Pentru a explica distribuția energiei în spectrul echilibrului Radiație termala, este suficient, așa cum a arătat Planck, să presupunem că lumina este emisă doar în porțiuni.Pentru a explica efectul fotoelectric, este suficient să presupunem că lumina este absorbită în aceleași porțiuni. Cu toate acestea, Einstein a mers mult mai departe. El a prezentat o ipoteză că lumina se propagă sub formă de particule discrete, numite inițial cuante de lumină. Ulterior, aceste particule au fost numite fotoni.

Cea mai directă confirmare a ipotezei lui Einstein a venit din experimentul lui Bothe. O folie metalică subțire F (Fig. 10.1) a fost plasată între două contoare de descărcare de gaze Cch (vezi § 82 din volumul 2). Folia a fost iluminată cu un fascicul slab raze X, sub influența căreia ea însăși a devenit o sursă de raze X (acest fenomen se numește fluorescență cu raze X). Datorită intensității scăzute a fasciculului primar, numărul de quante emise de folie a fost mic.

Când razele X îl loveau, contorul a funcționat și a pus în mișcare un mecanism special M, care a marcat pe banda în mișcare L. Dacă energia radiată se răspândește uniform în toate direcțiile, după cum reiese din reprezentările undelor, ambele contoare ar trebui să lucrează simultan și semnele de pe bandă ar cădea unul împotriva celuilalt. De fapt, a existat un aranjament complet aleatoriu de semne. Acest lucru poate fi explicat doar prin faptul că în acte separate de emisie apar particule de lumină, care zboară mai întâi într-o direcție, apoi în cealaltă.

Deci, existența unor particule speciale de lumină - fotoni a fost demonstrată experimental. Energia unui foton este determinată de frecvența acestuia:

O undă electromagnetică are impuls (vezi § 108 din al 2-lea volum). În consecință, fotonul trebuie să aibă și impuls. Pentru a determina impulsul unui foton, folosim relațiile teoriei relativității. Luați în considerare două cadre de referință care se deplasează unul față de celălalt cu o viteză . Să direcționăm axele de-a lungul Să zboare un foton în direcția acestor axe. Energia fotonului din sisteme este egală cu , respectiv. Frecvențele și sunt legate prin relație

(vezi § 151 al volumului al 2-lea). Prin urmare,

Să desemnăm impulsul unui foton în sistemul K prin simbol, în sistemul K- prin simbol. Din considerentele de simetrie rezultă că impulsul unui foton trebuie direcționat de-a lungul axei. Prin urmare, atunci când se trece de la un cadru de referință la altul, energia și impulsul sunt convertite conform formulei

(vezi formula (69.2) din volumul I; am scris formula pentru transformarea inversă și, prin urmare, am schimbat semnul înainte de . În cazul pe care îl luăm în considerare, putem înlocui în (10.3) prin .

Dintr-o comparație a formulelor (10.2) și (10.3) rezultă că

(am scris noi in schimb). De aici

În § 71 al volumului I, s-a arătat că o astfel de relație între impuls și energie este posibilă numai pentru particulele cu masă în repaus zero care se mișcă cu viteza c. Astfel, din raportul cuanticși principiile generale ale teoriei relativității, rezultă că

1) masa în repaus a unui foton este zero,

2) fotonul se mișcă întotdeauna cu viteza c.

Aceasta înseamnă că un foton este o particulă de un fel special, diferită de particule precum un electron, un proton etc., care pot exista, mișcându-se la viteze mai mici decât c și chiar în repaus.

Înlocuind frecvența din formula (10.4) prin lungimea de undă, obținem expresia pentru impulsul fotonului

(- numărul de undă). Un foton zboară în direcția de propagare a undei electromagnetice. Prin urmare, direcțiile impulsului și ale vectorului de undă k coincid. Prin urmare, formula (10.5) poate fi scrisă sub formă vectorială:

Lăsați un flux de fotoni care zboară de-a lungul normalului la suprafață să cadă pe o suprafață care absoarbe lumina. Dacă densitatea fotonilor este , PS de fotoni scade pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp. Când este absorbit, fiecare foton conferă impuls peretelui. Înmulțind cu , obținem impulsul transmis pe unitatea de timp suprafeței unității, adică presiunea luminii pe perete:

Produsul este egal cu energia fotonilor închiși într-o unitate de volum, adică densitatea energiei electromagnetice w. Astfel, am ajuns la formula - w, care coincide cu expresia presiunii obținută din teoria electromagnetică (vezi formula (108.9) a volumului 2). Reflectându-se de pe perete, fotonul îi conferă impuls. Prin urmare, pentru o suprafață reflectorizante, presiunea va fi egală cu .

