Max Planck

Proprietățile cuantice ale luminii

În 1900, fizicianul german Max Planck a formulat o ipoteză: lumina este emisă și absorbită nu continuu, ci în porțiuni separate - cuante(sau fotoni). Energie E a fiecărui foton este determinat de formula E = hv , Unde h - coeficient de proporționalitate - constanta lui Planck, v este frecvența luminii. Calculat empiric h= 6,63 10-34 J s. Ipoteza lui M. Planck a explicat multe fenomene, și anume, fenomenul efect fotoelectric, descoperit în 1887 de omul de știință german G. Hertz. Mai departe efect fotoelectric studiat experimental de savantul rus Stoletov.

Au fost victime ale nazismului, prizonieri ai lagărelor de concentrare germane. După război, Einstein a făcut lobby pentru dezarmarea nucleară și pentru guvernarea mondială: „Dacă al treilea Razboi mondial pietre și bastoane se vor lupta în lumea a patra”. Pe de altă parte, a disprețuit naționalismul și și-a exprimat îndoielile dacă un stat evreiesc este cea mai bună soluție. Inițial, el și-a imaginat că evreii și arabii vor trăi împreună pe același pământ. Cu câțiva ani înainte de moartea sa, Israelul i-a oferit să devină al doilea său președinte, dar Einstein l-a refuzat, neavând calitățile umane necesare.

Efectul fotoelectric și legile acestuia

Schema experimentului lui Stoletov

Efectul fotoelectric este expulzarea electronilor dintr-o substanță prin acțiunea luminii.
În urma cercetărilor s-a găsit 3 legi ale efectului fotoelectric:
1. Fotocurentul de saturație este direct proporțional cu fluxul de lumină incidentă.
2. Energia cinetică maximă a fotoelectronilor crește liniar cu frecvența luminii și depinde de intensitatea acesteia.
3. Pentru fiecare substanță există o lungime de undă maximă la care efectul fotoelectric este încă observat. La lungimi mari, nu există efect fotoelectric.

Albert Einstein, Albert Schweitzer și Bertrand Russell s-au luptat cu teste nucleare și bombe. Împreună cu Pugwash Conferences on Science and World Affairs și Bertrand Russell, a publicat manifestul Russell-Einstein și a organizat mai multe conferințe.

Să zicem, de exemplu, energie termică, chimică, mecanică, radioactivă, dar mai ales energie luminoasă. Interacțiunea radiațiilor electromagnetice, adică a luminii, cu țesuturile se bazează pe o metodă de vindecare pe care profesional o numim fototerapie. Fototerapia este metoda modernă tratament care folosește cea mai naturală sursă de energie luminoasă. Lumina este un concept direct legat de esența vieții. Deși ne întâlnim constant cu el și fie că este într-o formă naturală sau ca sursă inepuizabilă, într-un secol nu s-a știut nimic despre esența sa fizică, iar studiul său a fost în mâinile teologilor.

Teoria efectului fotoelectric a fost creată de omul de știință german A. Einstein în 1905. Teoria lui Einstein se bazează pe conceptul funcției de lucru a electronilor dintr-un metal și pe conceptul de radiații cuantice Sveta. Conform teoriei lui Einstein, efectul fotoelectric are următoarea explicație: prin absorbția unui cuantum de lumină, un electron dobândește energie. La părăsirea metalului, energia fiecărui electron scade cu o anumită cantitate, care se numește funcție de lucru ( Avy) . Funcția de lucru este energia minimă care trebuie transmisă unui electron pentru ca acesta să părăsească metalul. Depinde de tipul de metal și de starea suprafeței acestuia. Energie maximă electroni după evadare (dacă nu există alte pierderi) are forma :

Abia în secolul următor și în secolul următor, în special fizicienii italieni și francezi, au primit un set de cunoștințe care au condus în cele din urmă la ideea naturii corpusculare a luminii. Dar, în prima jumătate a secolului al XVII-lea, nimeni nu putea explica esența florilor. Abia la sfârșitul acestui secol, pentru prima dată, lumina era o undă care se propaga în spațiu cu aceeași viteză și în toate direcțiile din fiecare punct de pe suprafața corpului. Apare un câmp nou fizică cuantică. Potrivit ei, lumina are un caracter dublu, ondulatoriu și corpuscular.

