Max Planck

Kvantna svojstva svjetlosti

1900. godine njemački fizičar Max Planck postavio je hipotezu: svjetlost se emituje i apsorbira ne neprekidno, već u odvojenim dijelovima - quanta(ili fotona). Energija E svakog fotona određena je formulom E = hv , gdje h - koeficijent proporcionalnosti - Plankova konstanta, v je frekvencija svjetlosti. Empirijski izračunato h= 6,63 10 -34 J s. Hipoteza M. Plancka objasnila je mnoge pojave, odnosno fenomen fotoelektrični efekat, koji je 1887. godine otkrio njemački naučnik G. Hertz. Dalje fotoelektrični efekat eksperimentalno proučavao ruski naučnik Stoletov.

Bili su žrtve nacizma, zatvorenici njemačkih koncentracionih logora. Nakon rata, Einstein je lobirao za nuklearno razoružanje i svjetsku vladu: „Ako Treća Svjetski rat kamenje i motke će se boriti u četvrtom svijetu." S druge strane, prezirao je nacionalizam i izražavao sumnju da je jevrejska država najbolje rješenje. U početku je zamišljao da će Jevreji i Arapi živjeti zajedno na istoj zemlji. Nekoliko godina prije smrti, Izrael mu je ponudio da postane njegov drugi predsjednik, ali ga je Ajnštajn odbio, ne posjedujući potrebne ljudske kvalitete.

Fotoelektrični efekat i njegovi zakoni

Šema Stoletovljevog eksperimenta

Fotoelektrični efekat je izbacivanje elektrona iz tvari djelovanjem svjetlosti.
Kao rezultat istraživanja, ustanovljeno je 3 zakona fotoelektričnog efekta:
1. Fotostruja zasićenja je direktno proporcionalna upadnom svjetlosnom toku.
2. Maksimalna kinetička energija fotoelektrona raste linearno sa frekvencijom svetlosti i zavisi od njenog intenziteta.
3. Za svaku supstancu postoji maksimalna talasna dužina na kojoj se fotoelektrični efekat još uvek opaža. Na velikim dužinama nema fotoelektričnog efekta.

Albert Einstein, Albert Schweitzer i Bertrand Russell borili su se protiv nuklearnih testova i bombi. Zajedno sa Pugwash Conferences on Science and World Affairs i Bertrand Russell-om, objavio je Russell-Einsteinov manifest i organizirao nekoliko konferencija.

Recimo, na primjer, toplinska, hemijska, mehanička, radioaktivna, ali prije svega svjetlosna energija. Interakcija elektromagnetnog zračenja, odnosno svjetlosti, s tkivima zasniva se na metodi liječenja koju stručno nazivamo fototerapijom. Fototerapija je moderna metoda liječenja koja koristi najprirodniji izvor svjetlosne energije. Svetlost je koncept direktno povezan sa suštinom života. Iako se s njim stalno susrećemo i da li je u prirodnom obliku ili kao nepresušan izvor, u jednom vijeku se ništa nije znalo o njegovoj fizičkoj suštini, a njegova studija je bila u rukama teologa.

Teoriju fotoelektričnog efekta stvorio je njemački naučnik A. Einstein 1905. godine. Ajnštajnova teorija se zasniva na konceptu radne funkcije elektrona iz metala i konceptu kvantno zračenje Sveta. Prema Ajnštajnovoj teoriji, fotoelektrični efekat ima sledeće objašnjenje: apsorbujući kvant svetlosti, elektron dobija energiju. Prilikom napuštanja metala energija svakog elektrona se smanjuje za određenu količinu, što se naziva radna funkcija ( Avy) . Radna funkcija je minimalna energija koja se mora prenijeti elektronu da bi napustio metal. Zavisi od vrste metala i stanja njegove površine. Maksimalna energija elektrona nakon bijega (ako nema drugih gubitaka) ima oblik :

Tek u iu narednom stoljeću, uglavnom talijanski i francuski fizičari, primili su skup znanja koje je na kraju dovelo do ideje o korpuskularnoj prirodi svjetlosti. Ali u prvoj polovini sedamnaestog veka niko nije mogao da objasni suštinu cveća. Tek krajem ovog veka, po prvi put, svetlost je bila talas koji se širio u svemiru istom brzinom iu svim pravcima iz svake tačke na površini tela. Pojavljuje se novo polje kvantna fizika. Prema njenim riječima, svjetlost ima dvojni karakter, talasni i korpuskularni.