Pe baza conceptului de câmp electromagnetic ca colecție de fotoni, este ușor de obținut o relație între emisivitatea unui corp negru și densitatea radiației de echilibru.

Să presupunem că într-o unitate de volum a unei cavități pline cu radiație de echilibru, există fotoni a căror frecvență se află în intervalul de la

(comparați cu formula (3.4)).

În acest capitol, am luat în considerare o serie de fenomene în care lumina se comportă ca un flux de particule (fotoni). Cu toate acestea, nu trebuie să uităm că fenomene precum interferența și difracția luminii pot fi explicate doar pe baza conceptelor undelor. Astfel, lumina dezvăluie dualismul (dualitatea) unde corpusculare: în unele fenomene se manifestă natura ondulatorie și se comportă ca o undă electromagnetică, în alte fenomene se manifestă natura corpusculară a luminii și se comportă ca un flux de fotoni. . În § 18 vom vedea că dualitatea undă-particulă este inerentă nu numai particulelor de lumină, ci și particulelor de materie (electroni, protoni, atomi etc.).

Să aflăm în ce relație sunt unda și tiparul corpuscular. Răspunsul la această întrebare poate fi obținut luând în considerare iluminarea unei suprafețe din ambele puncte de vedere. Conform conceptelor de undă, iluminarea la un punct de pe suprafață este proporțională cu pătratul amplitudinii undei luminoase. Din punct de vedere corpuscular, iluminarea este proporțională cu densitatea fluxului fotonic. În consecință, există o proporționalitate directă între pătratul amplitudinii undei luminoase și densitatea fluxului fotonic. Fotonul este purtătorul de energie și impuls. Energia este eliberată în punctul de pe suprafață în care fotonul lovește. Pătratul amplitudinii undei determină probabilitatea ca un foton să lovească punct dat suprafete.

Suprafața cade cu aproximativ 2-1013 fotoni pe secundă. Fluctuația relativă este invers proporțională cu rădăcină pătrată din numărul de particule (vezi formula (102.6) a volumului I). Prin urmare, la valoarea specificată a fluxului de fotoni, fluctuațiile se dovedesc a fi neglijabile, iar suprafața pare să fie iluminată uniform.

Fluctuațiile fluxurilor slabe de lumină au fost descoperite de S. I. Vavilov și colaboratorii săi. Ei au descoperit că în regiunea de cea mai mare sensibilitate, ochiul începe să reacționeze la lumină atunci când aproximativ 200 de fotoni pe secundă lovesc pupila. La această intensitate, Vavilov a observat fluctuații ale fluxului luminos, care aveau un caracter distinct statistic. Adevărat, trebuie avut în vedere că fluctuațiile percepției luminii observate în experimentele lui Vavilov s-au datorat nu numai fluctuațiilor fluxului de lumină, ci și fluctuațiilor asociate cu procesele fiziologice care au loc în ochi,

Metodologia fizicii moderne, care a luat naștere pe „salturile” teoriei relativității, a dus la o zguduire fără precedent a minții și la apariția multor teorii științifice bazate pe aceasta, mai mult ca fanteziile scolasticii medievale.

De exemplu, profesorul Veinik, renumit pentru că a suferit pentru că a criticat teoria relativității (pur și simplu a ridiculizat-o), scrie în „Termodinamică” - un manual pentru studenți: „... un dezavantaj important al mecanicii cuantice este lipsa ideilor călăuzitoare. care ar face posibilă judecarea structurii particulei. Ca urmare o particulă elementară atât de banală ca un foton, a intrat în categoria excepționale (se pare că acest lucru a fost facilitat de faptul că lumina a fost considerată o undă pentru o lungă perioadă de timp, precum și de formula E = mc 2 Einstein). De fapt, un foton nu diferă în principiu de un electron și alte particule elementare (acest lucru poate fi judecat din fotografii...). A fost suficient să înțelegem structura unui electron sau a unui foton pentru a obține o imagine completă a întregului microcosmos și a legilor care le guvernează. Conform teoriei generale (Veinik - N.N.), o particulă elementară este un ansamblu de microîncărcări. Acestea din urmă includ: masa (substanțe), spațiul (metroni), timpul (cronii), electronul, termonul, constanta lui Planck etc. Numărul de particule elementare diferite este infinit de mare.”