Chiar acum vorbim asupra dualității undelor și particulelor. Utilizarea terapeutică a luminii în medicina științifică este înregistrată abia într-un secol. La începutul secolului, în întreaga lume s-au înființat institute care emit lumină, folosite pentru a prelucra lămpi speciale care emit lumină cu diverse lungimi unde, atât vizibile, cât și infraroșii sau ultraviolete, care la sfârșit a fost desemnată de termenul tehnic drept partea întunecată a vederii. Edward Slavik, pionier al terapiei cu lumină în țara noastră. Dezvoltarea turismului de stațiune, construirea unor stațiuni celebre în Grecia, Italia, Riviera Franceză sau dezvoltarea sanatoriilor alpine, au permis medicilor să recomande o ședere de lungă durată în aerul de munte asociat cu soarele ca metodă de tratament.

aceasta este ecuația lui Einstein.

În cazul în care un h v< Avy , efectul fotoelectric nu are loc. Frecvența limită v minși limitarea lungimii de undă λ max numit efect foto de margine roșie. Se exprimă astfel: v min \u003d A / h, λ max \u003d λ cr \u003d hc/A, unde λ max (λ cr) este lungimea de undă maximă la care efectul fotoelectric este încă observat. Marginea roșie a efectului fotoelectric este diferită pentru diferite substanțe, deoarece DAR depinde de tipul de substanță.

Timp de mulți ani, aproape înainte de descoperirea antibioticelor, helioterapia, împreună cu tratamentul dietei și introducerea unei diete bogate în calorii, a fost singurul tratament pentru tuberculoza pulmonară. Astăzi folosim helioterapia în primul rând în prevenirea bolilor. În utilizarea terapeutică a luminii solare nu trebuie să uităm niciodată efectele razelor ultraviolete și infraroșii, deși lumina în lungimi de undă vizibile este predominant reprezentată. Dependența fototerapiei de conditiile meteorologice a dus la dezvoltarea surselor de lumină în diminuare.

Aplicarea efectului fotoelectric în tehnologie.
Dispozitivele bazate pe principiul de funcționare ale cărora este fenomenul efectului fotoelectric se numesc fotocelule. Cel mai simplu astfel de dispozitiv este fotocelula de vid. Dezavantajele unei astfel de celule foto sunt: curent slab, sensibilitate scăzută la radiațiile cu unde lungi, complexitate în fabricație, imposibilitate de utilizare în circuite curent alternativ. Se foloseste in fotometrie pentru masurarea intensitatii luminoase, luminozitatii, iluminarii, in cinematografe pentru reproducerea sunetului, in fototelegrafii si fototelefoane, in managementul proceselor de productie.

Dezvoltarea lor a făcut posibilă studierea mai profundă a efectelor luminii asupra unei celule vii și a demonstrat o relație puternică între lungimea de undă a razelor de lumină și reacția organismului. În timp ce lumina monocromatică cu o lungime de undă mai mică de 550 nm sau mai mare de 900 nm încetinește diviziunea celulară, difracția luminii între 550 și 900 nm se accelerează. Lungimea de undă a țesutului iradiat este importantă datorită absorbției sale diferite de către apă, hemoglobină și piele și melanină. Fototerapia modernă utilizează mai multe tipuri de surse de lumină, care diferă ambele în ceea ce privește proprietăți fizice precum şi efectul acestuia asupra organismelor vii.

Există fotocelule semiconductoare în care, sub influența luminii, se modifică concentrația purtătorilor de curent. Dispozitivul fotorezistoarelor se bazează pe acest fenomen (efect fotoelectric intern). Sunt utilizate în controlul automat circuite electrice(de exemplu, în turnichete de metrou), în circuite AC, în ceasuri, calculatoare. Fotocelulele semiconductoare sunt utilizate în panouri solare pe nave spațiale, în primele mașini.