Upravo sada mi pričamo o dualnosti talasa i čestica. Terapeutska upotreba svetlosti u naučnoj medicini zabeležena je tek u jednom veku. Početkom veka širom sveta su osnovani instituti za emitovanje svetlosti, koji se koriste za obradu specijalnih lampi koje emituju svetlost sa razne dužine valovi, i vidljivi i infracrveni ili ultraljubičasti, koji su na kraju tehničkim terminom označeni kao tamni dio vida. Edward Slavik, pionir svjetlosne terapije u našoj zemlji. Razvoj odmarališta, izgradnja poznatih odmarališta u Grčkoj, Italiji, na francuskoj rivijeri ili razvoj alpskih sanatorija, omogućili su lekarima da preporuče dugotrajan boravak na planinskom vazduhu, povezan sa suncem, kao metodu tretman.

ovo je Einsteinova jednadžba.

Ako a h v< Avy , fotoelektrični efekat se ne javlja. Granična frekvencija v min i ograničavanje talasne dužine λ max pozvao crveni obrub foto efekat. Izražava se ovako: v min \u003d A / h, λ max \u003d λ cr \u003d hc/A, gdje je λ max (λ cr) maksimalna talasna dužina na kojoj se fotoelektrični efekat još uvijek opaža. Crvena granica fotoelektričnog efekta je različita za različite supstance, jer ALI zavisi od vrste supstance.

Dugi niz godina, gotovo prije otkrića antibiotika, helioterapija je, uz liječenje dijetom i uvođenje visokokalorične dijete, bila jedini lijek za plućnu tuberkulozu. Danas helioterapiju koristimo prvenstveno u prevenciji bolesti. U terapijskoj upotrebi sunčeve svjetlosti nikada ne smijemo zaboraviti djelovanje ultraljubičaste i infracrvene sunčeve svjetlosti, iako je pretežno zastupljena svjetlost u vidljivim talasnim dužinama. Ovisnost fototerapije o meteorološki uslovi dovelo do razvoja sve manjeg izvora svjetlosti.

Primjena fotoelektričnog efekta u tehnici.
Uređaji na čijem principu rada je fenomen fotoelektričnog efekta nazivaju se fotoćelije. Najjednostavniji takav uređaj je vakuum fotoćelija. Nedostaci takve fotoćelije su: slaba struja, niska osjetljivost na dugovalno zračenje, složenost u proizvodnji, nemogućnost upotrebe u strujnim kolima naizmjenična struja. Koristi se u fotometriji za mjerenje intenziteta svjetlosti, svjetline, osvjetljenja, u bioskopu za reprodukciju zvuka, u fototelegrafima i fototelefonima, u upravljanju proizvodnim procesima.

Njihov razvoj omogućio je dublje proučavanje uticaja svetlosti na živu ćeliju i pokazao snažnu vezu između talasne dužine svetlosnih zraka i reakcije tela. Dok monohromatsko svjetlo s talasnom dužinom manjom od 550 nm ili više od 900 nm usporava diobu ćelije, difrakcija svjetlosti između 550 i 900 nm ubrzava. Talasna dužina ozračenog tkiva je važna zbog njegove različite apsorpcije vodom, hemoglobinom i kožom i melaninom. Moderna fototerapija koristi nekoliko vrsta izvora svjetlosti, koji se razlikuju i po svom fizička svojstva kao i njegov uticaj na žive organizme.

Postoje poluvodičke fotoćelije u kojima se pod utjecajem svjetlosti mijenja koncentracija nosilaca struje. Na ovom fenomenu (interni fotoelektrični efekat) zasniva se i uređaj fotootpornika. Koriste se u automatskoj kontroli električna kola(na primjer, u okretnicama podzemne željeznice), u krugovima naizmjenične struje, u satovima, kalkulatorima. Poluprovodničke fotoćelije se koriste u solarni paneli na svemirski brodovi, u prvim kolima.

Iako se neke vrste svjetla koriste decenijama i postale su sastavni dio medicinskih ustanova, druge se u medicini koriste posljednjih nekoliko godina. Ovdje mislimo na laser. 6 7. Tako se nazivaju kvantni generatori svjetlosti i pojačivači zračenja, odnosno optički izvori elektromagnetnog zračenja. U skladu sa karakteristikama laserskog snopa, lasere delimo na neinvazivne, terapeutske i invazivne, hirurške. Laserski snop karakteriše jedna boja, koherentnost i polarizacija.

Na osnovu Maksvelovih zakona elektrodinamike, prema kojima je svetlost elektromagnetski talas neprekidno raspoređen u prostoru, oni su se pokazali neefikasnim. Bilo je nemoguće razumjeti zašto je energija fotoelektrona određena samo frekvencijom svjetlosti i zašto samo na dovoljno maloj talasnoj dužini svjetlost izvlači elektrone.

Ove karakteristike vam omogućavaju da projektujete potrebnu snagu na maloj površini. Tvrdi rubin laser je korišten za koagulaciju retine i vezivanje krvnih žila kože. Njegove glavne prednosti su uglavnom znanje iz oblasti dermatološke hirurgije i onkologije. I, naravno, zanimljivo je da je značajno dominirao rad kliničara i istraživača iz centralne i istočne Evrope. Značajan napredak u neinvazivnoj laserskoj terapiji dogodio se od otkrića izvora helijum-neonskog laserskog snopa, a posebno od kraja godine sa razvojem minijaturnih operativno pouzdanih poluvodičkih izvora, liječnici mogu stvoriti laserski snop bilo koje snage i talasna dužina.

Objašnjenje fotoelektričnog efekta dao je 1905. Ajnštajn, koji je razvio Plankove ideje o isprekidanoj emisiji svetlosti. U eksperimentalnim zakonima fotoelektričnog efekta, Einstein je vidio uvjerljive dokaze da svjetlost ima diskontinuiranu strukturu i da se apsorbira u odvojenim dijelovima.

Češki stručnjaci za lasere su među svjetski poznatim. Ovdje se moramo sjetiti rada prof. Dr Jiří Hubáček, MD, počasni načelnik Klinike za otorinolaringologiju Fakultetske bolnice u Olomoucu, kojeg možemo smatrati osnivačem Češke škole i koji je odgojio nekoliko studenata na ovom kursu. Danas u Češkoj postoji nekoliko centara koji se fokusiraju na upotrebu fototerapije u odabranim medicinskim disciplinama i čiji je pregled dat na kraju ovog vodiča.

Energija E svakog dijela zračenja, u potpunom skladu s Planckovom hipotezom, proporcionalna je frekvenciji:

gdje je h Plankova konstanta.

Iz činjenice da se svjetlost emituje u porcijama, još ne slijedi zaključak o diskontinuitetu strukture same svjetlosti. Uostalom, mineralna voda se prodaje i u bocama, ali iz toga ne proizlazi da se voda sastoji od nedjeljivih dijelova.

Oba su široko zastupljena u međunarodnim društvima kao što su Međunarodna akademija laserske terapije u medicini i hirurgiji i Evropsko medicinsko lasersko udruženje. Ali laser je izlječiva zraka koja se može oštetiti ako ga koristi neprofesionalac. Medicinsko osoblje, uključujući ljekare koji rade s njima, mora proći stručnu obuku. Stoga je nepoželjno koristiti širu javnost. Međutim, nemaju svi priliku posjetiti radno mjesto opremljeno laserom.

Međutim, bilo bi šteta ne iskoristiti blagotvorne efekte modificiranog svjetla. Zbog toga su bioptron lampe dizajnirane da emituju polarizovanu svetlost, ali to nije koherentno. To znači da je mogućnost oštećenja ozračenog tkiva minimalna, a na njemu mogu raditi i neprofesionalci nakon treninga. Možda je najveća prednost upotrebe bioptron lampe minimalni nuspojave.

Samo fenomen fotoelektrični efekat pokazao da svjetlost ima diskontinuiranu strukturu: emitovani dio svjetlosne energije E = hv zadržava svoju individualnost u budućnosti. Može se apsorbirati samo cijeli dio.

Kinetička energija fotoelektrona može se naći primjenom zakona održanja energije. Energija dijela svjetlosti hv koristi se za obavljanje radne funkcije A i za prijenos kinetičke energije elektronu.

U literaturi još nismo naišli na opis neželjene reakcije na terapiju polariziranom svjetlošću. 8 9. Proces se stalno ponavlja i dovodi do širenja talasa u prostoru iz datog izvora elektromagnetnih talasa. Svetlost je vrsta elektromagnetnog talasa kao što su rendgenski zraci, gama zraci, ultraljubičasti zraci, infracrveni zraci ili radio talasi. Ove pojedinačne vrste zračenja razlikuju se po talasnoj dužini i frekvenciji. Za svjetlo koje zovemo elektromagnetno zračenje koje opaža ljudsko oko.

shodno tome,

Radna funkcija je minimalna energija koja se mora prenijeti elektronu da bi napustio metal. Jednačina (11.2) objašnjava osnovne činjenice o fotoelektričnom efektu. Intenzitet svjetlosti, prema Einsteinu, proporcionalan je broju kvanta (dio) energije hv u svjetlosnom snopu i stoga određuje broj elektrona istrgnutih iz metala. Brzina e elektrona prema formuli (11.2) određena je samo frekvencijom svjetlosti v i radnom funkcijom A, ovisno o vrsti metala i stanju njegove površine. Brzina ne zavisi od intenziteta svetlosti.

Svaka talasna dužina dovodi do drugačije vizuelne percepcije, boje svetlosti. Izvori svjetlosti su transformacije energije u atomima različitih supstanci. Atom može primiti energiju, na primjer, u obliku topline, svjetlosti ili struje. Naravno, čuli ste za elektrone koji kruže u atomu oko njihovog jezgra duž određenih putanja. Pod uticajem dovedene energije, oni se mogu udaljiti od jezgra. U tom stanju ne traju dugo, a nakon određenog vremenskog perioda, elektron se vraća na svoju prvobitnu putanju, a višak energije se emituje u obliku svjetlosti.

Za svaku supstancu fotoelektrični efekat se opaža samo ako je frekvencija v svjetlosti veća od određene minimalne vrijednosti V min. Zaista, da bi se izvukao elektron iz metala, čak i bez davanja kinetičke energije, potrebno je izvršiti radnu funkciju A. Prema tome, kvantna energija mora biti veća od ovog rada:

Granična frekvencija V min i granična talasna dužina max nazivaju se crvena granica fotoelektričnog efekta. One se izražavaju ovako:

Svjetlost se tada širi od izvora svjetlosti u valovima, poput krugova na površini vode. Linija okomita na talasni talas označava pravac prostiranja svetlosti i naziva se svetlosni snop. Životna sredina, u kojem se svjetlost može širiti, razlikuje se ovisno o svojim optičkim svojstvima. U prozirnom prozirnom mediju nema apsorpcije svjetlosti, zbog čega se objekt boji u komplementarnu boju apsorbirane valne dužine, a nema ni raspršivanja svjetlosti. Svetlost prolazi kroz prozirni medij, ali se delimično raspršuje.

gdje je max (cr) maksimalna talasna dužina na kojoj se fotoelektrični efekat još uvijek opaža. Ovo ime se pojavilo po analogiji sa svjetlosnim valovima, budući da je najveća talasna dužina vidljivo svetlo odgovara crvenoj boji.

U neprozirnom mediju, svjetlost se jako apsorbira ili uopće ne može doći do nje i reflektira se na površini. U zavisnosti od toga da li optički medij ima ista optička svojstva kao cjelina, govorimo o homogenom ili nehomogenom mediju. Koža je neprozirna i heterogena. Svjetlost putuje u različitim medijima različitim brzinama. Kada svetlost udari u interfejs dva različita optička medija, svetlost se reflektuje i lomi. Brzina svjetlosti u nestabilnom mediju ovisi o njegovoj frekvenciji.

Ova pojava se naziva disperzija svjetlosti. Svjetlosna disperzija omogućava korištenje bijele svjetlosti, u kojoj svjetlost svih frekvencija djeluje monohromatično. Optičke prizme se koriste za razdvajanje svjetlosti. Rubni spektar je raspoređen tako da je barem crvena spektralna komponenta devijantna, a najviše ljubičasta. Značajna manifestacija svetlosnih talasnih dužina, posebno u monohromatsko svetlo, predstavlja smetnju. Fenomen se sastoji od rasporeda različitih doprinosa Koherentna svjetlost ili svjetlost sa istom frekvencijom lasersko zračenje Nekoherentna svjetlost ili svjetlost s različitim fazama svjetlosti Bioptron valovi na datoj lokaciji.

Radna funkcija A ovisi o vrsti tvari. Stoga je granična frekvencija Vmin fotoelektričnog efekta (crvena granica) različita za različite tvari.

Treći zakon fotoelektričnog efekta: za svaku supstancu postoji maksimalna talasna dužina na kojoj se fotoelektrični efekat još uvek može posmatrati. Na dužim talasnim dužinama nema fotoelektričnog efekta.

Za cink, crvena granica odgovara talasnoj dužini max = 3,7 10 -7 m (ultravoletno zračenje).

Njegova manifestacija je pojava interferentne strukture. Kod monokromatskog svjetla interferencija se manifestira u formiranju svijetlih i tamnih traka, u bijeloj svjetlosti u formiranju duge. Još jedna značajna manifestacija valnih dužina svjetlosti je difrakcija ili savijanje svjetlosti. Kao rezultat toga, svjetlost se ne širi odmah i također u područje geometrijske sjene stvorene iza prepreka.

Prirodna nepolarizirana svjetlost može se polarizirati na različite načine: refleksija, refrakcija, dvolomnost ili polarizacijski filteri. U polarizaciji svjetlosti dvolomom koristi se anizotropija kristala, odnosno različite brzine širenja svjetlosti u različitim smjerovima. Monohromna svetlost je uvek eliptična. Poseban slučaj je kružna ili linearna polarizacija. U primijenjenoj i tehničkoj optici, dikroični polarizatori plastičnih nosača često se koriste za generiranje polarizirane svjetlosti u kojoj se nalaze dikroični kristali koji pokazuju različitu apsorpciju za različite smjerove polarizirane svjetlosti.

Ovo objašnjava iskustvo zaustavljanja fotoelektričnog efekta uz pomoć staklene ploče koja blokira ultraljubičaste zrake. Radna funkcija aluminija ili željeza je veća od radne funkcije cinka. At alkalni metali radna funkcija je, naprotiv, manja, a valna dužina max, koja odgovara crvenom rubu, je duža. Dakle, za natrijum max = 6,8 10 -34 m.

Koristeći Ajnštajnovu jednačinu (11.2), može se naći Plankova konstanta h. Da biste to učinili, trebate eksperimentalno odrediti frekvenciju svjetlosti V, radnu funkciju A i izmjeriti kinetička energija fotoelektrona. Slična mjerenja i proračuni daju h = 6,63 10 -34 J s. Potpuno istu vrijednost pronašao je i sam Planck tokom teorijskog proučavanja potpuno drugačijeg fenomena - toplotno zračenje. Podudarnost vrijednosti Planckove konstante dobivene različitim metodama dodatno potvrđuje ispravnost pretpostavke o diskontinuiranoj prirodi emisije i apsorpcije svjetlosti materijom.

Ajnštajnova jednačina (11.2), uprkos svojoj prividnoj jednostavnosti, objašnjava osnovne zakone fotoelektričnog efekta. Ajnštajn je nagrađen nobelova nagrada za njegov rad na teoriji fotoelektričnog efekta.


1. Koje činjenice svjedoče o prisutnosti korpuskularnih svojstava svjetlosti!
2. Šta je crveni obrub foto efekat!

Myakishev G. Ya., Physics. 11. razred: udžbenik. za opšte obrazovanje institucije: osnovne i profilne. nivoi / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; ed. V. I. Nikolaev, N. A. Parfenteva. - 17. izd., revidirano. i dodatne - M.: Obrazovanje, 2008. - 399 str.: ilustr.

Preuzimanje eseja, domaćih zadataka iz fizike, besplatno preuzimanje udžbenika, online lekcije, pitanja i odgovori

Sadržaj lekcije sažetak lekcije podrška okvir prezentacije lekcije akcelerativne metode interaktivne tehnologije Vježbajte zadaci i vježbe samoispitivanje radionice, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća diskusija pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video i multimedija fotografije, slike grafike, tabele, šeme humor, anegdote, vicevi, strip parabole, izreke, ukrštene reči, citati Dodaci sažetakačlanci čipovi za radoznale cheat sheets udžbenici osnovni i dodatni glosar pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje fragmenta u udžbeniku elementi inovacije u lekciji zamjenom zastarjelih znanja novim Samo za nastavnike savršene lekcije kalendarski plan za godinu smjernice diskusioni programi Integrisane lekcije