Astfel, vedem cum spațiu-timp, val-particulă, principiul incertitudinii, echivalentul masei-energie și alte „entități” continuă să genereze noi monștri sub formă de termoni, metroni, croni și substanțe. Cât despre fotografie, dacă lui Veinik i s-ar fi arătat o poză cu o autostradă pe timp de noapte, el ar fi definit în același mod „banalitatea” unei mașini care lasă o dâră de faruri pe o fotografie. „Somnul rațiunii naște monștri” (Goya).

„Cauza tuturor fenomenelor naturale este înțeleasă cu ajutorul unor considerații de natură mecanică, altfel trebuie să renunți la orice speranță de a înțelege vreodată ceva în fizică.” (Huygens „Tratat despre lumină”). Aceeași idee în opțiuni diferite exprimată de cei mai cunoscuți cercetători și gânditori din diferite vremuri: Aristotel, Galileo, Newton, Hooke, Descartes, d'Alembert, Fresnel, Faraday, Helmholtz și mulți alții. Astfel, Maxwell în „Tratat de electricitate și magnetism” a scris: „În prezent, nu putem înțelege propagarea (interacțiunile – N.N.) în timp altfel decât prin ceva de genul zborului unei substanțe materiale prin spațiu, sau ca stare. de mișcare sau tensiune într-un mediu care există deja în spațiu... Într-adevăr, indiferent de modul în care energia este transferată de la un corp la altul în timp, trebuie să existe un mediu sau o substanță în care se află energia după ce a părăsit un corp. , dar nu a ajuns încă la alta... În consecință, toate aceste teorii (undă, interacțiune și electromagnetism - N.N.) conduc la conceptul de mediu în care are loc propagarea, iar dacă acceptăm acest mediu ca ipoteză, cred că este ar trebui să ocupe un loc proeminent în cercetarea noastră și ar trebui să încercăm să construim o reprezentare mentală a acțiunii sale în toate detaliile; acesta a fost scopul meu constant în acest tratat”..

Dar să încercăm acum să ne imaginăm, conform lui Veinik, apariția unui foton: un electron „excitat” zbura, zbura de-a lungul unei orbite și dintr-o dată o anumită „esență banală” se desprinde de el, care, neavând motive și motive pentru care, indiferent de viteza și frecvența ciclică a electronului, își dobândește frecvența de oscilație (după calcularea cantității de energie pe care trebuie să o ia?), Și masa - ce se întâmplă! Efectul aici nu este generat de cauze, iar considerentele fizice nu sunt susținute de logică și de legile mecanicii. Care sunt reprezentări mentale» Maxwell?!

Deci, Maxwell susține că energia poate fi transferată la distanță în doar două moduri: fie împreună cu materia (masă), fie prin unde printr-un mediu intermediar. Existența unui tip presupus special de materie - câmp electromagnetic- rezultatul pătrunderii în fizica gândirii neștiințifice. Acesta nu este nici măcar caloric, care a descris cu destul de succes energia vibrațională a atomilor și moleculelor de materie și, în același timp, radiația termică (electromagnetică). Aceasta este doar o încercare de a-și masca ignoranța și neputința în fața misterului naturii.

Marile minți ale omenirii se luptă cu această ghicitoare, începând cu greci antici, arabi antici, indieni antici și chinezi antici, de la Newton, Hooke, Huygens, terminând cu cercetătorii moderni care, deși au obținut mari realizări în utilizarea luminii. (lasere etc.), cu toate acestea, cunoștințele lor despre esența luminii sunt încă foarte departe de adevărate.

Părerile lui Newton asupra naturii luminii erau extrem de contradictorii și inconsecvente. Deși a fost întemeietorul gândirii cu adevărat științifice, teama de a înainta ipoteze științifice fără un aport suficient de fapte experimentale și observaționale l-a condus la cealaltă extremă: la constrângerea gândirii și la lipsa de consistență a concluziilor. Astfel, opiniile sale asupra interacțiunii corpurilor la distanță l-au condus la ideea existenței unui mediu intermediar; dar când ia în considerare natura luminii, el respinge acest mediu doar pentru că „nu există o cantitate suficientă de experimente prin care legile de acțiune ale acestui eter să fie determinate și arătate cu precizie”.

