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Física cuántica: propiedades cuánticas de la luz

¿Alguna vez pensaste en lo que eresde hecho, muchos fenómenos de luz? Por ejemplo, tomemos un efecto fotoeléctrico, ondas de calor, procesos fotoquímicos y similares; todas estas son propiedades cuánticas de la luz. Si no hubieran sido descubiertos, los trabajos de los científicos no se habrían movido del callejón sin salida, de hecho, como el progreso científico y tecnológico. Los estudian en la sección de óptica cuántica, que está inextricablemente vinculada con la misma sección de la física.

Propiedades cuánticas de la luz: definición del término

Hasta hace poco, una interpretación clara y comprensibleeste fenómeno óptico no pudo ser dado. Fueron utilizados con éxito en la ciencia y en la vida cotidiana, sobre la base de que construyeron no solo fórmulas, sino también problemas enteros en física. Formular la definición final fue obtenida solo de científicos modernos que resumieron el trabajo de sus predecesores. Entonces, la onda y las propiedades cuánticas de la luz son una consecuencia de las peculiaridades de sus radiadores, que son los electrones de los átomos. El cuanto (o fotón) se forma debido al hecho de que el electrón pasa a un nivel de energía más bajo, generando así impulsos electromagnéticos.

propiedades cuánticas de la luz

Las primeras observaciones ópticas

La suposición de que la luz tiene propiedades cuánticas apareció en XIX siglo. Los científicos han descubierto y estudiado diligentemente fenómenos como la difracción, la interferencia y la polarización. Con su ayuda, se derivó la teoría de la luz de ondas electromagnéticas. Se basó en la aceleración del movimiento de los electrones durante la oscilación del cuerpo. Debido a esto, se produjo calentamiento, seguido de ondas de luz. La hipótesis del primer autor en esta cuenta fue formada por el inglés D. Rayleigh. Consideró la radiación como un sistema de ondas idénticas y constantes, y en un espacio cerrado. Según sus conclusiones, con una longitud de onda decreciente, su potencia debería aumentar continuamente, además, se requerían ondas ultravioletas y de rayos X. En la práctica, todo esto no fue confirmado, y otro teórico tomó el trabajo.

onda y propiedades cuánticas de la luz

La fórmula de Planck

Al principio XX Max Planck es un físico de origen alemán - presentar una hipótesis interesante. Según ella, la radiación y la absorción de la luz no se producen continuamente, como se pensaba anteriormente, sino en tandas, por cuantos, o, como también se les llama, fotones. Se introdujo la constante de Planck - el coeficiente de proporcionalidad, indicado por la letra h, y fue igual a 6.63 · 10-34J · s. Para calcular la energía de cada fotón, se necesitaba una cantidad más: v Es la frecuencia de la luz La constante de Planck se multiplicó por la frecuencia y, como resultado, se obtuvo la energía de un solo fotón. De modo que el científico alemán fijó con precisión y correctamente en una fórmula simple las propiedades cuánticas de la luz, que fueron previamente descubiertas por H. Hertz y designadas por él como un efecto fotoeléctrico.

Apertura del efecto fotoeléctrico

Como ya dijimos, el científico Heinrich Hertz eraEl primero en prestar atención a las propiedades cuánticas de la luz que no se han notado previamente. El efecto fotoeléctrico se descubrió en 1887, cuando el científico conectó la placa de zinc iluminada y la varilla del electrómetro. Si la placa alcanza una carga positiva, el electrómetro no se descarga. Si la carga es radiante negativa, el dispositivo comienza a descargar, tan pronto como el rayo ultravioleta golpea la placa. En el curso de esta experiencia práctica, se demostró que una placa bajo la influencia de la luz puede emitir cargas eléctricas negativas, que posteriormente recibieron un nombre apropiado: electrones.

propiedades cuánticas del efecto fotoeléctrico de la luz y sus leyes

Experimentos prácticos Stoletova

Experimentos prácticos con electrones llevados a caboEl investigador ruso Alexander Stoletov. Para sus experimentos usó un cilindro de vidrio al vacío y dos electrodos. Se usó un electrodo para transmitir energía y el otro se iluminó, y se le aplicó un polo negativo de la batería. Durante esta operación, la intensidad actual comenzó a aumentar, pero después de un tiempo se volvió constante y directamente proporcional a la radiación del flujo de luz. Como resultado, se reveló que la energía cinética, así como los voltajes de electrones retardadores, no dependen de la potencia de la radiación de luz. Pero el aumento en la frecuencia de la luz hace que esta cifra crezca.

Nuevas propiedades cuánticas de la luz: el efecto fotoeléctrico y sus leyes

Durante el desarrollo de la teoría de Hertz y la práctica de Stoletov, se derivaron tres leyes básicas, según las cuales, como se vio después, funcionan los fotones:

1. La potencia de la radiación de luz que cae sobre la superficie del cuerpo es directamente proporcional a la intensidad de la corriente de saturación.

2. El poder de la radiación de luz no afecta la energía cinética de los fotoelectrones, pero la frecuencia de la luz es la causa del crecimiento lineal de los últimos.

3. Hay una especie de "efecto de foto de borde rojo". La conclusión es que si la frecuencia es menor que la frecuencia mínima de luz para una sustancia dada, entonces no se observa el efecto fotoeléctrico.