Deși unele tipuri de lumină au fost folosite de zeci de ani și au devenit o parte integrantă a mediilor medicale, altele au fost folosite în medicină în ultimii câțiva ani. Aici ne referim la laser. 6 7. Astfel, se numesc generatoare de lumină cuantică și amplificatoare de radiații, adică surse optice de radiații electromagnetice. În conformitate cu caracteristicile fasciculului laser, împărțim laserele în neinvazive, terapeutice și invazive, chirurgicale. Raza laser este caracterizată de o singură culoare, coerență și polarizare.

Pe baza legilor electrodinamicii lui Maxwell, conform cărora lumina este o undă electromagnetică distribuită continuu în spațiu, acestea s-au dovedit a fi ineficiente. Era imposibil de înțeles de ce energia fotoelectronilor este determinată doar de frecvența luminii și de ce doar la o lungime de undă suficient de mică lumina scoate electroni.

Aceste caracteristici vă permit să proiectați puterea necesară pe o zonă mică. Un laser rubin dur a fost folosit pentru coagularea retinei și legarea vasculară a pielii. Principalele sale avantaje sunt în principal cunoștințele în domeniul chirurgiei dermatologice și oncologiei. Și, desigur, este interesant că munca clinicienilor și cercetătorilor din Europa Centrală și de Est a dominat în mod semnificativ. Progrese semnificative în terapia laser neinvazivă au avut loc de la descoperirea sursei de fascicul laser heliu-neon și, mai ales de la sfârșitul anului, odată cu dezvoltarea surselor semiconductoare miniaturale fiabile din punct de vedere operațional, medicii pot crea un fascicul laser de orice putere și lungime de undă.

Explicația efectului fotoelectric a fost dată în 1905 de Einstein, care a dezvoltat ideile lui Planck despre emisia intermitentă de lumină. În legile experimentale ale efectului fotoelectric, Einstein a văzut dovezi convingătoare că lumina are o structură discontinuă și este absorbită în porțiuni separate.

Specialiștii cehi în laser se numără printre celebrii lumii. Aici trebuie să ne amintim munca Prof. Dr. Dr. Jiří Hubáček, Șef onorific al Clinicii de Otorinolaringologie a Spitalului Facultății din Olomouc, pe care îl putem considera a fi fondatorul Școlii Cehe și care a crescut mai mulți studenți la acest curs. Astăzi există mai multe centre în Republica Cehă care se concentrează pe utilizarea fototerapiei în discipline medicale selectate și o prezentare generală a cărora este oferită la sfârșitul acestui ghid.

Energia E a fiecărei porțiuni de radiație, în deplină concordanță cu ipoteza lui Planck, este proporțională cu frecvența:

unde h este constanta lui Planck.

Din faptul că lumina este emisă în porțiuni, nu rezultă încă concluzia despre discontinuitatea structurii luminii în sine. La urma urmei, apa minerală se vinde și în sticle, dar nu rezultă din aceasta că apa este formată din părți indivizibile.

Ambele sunt reprezentate pe scară largă în societăți internaționale, cum ar fi Academia Internațională de Terapie cu Laser în Medicină și Chirurgie și Asociația Europeană a Laserului Medical. Dar laserul este un fascicul curabil care poate fi deteriorat dacă este folosit de un non-profesionist. Personalul medical, inclusiv medicii care lucrează cu ei, trebuie să primească pregătire profesională. Prin urmare, nu este de dorit să se folosească publicul larg. Cu toate acestea, nu toată lumea are ocazia să viziteze un loc de muncă echipat cu laser.

Cu toate acestea, ar fi păcat să nu profităm de efectele benefice ale luminii modificate. Prin urmare, lămpile cu bioptron au fost proiectate să emită lumină polarizată, dar aceasta nu este coerentă. Aceasta înseamnă că posibilitatea de deteriorare a țesutului iradiat este minimă, iar neprofesioniștii pot lucra la el și după antrenament. Poate cel mai mare beneficiu al folosirii unei lămpi bioptron sunt efectele secundare minime.

Doar un fenomen efect fotoelectric a arătat că lumina are o structură discontinuă: porțiunea emisă de energie luminoasă E = hv își păstrează individualitatea în viitor. Doar întreaga porțiune poate fi absorbită.