Desigur, în vremea lui, problema proprietăților și compoziției eterului era prematură, deoarece chiar și științe precum optica, electromagnetismul, atomul și fizica molecularași multe altele. Și chiar și în timpul nostru, științe precum nucleul atomului și particule elementareîncă „plutind în ceață”. Ce să spun despre eter - următorul pas în structura materiei?

Cu toate acestea, observațiile, faptele, experimentele și cunoștințele despre proprietățile eterului au devenit din ce în ce mai multe, iar toate marile și orice teorii semnificative au apărut doar datorită „construcției mentale a acțiunii sale”. Einstein și Infeld au numit-o „păduri” pentru teorii de construcție, care pot fi înlăturate în favoarea existenței principiului general al relativității. Dar acum este greu de imaginat că științe precum optica și teoria electromagnetică, dacă în fața lor a apărut principiul general al relativității.

„Teoria valurilor a învins teoria expirației a lui Newton cu acuratețea ireproșabilă calitativă și cantitativă a predicțiilor sale” (S. Vavilov) și nu numai. În primul rând, independența vitezei luminii față de viteza sursei nu poate fi explicată prin teoria fluxului de ieșire. Newton credea doar că viteza fotonilor se adaugă la viteza sursei. În al doilea rând, teoria expirației a prezis o creștere a vitezei luminii într-un mediu mai dens, în timp ce teoria undelor a lui Huygens a prezis o scădere a acestei viteze. Experimentele directe de măsurare a vitezei într-un mediu dens, efectuate de Fizeau și Foucault, au confirmat natura ondulatorie a luminii.

Teoria ondulatorie a luminii a fost confirmată atât de lucrările teoretice, cât și de cele experimentale ale lui Faraday, Maxwell, Hertz, Lebedev și alți cercetători. Maxwell, de exemplu, în „Tratatul său...” scria: „... mediul luminifer, atunci când lumina trece prin el, servește ca un recipient de energie. LA teoria valurilor, dezvoltată de Huygens, Fresnel, Young, Green și alții, această energie este considerată parțial potențială și parțial cinetică. Energie potențială se consideră ca fiind datorată deformării volumelor elementare ale mediului, ceea ce înseamnă că trebuie să considerăm mediul ca fiind elastic. Energia cinetică este considerată condiționată mișcare oscilantă mediu, deci trebuie să presupunem că mediul are o densitate finită. Teoria electricității și magnetismului adoptată în acest tratat recunoaște existența a două tipuri de energie - electrostatică și electrocinetică și se presupune că acestea sunt localizate nu numai ... în corpuri, ci și în fiecare parte a spațiului înconjurător. Prin urmare, teoria noastră este în concordanță cu teoria undelor în sensul că ambele presupun existența unui mediu capabil să devină un recipient pentru două tipuri de energie. În același timp, atât Maxwell, cât și Faraday, ca oameni cu opinii științifice largi, au subliniat că eterul este necesar nu numai pentru teoria ondulatorie a luminii (electrodinamism), ci și pentru transmiterea interacțiunilor. Acest argument foarte important este încă ignorat de cercetătorii moderni ca urmare a nevoii de a vedea „noua rochie a regelui” - curbura spațiu-timpului.

Iată cum a scris povestitorul Andersen despre asta: „S-au prefăcut că sunt țesători iscusiți și au spus că pot țese o țesătură atât de minunată, care are o proprietate uimitoare - devine invizibil pentru orice persoană care stă în locul nepotrivit sau este impasibil de proastă. ... „Eu nu prost, gândi demnitarul. Asta înseamnă că sunt în locul greșit? Iată una pentru tine! Totuși, nici măcar nu poți să-l arăți!”

S. Vavilov scria: „Teoria undelor a triumfat, se părea, victoria finală... Dar triumful s-a dovedit a fi foarte prematur... Teoria undelor s-a dovedit a fi neputincioasă în fața legilor cuantice ale acțiunii luminii. "

Acum ne punem întrebarea: este posibil ca acest singur fapt împotriva multor altele să schimbe atât de dramatic opinia oamenilor de știință?! Da, există o discreție a radiației; da, fotonul zboară ca o particulă monolitică. Dar nu există un comportament similar al sunetului în aer? Sau invers: comportamentul undelor electromagnetice nu este similar cu sunetul?

Hertz și adepții săi au văzut perfect proprietatea radiatie electromagnetica transmite mediului unde sferice nelocalizate în spațiu. (Apropo, ele nu sunt cuantificate, așa cum susțin corpurile de iluminat moderne, deoarece nu sunt rezultatul sărurilor electronilor de pe o orbită pe alta, ci mișcarea accelerată a electronilor liberi într-un conductor). Datorită acestei proprietăți a undelor electromagnetice lungi, ne uităm la televizor și ascultăm receptorul radio din orice punct al sferei din jurul emițătorului. Totuși, de îndată ce frecvența undelor electromagnetice traversează o anumită limită în direcția de creștere, apare direcționalitatea radiației.

Același lucru se întâmplă și cu sunetul. Adevărat, astfel de proprietăți ale sunetului au fost descoperite destul de recent, în legătură cu producerea de ultrasunete. S-a dovedit că undele ultrasonice au o direcționalitate ascuțită și pot fi considerate particule localizate în spațiu. Atât despre „neputința teoriei valurilor”! Se pare că de fiecare dată când cercetătorii înșiși sunt neputincioși să explice ceva, ei dau vina pe mecanica clasică.

După cum a arătat Feynman, legile oscilațiilor depind de frecvență, deoarece natura proceselor care au loc în mediu depinde de aceasta. Cu toate acestea, el însuși s-a mulțumit doar cu derivarea ecuației oscilațiilor, atunci când presiunea și temperatura într-o undă elastică se modifică adiabatic. Niciunul dintre cercetători, inclusiv Feynman, nu a considerat frecvențe mari de oscilație în raport cu calea liberă medie a particulelor, atunci când procesele care au loc în acest caz duc la absorbția căldurii. În acest caz, este destul de evident că oscilația nu poate fi propagată printr-o undă sferică datorită distribuției direcțiilor de mișcare ale particulelor individuale. Poate fi doar direcționat brusc, deoarece frecvența oscilațiilor este mai mică decât „frecvența” căii libere a particulelor.

Din analogia cu proprietățile ultrasunetelor, rezultă concluzia că localitatea nu contrazice deloc teoria undelor. Mai mult, nu se va dovedi că aerul se comportă ca un metal, iar ultrasunetele au unde transversale?

Pe lângă localitate, fotonii, spre deosebire de undele radio, au o altă proprietate importantă legată de originea lor: energia strict dozată. Această proprietate a fotonilor asociată cu structura atomilor nu ar trebui extinsă la întregul spectru al undelor electromagnetice. Și aici, cu atât mai mult, constanta lui Planck ca caracteristică a energiei fotonice nu ar trebui considerată într-un sens mai larg, așa cum s-a făcut la fiecare pas în fizică în ultima vreme. Constanta lui Planck nu are nimic de-a face cu discretitatea timpului, spațiului și masei.

În legătură cu dozarea strictă a energiei fotonice, a apărut o nouă știință - mecanica cuantică, în care mai multe probleme nerezolvate au rămas de la bun început până astăzi. În primul rând: de ce electronii unui atom, care se deplasează de-a lungul unei orbite circulare sau eliptice, nu emit fotoni, deși experimentează accelerație centripetă? În al doilea rând: care este mecanismul de emisie și absorbție a fotonilor?

Prima întrebare este legată de o concepție greșită care se repetă în toate manualele și lucrări științifice pe mecanica cuantică. Deci, de exemplu, în „Capitole alese ale fizicii teoretice” ale lui Semenchenko citim: „Electronii nu se pot mișca în jurul nucleului pentru o lungă perioadă de timp, deoarece, conform legilor electrodinamicii clasice, orice electron care se mișcă rapid radiază energie electromagnetică. Astfel energie kinetică electronul scade, iar în final trebuie să cadă pe nucleu. Și Kaigorodsky chiar a calculat în „Fizica pentru toți” timpul căderii unui electron pe nucleu - sutimi de secundă!

Rog cititorul să se uite la ecuația Weber a electrodinamicii clasice, care constă din trei termeni. Primul termen este legea lui Coulomb, al doilea este modificarea forței de interacțiune ca urmare a potențialei întârzieri, al treilea este ceea ce se referă la subiectul nostru de radiație. Aici vedem că formula Weber include distanță scalarăîntre particulele care interacționează. Aceasta înseamnă că la o distanță constantă între nucleu și electron, atât prima cât și a doua derivată sunt egale cu zero. Prin urmare, în acest caz, nu ar trebui să existe o potențială întârziere și radiatii. Aceasta înseamnă că nu orice electron care se mișcă rapid radiază energie. Un electron care se mișcă pe o orbită circulară nu ar trebui să radieze! Este uimitor cât de mult timp a trecut neobservată o greșeală atât de semnificativă!

