Если раньше фотодетекторы использовались только в кинематографе и фотоумножителях, то сейчас они широко применяются в освещении, робототехнике, автоматизации, фотометрии, приборах ночного видения, солнечных электростанциях и научных исследованиях со световым излучением.
Квантовая физика — основные понятия, формулы и определения с примерами
Появление квантовой физики было спровоцировано кризисом в физике в начале двадцатого века. Существующие классические теории, включая теорию Максвелла, уже не могли решить научные проблемы физики.
Одним из них было тепловое излучение. Тела, выделяющие тепло, должны отдать свое тепло окружающим телам и окружающей среде и достичь термодинамического равновесия, т.е. равенства температур. Это основной принцип термодинамики. Однако такого явления не происходит, если, например, солнце излучает при температуре 6000 К. Кроме того, энергия излучения одинакова на всех длинах волн и подчиняется закону распределения, который не зависит от конкретной температуры. Это означает, что доля энергии излучения, соответствующая каждой длине волны, различна. В этой зависимости фундаментальный максимум лучистой энергии зависит от температуры и изменяется в соответствии с законом смещения Вина:
Определение:
Закон смещения Вина гласит, что длина волны солнечной лучистой энергии максимальна, например, для зеленого света.
Другая научная проблема, возникшая в начале 20-го века, — это объяснение линейности спектров излучения газов и паров металлов. Открытие фотоэлектрического эффекта, существование фотодавления, рассеяние световых лучей электронами и другие научные проблемы, которые классическая физика, особенно электромагнитная теория Максвелла, также не могла объяснить.
Для решения этих проблем немецкий ученый М. Планк предложил новую идею, которая противоречила классической физике. Он представил, что излучение и поглощение нагретого тела не является непрерывным, а происходит отдельными частями (квантами). Квант — это наименьшее количество энергии, поглощенной или испущенной телом.
Согласно теории Планка, энергия кванта прямо пропорциональна частоте света:
здесь: h — постоянная Планка,
Он также объяснил (на примере Солнца) условия существования излучающих тел и необязательное термодинамическое равновесие.
Фотоэлектрический эффект
Фотоэлектрический эффект (сокращение: фотоэффект) был открыт Г. Герцем в 1887 году и экспериментально исследован русским ученым А. Столетовым (независимо от Ф. Ленарда).
Внешний фотоэлектрический эффект — это выход электронов из вещества под воздействием света.
На рисунке 6.1 показана схема экспериментальной установки, используемой для изучения фотоэлектрического явления. 6.1.
Основа аппарата состоит из стеклянного цилиндра с кварцевым «окном», содержащим два электрода: анод и катод. Внутри стеклянного цилиндра создается вакуум, потому что электроны и другие частицы могут двигаться в вакууме по прямой линии.
Для подачи напряжения (от 0 до U) на электроды через потенциометр, источник тока подключается через кнопку с двойным К.
Один из электродов, катод (по сути, цезиевый катод), освещается монохроматическими волнами через кварцевое «окно». При постоянной длине волны и постоянном световом потоке фототок измеряется как функция напряжения, приложенного к аноду.
Типичная схема показана на рисунке. На рисунке 6.2 показана типичная диаграмма фототока и напряжения. Рисунок 2 соответствует большему световому потоку, чем рисунок 1, где: — напряжение задержки, т.е. когда приложено это отрицательное напряжение, фотоэлектроны с их начальными скоростями не достигают анода.
Из диаграммы на рис. 6.2 видно, что ток достигает насыщения при больших положительных напряжениях. Это означает, что все электроны, покидающие катод, достигают анода. Когда напряжение достигает значения
Ф. Ленард в своих экспериментах показал, что потенциал задержки не зависит от интенсивности (светового потока) падающей волны, но линейно зависит от частоты падающего света (рис. 6.3).
На основе этих экспериментов были открыты законы фотоэлектрического эффекта:
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от светового потока (интенсивности) и линейно зависит от частоты v падающего света (с увеличением v линейно увеличится
- Для каждого вещества существует минимальная частота
- Количество фотоэлектронов, вылетающих из катода за единицу времени, прямо пропорционально падающему на катод световому потоку (интенсивности) и не зависит от частоты.
Фотоэлектрический эффект — безынерционное явление: как только поток света прерывается, фототок сразу же исчезает; когда свет появляется, фототок появляется.
Теория фотоэффекта
Теория фотоэлектрического эффекта была создана А. Эйнштейном в 1905 году. Используя гипотезу М. Планка, он пришел к выводу, что электромагнитные волны также состоят из отдельных частей — квантов. Позже их стали называть фотонами.
Согласно идее Эйнштейна, когда фотон взаимодействует с веществом, он отдает свою энергию
Это уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта.
Здесь A — работа, затраченная на извлечение электрона из материи. Если предположить, что максимальная кинетическая энергия электрона равна уравнению Эйнштейна для фотоэлектричества, то мы можем записать его в следующем виде:
Это уравнение для фотоэлектрического эффекта выражает закон сохранения энергии для фотоэлектрического эффекта. Этот закон объясняет факты о фотоэлектрическом эффекте:
- максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты и не зависит от интенсивности (светового потока) падающего луча;
- существование красной границы фотоэффекта, т.е.