Energia cinetică a unui fotoelectron poate fi găsită prin aplicarea legii conservării energiei. Energia unei porțiuni de lumină hv este folosită pentru a îndeplini funcția de lucru A și pentru a comunica energie cinetică electronului.

În literatură, nu am întâlnit încă o descriere a unei reacții adverse la terapia cu lumină polarizată. 8 9. Procesul se repetă în mod constant și duce la propagarea undelor în spațiu dintr-o sursă dată de unde electromagnetice. Lumina este un tip de undă electromagnetică, cum ar fi razele X, razele gamma, razele ultraviolete, razele infraroșii sau undele radio. Aceste tipuri individuale de radiații variază în lungime de undă și frecvență. Pentru lumina pe care o chemam radiatie electromagnetica care este perceput de ochiul uman.

Prin urmare,

Funcția de lucru este energia minimă care trebuie transmisă unui electron pentru ca acesta să părăsească metalul. Ecuația (11.2) explică faptele de bază despre efectul fotoelectric. Intensitatea luminii, conform lui Einstein, este proporțională cu numărul de cuante (porțiuni) de energie hv din fasciculul luminos și, prin urmare, determină numărul de electroni smulși din metal. Viteza e a electronilor conform formulei (11.2) este determinată numai de frecvența luminii v și de funcția de lucru A, în funcție de tipul metalului și de starea suprafeței acestuia. Viteza nu depinde de intensitatea luminii.

Fiecare lungime de undă dă naștere la o percepție vizuală diferită, culoarea luminii. Sursele de lumină sunt transformări de energie în atomii diferitelor substanțe. Un atom poate primi energie, de exemplu, sub formă de căldură, lumină sau electricitate. Desigur, ați auzit de electroni care circulă într-un atom în jurul nucleului lor pe anumite căi. Sub influența energiei furnizate, se pot deplasa la o distanță de nucleu. În această stare, ele nu durează mult, iar după o anumită perioadă de timp, electronul revine la calea inițială, iar energia în exces este emisă sub formă de lumină.

Pentru fiecare substanță, efectul fotoelectric se observă numai dacă frecvența v a luminii este mai mare decât o anumită valoare minimă V min . La urma urmei, pentru a trage un electron dintr-un metal, chiar și fără a-i conferi energie cinetică, este necesar să se îndeplinească funcția de lucru A. Prin urmare, energia cuantică trebuie să fie mai mare decât această muncă:

Frecvența limită V min și lungimea de undă limită max se numesc marginea roșie a efectului fotoelectric. Ele sunt exprimate astfel:

Apoi, lumina se propagă de la sursa de lumină în valuri, ca niște cercuri pe suprafața apei. Linia perpendiculară pe unda indică direcția de propagare a luminii și se numește fascicul de lumină. Mediu inconjurator, în care lumina se poate propaga, diferă în funcție de proprietățile sale optice. Într-un mediu transparent transparent, nu există absorbție de lumină, ceea ce face ca obiectul să fie colorat în culoarea complementară a lungimii de undă absorbită și nu există împrăștiere a luminii. Lumina trece printr-un mediu transparent, dar este parțial împrăștiată.

unde max (cr) este lungimea de undă maximă la care efectul fotoelectric este încă observat. Acest nume a apărut prin analogie cu undele luminoase, de la lungimea de undă maximă lumina vizibila corespunde cu roșu.

Într-un mediu opac, lumina este puternic absorbită sau nu poate ajunge deloc la ea și se reflectă la suprafață. În funcție de faptul că mediul optic are aceleași proprietăți optice în ansamblu, vorbim de un mediu omogen sau neomogen. Pielea este opaca si eterogena. Lumina se deplasează în diferite medii la viteze diferite. Când lumina lovește interfața a două medii optice diferite, lumina este reflectată și refractată. Viteza luminii într-un mediu instabil depinde de frecvența acestuia.

Acest fenomen se numește dispersie luminoasă. Dispersia luminii permite utilizarea luminii albe, în care lumina de toate frecvențele apare monocromatică. Prismele optice sunt folosite pentru a diviza lumina. Spectrul marginal este aranjat astfel încât cel puțin componenta spectrală roșie să fie deviată și cea mai violetă. Manifestare semnificativă a lungimilor de undă luminii, în special în lumină monocromatică, este o piedică. Fenomenul constă într-un aranjament de contribuții diferite Lumină coerentă sau lumină cu aceeași frecvență radiatii laser Lumină incoerentă sau lumină cu diferite faze de lumină unde Bioptron într-o anumită locație.

