Kvant je stvarnost. Fotonska teorija svjetlosti. Masa, energija i količina gibanja fotona Kako pronaći energiju kvanta
Neke fizikalne veličine vezane uz mikroobjekte mijenjaju se ne kontinuirano, već naglo. Veličine koje mogu poprimiti samo točno definirane, odnosno diskretne vrijednosti (latinski “discretus” znači podijeljen, diskontinuiran) nazivaju se kvantiziranim. Godine 1900. njemački fizičar M. Planck, koji je proučavao toplinsko zračenje čvrstih tijela, došao je do zaključka da se elektromagnetsko zračenje emitira u obliku zasebnih dijelova - kvanti- energija. Vrijednost jednog kvanta energije jednaka je: Δ E = hν,
gdje je Δ E- kvantna energija, J; ν - frekvencija, s -1; h- Planckova konstanta (jedna od temeljnih konstanti prirode), jednaka 6,626·10−34 J·s. Kvanti energije kasnije su nazvani fotoni. Ideja kvantizacije energije omogućila je objašnjenje podrijetla linijskog atomskog spektra, koji se sastoji od skupa linija kombiniranih u nizu. Davne 1885. godine švicarski fizičar i matematičar I.Ya. Balmer je otkrio da se valne duljine koje odgovaraju određenim linijama u spektru vodikovih atoma mogu izraziti kao niz cijelih brojeva. Jednadžba koju je predložio, a koju je kasnije modificirao švedski fizičar Yu.R. Rydberg, ima oblik:
1/λ = R(1 / n 1 2 − 1 / n 2 2),
gdje je λ valna duljina, cm; R- Rydbergova konstanta za atom vodika, jednaka 1,097373·10 5 cm−1, n 1 i n 2 su cijeli brojevi, i n 1 < n 2 .
Prvu kvantnu teoriju strukture atoma predložio je N. