i na kraju nešto drugačiju frekvenciju oscilovanja (šir spektralna linija), što je povezano sa usporavanjem brzine elektrona kada skače iz jedne stabilne orbite u drugu.

Pokretno kretanje čestica kao posljedica neujednačenog kašnjenja potencijala može biti rješenje za još jedno od pitanja kvantne mehanike – postojanje stabilnih diskretnih orbita elektrona. Stabilne orbite su očigledno rezultat rezonancije cikličkih i udarnih oscilacija.

Stoga, uprkos brojnim nagovorima ortodoksnih relativista da nema i ne može biti povratka klasičnoj fizici, etru, mehaničkim pogledima, kauzalnosti i talasastim reprezentacijama svjetlosti, to moramo učiniti, inače ćemo „morati odustani od svake nade da ćeš ikada razumeti bilo šta iz fizike"

književnost:

1. A.I. Veinik. Termodinamika. postdiplomske škole, Minsk, 1968, str.434.
2. H. Huygens. Traktat o svjetlosti. Leiden, 1703. Transl. od lat. u sub. ed. G.M. Golin i S.R. Filonovich "Klasici fizičke nauke", Viša škola, 1989, str. 131-140.
3. J. K. Maxwell. Traktat o elektricitetu i magnetizmu, tom 1, 2, Oxford, 1873. Per. sa engleskog. Nauka, M., 1989.
4. I. Newton. Optika ili rasprava o refleksijama, lomovima, savijanjima i bojama svjetlosti. London, 1706. Trans. od lat. ed. G.S. Landsberg, Gostekhizdat, Moskva, 1981.
5. S.I. Vavilov. Oko i sunce. Nauka, M., 1976.
6. G. Hertz. Na vrlo brzim električnim oscilacijama. Ann. der Ph., b. 31, s. 421...448. Per. s njim. u sub. ed. G.M. Golin i S.R. Filonoviča "Klasici fizičke nauke", Viša škola, 1989.
7. G. Hertz. O elektrodinamičkim valovima u zraku i njihovoj refleksiji. Ann. der Ph., b. 34, s. 609...623. Per. s njim. u sub. ed. G.M. Golin i S.R. Filonoviča "Klasici fizičke nauke", Viša škola, 1989.
8. R. Feynman, R. Layton, M. Sands. Feynman Lectures u fizici. Per. sa engleskog, tom 3, 4, Mir, M., 1976, str.391...398.
9. VC. Semenchenko. Odabrana poglavlja teorijske fizike. Prosvjeta, M., 1966, str.131.
10. A.I. Kitaygorodsky. Fizika za svakoga, tom 3 (Elektroni), Nauka, M., 1979.

"Nauka o Kazahstanu" br. 5 (65), 1. ... 15. marta 1996.

Svake minute Zemlja prima količinu sunčeve energije dovoljnu da obezbijedi čovječanstvo u narednim godinama.

Svjetlost koju vidimo svaki dan samo je djelić sveg zračenja koje dolazi od Sunca i pogađa Zemlju. Sunčeva svjetlost je oblik elektromagnetnog zračenja, a svjetlost koju naše oči vide samo je mali dio cjelokupnog elektromagnetnog spektra prikazanog na slici desno. Elektromagnetski spektar je odraz onoga što je inherentno svjetlosti valna svojstva: Svetlost se može opisati kao skup talasa sa različitim karakteristikama kao što je talasna dužina.

Po prvi put, talasni koncepti svetlosti pojavili su se početkom 19. veka. Eksperimenti Younga, Araga i Fresnela pokazali su postojanje interferencijskih efekata u snopovima svjetlosti, što ukazuje da se svjetlost sastoji od valova. Do kraja 60-ih vidljivo svetlo predstavljen kao dio cjelokupnog elektromagnetnog spektra. Međutim, krajem 19. stoljeća javljaju se određene poteškoće u teoriji valova: valne jednačine nisu mogle objasniti rezultate eksperimenata mjerenja spektra zračenja zagrijanih tijela. Ovu kontradikciju razriješio je Max Planck 1900. godine. i Albert Ajnštajn 1905. Planck je predložio da se sva energija svjetlosti sastoji od energija nerazlučivih elemenata - energetskih kvanta. U procesu proučavanja fotoelektričnog efekta (oslobađanje elektrona iz određenih metala i poluvodiča pod djelovanjem svjetlosti), Einstein je uspio ispravno odrediti veličinu energetskih kvanta. Za ovo otkriće dobili su Planck i Einstein Nobelove nagrade 1918. odnosno 1921. godine. Glavni rezultat njihovog rada bilo je shvatanje da se svetlost može opisati kao skup "paketa" ili čestica energije - fotona.

Danas se aparat kvantne mehanike koristi za objašnjenje talasne i korpuskularne prirode svjetlosti. U kvantnoj mehanici foton se, zajedno sa svim ostalim kvantnomehaničkim česticama (elektronima, protonima, itd.), najpreciznije predstavlja kao "talasni paket". Paket valova je skup valova koji mogu djelovati kao da su prostorno lokalizirani (slično kvadratnom valu koji nastaje dodavanjem beskonačnog broja sinusnih valova) ili mogu djelovati kao normalni val. Ako je valni paket prostorno lokaliziran, ponaša se kao čestica. Stoga, ovisno o situaciji, foton se može manifestirati ili kao čestica ili kao val. Ovaj koncept se naziva dualitet talas-čestica. U PVCDROM-u smo nacrtali talasni paket ovako:

Potpuni fizički opis svojstava svjetlosti zahtijeva njenu kvantno mehaničku analizu, budući da su fotoni neka vrsta kvantnomehaničkih čestica. Obično, da bismo razumjeli rad solarne ćelije, nije potrebno ulaziti u ove detalje, pa smo kvantnoj mehanici posvetili samo nekoliko redaka. U nekim slučajevima (na sreću, rijetko koji uključuju fotonaponske sisteme), svjetlo se može ponašati drugačije od kratkih objašnjenja koja su ovdje data. Njegovo ponašanje može biti u suprotnosti sa "zdravim razumom", što se odnosi na naša svakodnevna zapažanja i senzacije. Budući da kvantnomehanički efekti postoje izvan granica ljudske percepcije, na njih se ne mogu primijeniti koncepti zdravog razuma. Za više potpune informacije Za moderno razumijevanje prirode svjetlosti, pogledajte knjige Richarda Feynmana.

Sunčevo zračenje koje pada na Zemlju ima neke osnovne karakteristike koje su važne za određivanje interakcije sa fotonaponskim pretvaračem ili drugim objektima. Ove karakteristike su:

Spektralni sastav upadnog zračenja
- intenzitet sunčevog zračenja
- ugao pod kojim upadno sunčevo zračenje pogađa fotonaponski modul
- godišnja ili dnevna količina energije sunčevog zračenja koja pada na određenu površinu

Do kraja ovog poglavlja bit ćete svjesni svih gore navedenih koncepata.

Foton se karakteriše ili talasnom dužinom λ ili energijom koja je ekvivalentna ovoj talasnoj dužini, označena sa E. Oni su međusobno povezani

omjer:

gdje je h Plankova konstanta, c je brzina svjetlosti. Vrijednosti ovih i drugih često korištenih konstanti date su na ovoj stranici.

Pošto je energija fotona obrnuto proporcionalna talasnoj dužini, fotoni visoke energije, kao što su fotoni plavog svetla, imaju kraće talasne dužine od fotona crvene svetlosti niže energije.

Za opisivanje energije fotona i elektrona pogodnije je koristiti jedinicu energije koja se zove elektron-volt (eV) umjesto džula. 1 elektron volt jednaka energiji potrebno da jedan elektron savlada polje stvoreno razlikom potencijala od 1 Volt, 1 eV = 1,602 × 10-19 J.

Ako je energija fotona napisana u elektronskim voltima (eV), a talasna dužina u mikrometrima (µm), prethodna jednačina se može napisati kao

Možete koristiti mapu valnih dužina ili kalkulator da pronađete odgovarajuću energiju fotona u bilo kojem dijelu elektromagnetnog spektra.