Soluția la a doua întrebare a fost sugerată de Huygens. El a sugerat: „Lumina apare din cauza șocurilor pe care particulele în mișcare ale corpurilor le provoacă particulelor de eter”. Înainte de apariția relației de Broglie pentru lungimi de undă, această frază a lui Huygens părea să „atârne în aer”. Relația de Broglie trebuia să devină fundamentul studierii cauzelor apariției atât a relației în sine, cât și, ca o consecință a undelor de Broglie, apariția fotonilor. Totuși, concluzia despre indeterminarea mecanicii cuantice, făcută de Born, Heisenberg și Bohr, precum și respingerea eterului, făcută de Einstein, i-au îndepărtat pe fizicieni de această problemă.

Aparent, ar trebui să presupunem că undele de Broglie sunt un proces real de mișcare „împingere” a particulelor, a cărui cauză este întârzierea neuniformă a potențialului, iar fotonul este un segment de eter local (direcționat brusc) unde, având la început și la sfârșit o frecvență de oscilație ușor diferită (lățimea linie spectrală), care este asociat cu decelerația vitezei electronilor atunci când acesta sare de pe o orbită stabilă pe alta.

Mișcarea de jogging a particulelor ca o consecință a întârzierii neuniforme a potențialului poate fi o soluție la o altă problemă a mecanicii cuantice - existența unor orbite discrete stabile ale unui electron. Orbitele stabile sunt aparent rezultatul rezonanței oscilațiilor ciclice și de șoc.

Astfel, în ciuda numeroaselor incantații ale relativiștilor ortodocși că nu există și nu poate exista o întoarcere la fizica clasică, la eter, la vederi mecanice, la cauzalitate și la reprezentări ondulatorii ale luminii, trebuie să facem asta, altfel „va trebui să renuntati la orice speranta sa inteleg vreodata ceva in fizica"

Literatură:

1. A.I. Veinik. Termodinamica. facultate, Minsk, 1968, p. 434.
2. H. Huygens. Tratat despre Lumină. Leiden, 1703. Trad. din lat. pe Sat. ed. G.M. Golin și S.R. Filonovich „Classics of Physical Science”, Școala Superioară, 1989, pp. 131-140.
3. J. K. Maxwell. Tratat de electricitate și magnetism, vol. 1, 2, Oxford, 1873. Per. din engleza. Știință, M., 1989.
4. I. Newton. Optica, sau un tratat despre reflexiile, refracțiile, îndoirile și culorile luminii. Londra, 1706. Trad. din lat. ed. G.S. Landsberg, Gostekhizdat, Moscova, 1981.
5. SI. Vavilov. Ochi și soare. Știință, M., 1976.
6. G. Hertz. Pe oscilații electrice foarte rapide. Ann. der Ph., b. 31, s. 421...448. Pe. cu el. pe Sat. ed. G.M. Golin și S.R. Filonovich „Classici ale științei fizice”, Școala Superioară, 1989.
7. G. Hertz. Despre undele electrodinamice în aer și reflexia lor. Ann. der Ph., b. 34, s. 609...623. Pe. cu el. pe Sat. ed. G.M. Golin și S.R. Filonovich „Classici ale științei fizice”, Școala Superioară, 1989.
8. R. Feynman, R. Layton, M. Sands. Prelegeri Feynmanîn fizică. Pe. din engleză, vol. 3, 4, Mir, M., 1976, p. 391...398.
9. VC. Semencenko. Capitole alese de fizică teoretică. Iluminismul, M., 1966, p. 131.
10. A.I. Kitaygorodsky. Fizica pentru toți, vol. 3 (Electroni), Nauka, M., 1979.

„Știința Kazahstanului” nr. 5 (65), 1 ... 15 martie 1996

În fiecare minut, Pământul primește o cantitate de energie solară suficientă pentru a asigura omenirii pentru câțiva ani de acum înainte.

Lumina pe care o vedem în fiecare zi este doar o fracțiune din toată radiația care vine de la Soare și lovește Pământul. Lumina soarelui este o formă de radiație electromagnetică, iar lumina pe care o văd ochii noștri este doar o mică parte din întregul spectru electromagnetic prezentat în imaginea din dreapta. Spectrul electromagnetic este o reflectare a ceea ce lumina are inerent proprietățile valurilor: Lumina poate fi descrisă ca un set de unde cu diferite caracteristici, cum ar fi lungimea de undă.