Funcția de lucru A depinde de tipul de substanță. Prin urmare, frecvența de limitare Vmin a efectului fotoelectric (bordul roșu) este diferită pentru diferite substanțe.

A treia lege a efectului fotoelectric: pentru fiecare substanță există o lungime de undă maximă la care efectul fotoelectric poate fi încă observat. La lungimi de undă mai mari, nu există efect fotoelectric.

Pentru zinc, marginea roșie corespunde lungimii de undă max = 3,7 10 -7 m (radiație ultravoletă).

Manifestarea sa este apariția unei structuri de interferență. În lumina monocromatică, interferența se manifestă prin formarea de benzi luminoase și întunecate, în lumină albă, formarea unui curcubeu. O altă manifestare semnificativă a lungimilor de undă ale luminii este difracția sau curbarea luminii. Drept urmare, lumina nu se propagă imediat și, de asemenea, în zona umbrei geometrice creată în spatele obstacolelor.

Lumina naturală nepolarizată poate fi polarizată în diferite moduri: reflexie, refracție, birefringență sau filtre polarizante. În polarizarea luminii prin birefringență se folosește anizotropia cristalelor, adică viteze diferite de propagare a luminii în direcții diferite. Lumina monocromă este întotdeauna eliptică. Un caz special este polarizarea circulară sau liniară. În optică aplicată și tehnică, polarizatoarele dicroice ale purtătorilor din plastic sunt adesea folosite pentru a genera lumină polarizată în care există cristale dicroice care prezintă absorbție diferită pentru diferite direcții de lumină polarizată.

Așa se explică experiența opririi efectului fotoelectric cu ajutorul unei plăci de sticlă care blochează razele ultraviolete. Funcția de lucru a aluminiului sau a fierului este mai mare decât cea a zincului. La Metale alcaline funcția de lucru, dimpotrivă, este mai mică, iar lungimea de undă max , corespunzătoare marginii roșii, este mai mare. Deci, pentru sodiu max = 6,8 10 -34 m.

Folosind ecuația lui Einstein (11.2), se poate găsi constanta lui Planck h. Pentru a face acest lucru, trebuie să determinați experimental frecvența luminii V, funcția de lucru A și măsurați energie kinetică fotoelectroni. Măsurătorile și calculele similare dau h = 6,63 10 -34 J s. Exact aceeași valoare a găsit-o însuși Planck în timpul studiului teoretic al unui fenomen complet diferit - Radiație termala. Coincidența valorilor constantei lui Planck obținute prin diferite metode confirmă în plus corectitudinea ipotezei despre natura discontinuă a emisiei și absorbției luminii de către materie.

Ecuația lui Einstein (11.2), în ciuda simplității sale aparente, explică legile de bază ale efectului fotoelectric. Einstein a fost premiat Premiul Nobel pentru lucrarea sa despre teoria efectului fotoelectric.


1. Ce fapte mărturisesc prezența proprietăților corpusculare ale luminii!
2. Care este efectul foto de margine roșie!

Myakishev G. Ya., Fizică. Clasa a 11-a: manual. pentru învăţământul general instituţii: de bază şi de profil. niveluri / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; ed. V. I. Nikolaev, N. A. Parfenteva. - Ed. a XVII-a, revizuită. si suplimentare - M.: Educaţie, 2008. - 399 p.: ill.

Eseuri, teme de fizică descărcare, descărcare manuale gratuit, lecții online, întrebări și răspunsuri

Conținutul lecției rezumatul lecției suport cadru prezentarea lecției metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autoexaminare, traininguri, cazuri, quest-uri teme de discuție întrebări întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini grafice, tabele, scheme umor, anecdote, glume, pilde cu benzi desenate, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole jetoane pentru curioase cheat sheets manuale de bază și glosar suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment din manualul elementelor de inovare la lecție înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte planul calendaristic pentru anul instrucțiuni programe de discuții Lecții integrate