Las dificultades de colisión de dos teorías

Después de la fórmula deducida por Max Planck, la cienciaenfrentado con un dilema La onda derivada anteriormente y las propiedades cuánticas de la luz, que se descubrieron más tarde, no podrían existir dentro del marco de las leyes físicas generalmente aceptadas. De acuerdo con la vieja teoría electromagnética, todos los electrones del cuerpo, sobre los cuales entra la luz, deben entrar en oscilación forzada a frecuencias iguales. Esto generaría energía cinética infinitamente grande, lo cual es imposible. Además, para acumular la cantidad de energía necesaria, los electrones deben permanecer en reposo durante decenas de minutos, mientras que el fenómeno del efecto fotoeléctrico prácticamente se observa en la práctica sin la menor demora. También surgió confusión adicional porque la energía de los fotoelectrones no dependía de la potencia de la radiación de luz. Además, el límite rojo del efecto fotoeléctrico aún no se ha descubierto, ni se ha calculado la proporcionalidad de la frecuencia de la luz de la energía cinética de los electrones. La vieja teoría no podía explicar claramente los fenómenos físicos visibles a la vista, y la nueva no estaba completamente desarrollada.

naturaleza de la onda de luz y propiedades cuánticas

El racionalismo de Albert Einstein

Solo en 1905 el brillante físico A. Einstein reveló en la práctica y claramente formuló en teoría lo que es: la verdadera naturaleza de la luz. Las propiedades de onda y cuántica, descubiertas con la ayuda de dos hipótesis opuestas, son inherentes a los fotones en partes iguales. Para completar, la imagen carecía solo del principio de discreción, es decir, la ubicación exacta de los cuantos en el espacio. Cada quantum es una partícula que puede ser absorbida o radiada como un todo. Un electrón, "tragando" un fotón dentro de sí mismo, aumenta su carga por el valor de la energía de la partícula absorbida. Además, dentro del fotocátodo, el electrón se mueve a su superficie, mientras retiene una "porción doble" de energía, que a la salida se convierte en cinética. De manera tan simple, se realiza un efecto fotoeléctrico, en el cual no hay reacción retardada. En la línea de meta, el electrón libera un cuanto de sí mismo, que cae a la superficie del cuerpo, irradiando incluso más energía. Cuanto mayor sea el número de fotones liberados, más potente será la radiación, respectivamente, y la oscilación de la onda de luz aumentará.

las propiedades cuánticas de la luz se manifiestan en el fenómeno

Los dispositivos más simples, basados ​​en el principio del efecto fotoeléctrico

Después de los descubrimientos hechos por científicos alemanes enal comienzo del siglo XX, comenzó la aplicación activa de las propiedades cuánticas de la luz para la fabricación de diversos instrumentos. Invenciones, cuyo funcionamiento es el efecto fotoeléctrico, llamadas células solares, el representante más sencillo de los cuales - el vacío. Entre sus desventajas se pueden llamar débil conductividad actual, baja sensibilidad a la radiación de onda larga, por lo que no se puede utilizar en circuitos de corriente alterna. El dispositivo de vacío es ampliamente utilizado en fotometría, mide el brillo y la calidad de la luz. También juega un papel importante en el fotófono y en el proceso de reproducción de sonido.

Fotocélulas con funciones de conductor

Este es un tipo de instrumento completamente diferente, basado enque se encuentran las propiedades cuánticas de la luz. Su propósito es cambiar la concentración de los portadores actuales. Este fenómeno a veces se denomina efecto fotoeléctrico interno y forma la base de fotoresistores. Estos semiconductores juegan un papel muy importante en nuestra vida cotidiana. Primero fueron usados ​​en autos retro. Luego proporcionaron el trabajo de la electrónica y las baterías. A mediados del siglo XX, tales fotocélulas comenzaron a usarse para la construcción de naves espaciales. Hasta ahora, debido a los torniquetes de efecto fotoeléctrico interno en el metro, calculadoras portátiles y paneles solares.

aplicación de propiedades cuánticas de la luz

Reacciones fotoquímicas

Luz, cuya naturaleza tiene solo parcialmenteaccesible a la ciencia en el siglo XX, de hecho afecta los procesos químicos y biológicos. Bajo la influencia de los flujos cuánticos, comienza el proceso de disociación de las moléculas y su fusión con los átomos. En la ciencia, este fenómeno se llama fotoquímica, y en la naturaleza, una de sus manifestaciones es la fotosíntesis. Es debido a las ondas de luz en las células que se llevan a cabo procesos para la liberación de ciertas sustancias en el espacio intercelular, por lo que la planta adquiere un tinte verde.

asunción de luz

Las propiedades cuánticas de la luz también afectan al ser humanovista. Al entrar en la retina del ojo, el fotón provoca el proceso de descomposición de la molécula de proteína. Esta información se transporta a través de las neuronas al cerebro, y después de su procesamiento podemos ver todo bajo luz. Con el inicio de la oscuridad, la molécula de proteína se restaura y la visión se acomoda a las nuevas condiciones.

Resultados

En el transcurso de este artículo, descubrimos que el principalLas propiedades cuánticas de la luz se manifiestan en un fenómeno llamado efecto fotoeléctrico. Cada fotón tiene su propia carga y masa, y colisiona con un electrón dentro de él. El cuántico y el electrón se vuelven uno, y la energía de sus uniones se convierte en energía cinética, que, hablando propiamente, es necesaria para la realización del efecto fotoeléctrico. Las oscilaciones de onda pueden aumentar la energía producida por el fotón, pero solo hasta cierto valor.

El efecto fotoeléctrico es ahora indispensablecomponente de la mayoría de los tipos de equipos. Se basa en revestimientos espaciales y satélites, desarrolla baterías solares y se utiliza como fuente de energía auxiliar. Además, las ondas de luz tienen un gran impacto en los procesos químicos y biológicos en la Tierra. Debido a la simple luz del sol, las plantas se vuelven verdes, la atmósfera de la tierra está pintada en toda la paleta de colores azules, y vemos el mundo tal como es.

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