Pentru prima dată, conceptele ondulatorii ale luminii au apărut la începutul secolului al XIX-lea. Experimentele lui Young, Arago și Fresnel au arătat existența unor efecte de interferență în fasciculele de lumină, indicând faptul că lumina este formată din unde. Până la sfârșitul anilor 60 lumina vizibila reprezentate ca parte a întregului spectru electromagnetic. Cu toate acestea, la sfârșitul secolului al XIX-lea, în teoria valurilor au apărut anumite dificultăți: ecuațiile undelor nu au putut explica rezultatele experimentelor de măsurare a spectrului de radiații al corpurilor încălzite. Această contradicție a fost rezolvată de Max Planck în 1900. și Albert Einstein în 1905. Planck a propus că toată energia luminii constă din energiile elementelor care nu se pot distinge - cuante energetice. În procesul de studiu a efectului fotoelectric (eliberarea electronilor din anumite metale și semiconductori sub influența luminii), Einstein a reușit să determine corect mărimea cuantelor de energie. Pentru această descoperire, Planck și Einstein au primit Premiile Nobelîn 1918 şi respectiv 1921. Principalul rezultat al muncii lor a fost înțelegerea faptului că lumina poate fi descrisă ca un set de „pachete” sau particule de energie - fotoni.

Astăzi, aparatul mecanicii cuantice este folosit pentru a explica natura ondulatorie și corpusculară a luminii. În mecanica cuantică, un foton, împreună cu toate celelalte particule mecanice cuantice (electroni, protoni etc.), este cel mai precis reprezentat ca un „pachet de undă”. Un pachet de unde este un set de unde care pot interacționa ca și cum ar fi localizate spațial (similar cu o undă pătrată rezultată din adăugarea unui număr infinit de unde sinusoidale) sau poate interacționa ca o undă obișnuită. Dacă pachetul de undă este localizat spațial, se comportă ca o particulă. Prin urmare, în funcție de situație, un foton se poate manifesta fie ca o particulă, fie ca o undă. Acest concept se numește dualitate val-particulă. În PVCDROM am desenat pachetul de val astfel:

O descriere fizică completă a proprietăților luminii necesită analiza sa mecanică cuantică, deoarece fotonii sunt un fel de particule mecanice cuantice. De obicei, pentru a înțelege funcționarea unei celule solare, nu este necesar să intrăm în aceste detalii, așa că am dedicat doar câteva rânduri mecanicii cuantice. În unele cazuri (din fericire, rar implică sisteme fotovoltaice), lumina se poate comporta diferit față de scurtele explicații date aici. Comportamentul lui poate fi contrar „bunului simț”, care se referă la observațiile și senzațiile noastre zilnice. Deoarece efectele mecanice cuantice există în afara limitelor percepției umane, conceptele de bun simț nu pot fi aplicate acestora. Pentru mai mult informatii complete Pentru o înțelegere modernă a naturii luminii, vă rugăm să consultați cărțile lui Richard Feynman.

Radiația solară incidentă pe Pământ are câteva caracteristici de bază care sunt importante pentru a determina modul în care interacționează cu un convertor fotovoltaic sau cu alte obiecte. Aceste caracteristici sunt:

Compoziția spectrală a radiației incidente
- intensitatea radiaţiei solare
- unghiul la care radiatia solara incidenta loveste modulul fotovoltaic
- cantitatea anuală sau zilnică de energie de radiație solară care cade pe o anumită suprafață

Până la sfârșitul acestui capitol, veți fi conștienți de toate conceptele de mai sus.

Un foton este caracterizat fie de o lungime de undă λ, fie de o energie echivalentă acestei lungimi de undă, notată cu E. Ele sunt interconectate

raport:

unde h este constanta lui Planck, c este viteza luminii. Valorile acestor și altor constante utilizate frecvent sunt date pe această pagină.

Deoarece energia fotonului este invers proporțională cu lungimea de undă, fotonii de înaltă energie, cum ar fi fotonii de lumină albastră, au lungimi de undă mai scurte decât fotonii de lumină roșie cu energie mai mică.

Pentru a descrie energia fotonilor și electronilor, în loc de jouli, este mai convenabil să folosiți o unitate de energie numită electron-volt (eV). 1 electron volt este egal cu energie necesar pentru ca un electron să depășească câmpul creat de o diferență de potențial de 1 Volt, 1 eV = 1,602 × 10-19 J.