- фотоэффект происходит без инерции. По уравнению Эйнштейна, количество фотоэлектронов, вылетающих из катода за 1 с, пропорционально количеству фотонов, падающих на эту площадь.
Из уравнения Эйнштейна следует, что тга наклона графика частотной зависимости тормозного потенциала равна отношению постоянной Планка к заряду электрона (рис. 6.3), т.е..
Это соотношение позволит экспериментально определить постоянную Планка. Такой эксперимент был проведен в 1914 году Р. Милликеном, который определил постоянную Планка. Этот эксперимент позволил определить эффективность фотоэлектронов:
Здесь: c — скорость света,
Для катодов работа выхода измеряется в электронвольтах (эВ).
Среди щелочных металлов Na, K, Cs и Rb имеют низкую работу выхода. Поэтому на практике для покрытия поверхности катода используются оксиды этих металлов и другие соединения. Пример: работа выхода катода из оксида цезия A = 1,2 эВ, красная граница фотоэлектрического эффекта соответствует этому значению.
Что изучает квантовая физика простыми словами
Да, квантовую физику действительно очень трудно понять, потому что она изучает законы микромира. То есть мир в его глубочайших слоях, на очень малых расстояниях, где человеку очень трудно видеть.
И оказывается, что мир ведет себя очень странно, загадочно и непонятно, не так, как мы привыкли.
Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.
Но после прочтения этой статьи вы расширите горизонты своих знаний и посмотрите на мир совсем по-другому.
Кратко об истории квантовой физики
Все началось в начале 20-го века, когда ньютоновская физика уже не могла объяснить многое, и ученые балансировали на воде. Затем Макс Планк ввел понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а по частям — квантами (фотонами). Ранее предполагалось, что свет имеет волнообразную форму по своей природе.
Но, как было доказано позже, каждая элементарная частица является не только квантом, то есть твердой частицей, но и волной. Так родился дуализм «частица-волна» в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий таинственных явлений микромира.
Самые интересные парадоксы начались со знаменитого эксперимента с двойной щелью, после чего загадок стало гораздо больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с нее. Давайте посмотрим на это.
Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике
Представьте себе пластину с двумя прорезями в виде вертикальных полос. За этой пластиной мы устанавливаем экран. Когда мы освещаем пластину, мы видим интерференционную картину на экране. То есть чередование темных и светлых вертикальных полос. Интерференция — это результат волнообразного поведения чего-либо, в данном случае света.
Если вы пропустите волну воды через два соседних отверстия, вы поймете, что такое интерференция. Поэтому кажется, что свет имеет волнообразный характер. Но, как доказала физика, а точнее Эйнштейн, она распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но неважно, нас больше не будет удивлять сомато-клеточно-волновой дуализм. Квантовая физика учит нас, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.
Давайте поставим пушку перед пластиной с двумя щелями, которая вместо света испускает электроны. Давайте начнем стрелять электронами. Что мы увидим на экране за домашней тарелкой?
Электроны являются конечными частицами, поэтому поток электронов, проходящий через две щели, должен оставить на экране только две полосы, две дорожки поперек щелей. Можете ли вы представить, как камешки пролетают через две щели и попадают на экран?
Но что мы видим на самом деле? Одинаковая картина помех. Вывод заключается в том, что электроны движутся волнами. Поэтому электроны — это волны. Но это элементарная частица. Опять же, в физике действует дуализм «частица-волна».
Но мы можем предположить, что электрон — это частица на более глубоком уровне, и когда эти частицы встречаются, они начинают вести себя как волны. Например, океанская волна — это волна, но в конечном итоге она состоит из капелек воды и, на более глубоком уровне, молекул, а затем атомов. Хорошо, логика последовательна.
Тогда мы не стреляем из пушки потоком электронов, а выпускаем электроны по одному за раз и в течение определенного времени. Точно так же, как вы не пропускаете океанскую волну через щели, но выплевываете отдельные капли из детского водяного пистолета.
Логично, что в этом случае разные капли воды будут попадать в разные щели. На экране за пластиной вы бы увидели не интерференционную картину волны, а две четкие полосы удара напротив каждой щели. То же самое вы увидите, если бросите маленькие камешки: они пролетают через две щели и оставляют след, похожий на тень от двух отверстий. Теперь давайте выстрелим одиночными электронами, чтобы увидеть две полосы на экране, созданные ударами электронов. Отпустите одну, подождите, вторую, подождите и так далее. Ученым квантовой физики удалось провести такой эксперимент.
Но ужас. Вместо этих двух бахромок вы имеете одну и ту же интерференцию из многих бахромок. Как? Это может произойти, если электрон проходит через две щели одновременно, сталкивается и интерферирует с самим собой за пластиной, как волна. Но это невозможно, потому что частица не может находиться в двух местах одновременно. Он вылетает либо из первого слота, либо из второго.
Именно здесь в игру вступают действительно фантастические вещи квантовой физики.