Unesite talasnu dužinu, λ = 0,6 mm
Energija fotona, E = 2,0667 eV

Gustina fluksa fotona je broj fotona koji prolaze kroz jediničnu površinu u jedinici vremena:

Gustina fluksa fotona je potrebna da bi se odredio broj elektrona generiranih svjetlošću, a time i jačina struje koju generiše solarna ćelija. Pored veličine gustine fluksa fotona, potrebno je znati i njihovu energiju ili talasnu dužinu. Ako su gustina toka fotona i talasna dužina ili energija fotona poznate, tada je za svaku talasnu dužinu ili energiju moguće izračunati površinsku gustinu toka zračenja (intenzitet - za jednu površinu ili osvetljenje - ako mi pričamo o datoj površini). Gustoća toka površinskog zračenja dobije se množenjem gustine fluksa fotona sa energijom jednog fotona. Budući da je gustina fluksa fotona broj fotona koji upadaju na površinu u jedinici vremena, množeći ga sa energijom jednog fotona, dobijamo energiju koja upada na površinu u jedinici vremena, odnosno površinsku gustinu toka zračenja. Ako je energija fotona zapisana u džulima, tada će intenzitet imati dimenziju W/m2 i

gdje je f tok fotona.

F = 3e21 m-2s-1
Eph = 2 eV

V = 961,2 W/m2

Jedna od posledica ove jednačine je da je za obezbeđivanje istog intenziteta zračenja neophodno imati veću gustinu fluksa fotona sa niskom energijom nego sa visokom. Animacija prikazuje isti intenzitet zračenja proizvedenog plavim i crvenim fotonima koji udaraju o površinu. Plavih fotona je manje jer imaju više energije.

Spektralna gustina osvjetljenja (svjetlost), kao funkcija valne dužine ili energije fotona, označena sa F, najčešći je način za opisivanje osvijetljene površine (izvor svjetlosti). Daje gustinu toka površinskog zračenja za određenu talasnu dužinu. Jedinice spektralne gustine osvetljenja - Wm-2μm-1. 1 Wm-2 je površinska gustina toka zračenja na talasnoj dužini λ(μm). Stoga se m-2 odnosi na površinu osvijetljene površine (izvor svjetlosti), a μm-1 na valnu dužinu od interesa.

Prilikom analize solarnih ćelija, u većini slučajeva potrebno je znati ne samo gustinu fotonskog fluksa, već i spektralnu gustinu osvjetljenja. Može se dobiti iz struje fotona na određenoj talasnoj dužini, kao što je prikazano u odeljku "Fotonski tok". Rezultat se zatim podijeli sa datom talasnom dužinom:

gdje
F - spektralna gustina osvetljenja u Wm-2μm-1;
F - gustina fluksa fotona u # fotona m −2s-1
E i λ su energija fotona i talasna dužina u eV i µm, respektivno, a q, h i c su konstante.

Spektralna gustina osvjetljenja ksenonskih (zelena linija), halogenih (plava) i živinih (crvena) sijalica na lijevoj osi prikazana je na grafikonu u poređenju sa spektralnom emisivnošću Sunca (ružičasta linija) na desnoj osi.

Ukupna (osvetljenje objekta) osvetljenost izvora svetlosti može se dobiti integracijom spektralne gustine osvetljenja na svim talasnim dužinama ili energijama od interesa. Međutim, u velikom broju slučajeva, tačna jednačina za spektralnu gustinu osvjetljenja ne može se zapisati. Umjesto integracije, spektralna gustina osvjetljenja se mjeri za svaku talasnu dužinu, a zatim se sumira na svim talasnim dužinama. Da biste odredili ukupno osvjetljenje (osvjetljenje), možete koristiti sljedeću jednačinu:

gdje
H je ukupna luminoznost izvora svjetlosti (osvjetljenje objekta) u Wm −2
F(λ) - spektralna emisivnost u Wm-2µm-1
Δλ, dλ - talasne dužine