Dacă energia fotonului este scrisă în electroni volți (eV) și lungimea de undă în micrometri (µm), atunci ecuația anterioară poate fi scrisă ca

Puteți utiliza o hartă a lungimii de undă sau un calculator pentru a găsi energia fotonului corespunzătoare în orice parte a spectrului electromagnetic.

Introduceți lungimea de undă, λ = 0,6 mm
Energia fotonului, E = 2,0667 eV

Densitatea fluxului fotonic este numărul de fotoni care trec printr-o unitate de suprafață pe unitate de timp:

Densitatea fluxului fotonic este necesară pentru a determina numărul de electroni generați de lumină și, prin urmare, puterea curentului generat de celula solară. Pe lângă mărimea densității fluxului fotonic, este necesar să se cunoască și energia sau lungimea de undă a acestora. Dacă densitatea fluxului fotonic și lungimea de undă sau energia fotonului sunt cunoscute, atunci pentru fiecare lungime de undă sau energie este posibil să se calculeze densitatea fluxului de radiație de suprafață (intensitate - pentru o singură suprafață sau iluminare - dacă vorbim despre o suprafață dată). Densitatea fluxului de radiație la suprafață se obține prin înmulțirea densității fluxului fotonului cu energia unui foton. Deoarece densitatea fluxului fotonului este numărul de fotoni incidenti pe suprafață pe unitatea de timp, înmulțindu-l cu energia unui foton, obținem energia incidentă pe suprafață pe unitatea de timp, adică densitatea fluxului de radiație de suprafață. Dacă energia fotonului este scrisă în Jouli, atunci intensitatea va avea dimensiunea de W/m2 și

unde f este fluxul de fotoni.

Ф = 3e21 m-2s-1
Eph = 2 eV

H = 961,2 W/m2

O consecință a acestei ecuații este că, pentru a asigura aceeași intensitate de radiație, este necesar să existe o densitate de flux mai mare de fotoni cu energie scăzută decât cu cei mari. Animația arată aceeași intensitate a radiației produse de fotonii albaștri și roșii care lovesc suprafața. Sunt mai puțini fotoni albaștri pentru că au mai multă energie.

Densitatea spectrală a iluminării (luminozitatea), în funcție de lungimea de undă sau de energia fotonului, notată F, este cel mai comun mod de a descrie o suprafață iluminată (sursă de lumină). Oferă densitatea fluxului de radiație de suprafață pentru o anumită lungime de undă. Unități de densitate spectrală a iluminării - Wm-2μm-1. 1 Wm-2 este densitatea fluxului de radiație de suprafață la o lungime de undă λ(μm). Prin urmare, m-2 se referă la aria suprafeței iluminate (sursa de lumină) și μm-1 la lungimea de undă de interes.

Atunci când se analizează celulele solare, în majoritatea cazurilor este necesar să se cunoască nu numai densitatea fluxului fotonic, ci și densitatea spectrală a iluminării. Poate fi obținut dintr-un flux de fotoni la o anumită lungime de undă, așa cum se arată în secțiunea „Flux de fotoni”. Rezultatul este apoi împărțit la lungimea de undă dată:

Unde
F - densitatea spectrală a iluminării în Wm-2μm-1;
Ф - densitatea fluxului de fotoni în # fotoni m −2s-1
E și λ sunt energia fotonului și lungimea de undă în eV și, respectiv, µm, iar q, h și c sunt constante.

Luminozitatea spectrală a lămpilor cu xenon (linia verde), cu halogen (albastru) și cu mercur (roșu) pe axa stângă este prezentată în grafic în comparație cu emisivitatea spectrală a Soarelui (linia roz) pe axa dreaptă.

Luminozitatea totală (iluminarea obiectului) a unei surse de lumină poate fi obținută prin integrarea densității spectrale a iluminării pe toate lungimile de undă sau energiile de interes. Cu toate acestea, pentru un număr mare de cazuri, ecuația exactă pentru densitatea spectrală a iluminării nu poate fi scrisă. În loc să se integreze, densitatea de iluminare spectrală este măsurată pentru fiecare lungime de undă și apoi însumată pe toate lungimile de undă. Pentru a determina iluminarea totală (luminozitatea), puteți utiliza următoarea ecuație:

Unde
H este luminozitatea totală a sursei de lumină (iluminarea obiectului) în Wm −2
F(λ) - emisivitate spectrală în Wm-2µm-1
Δλ, dλ - lungimi de undă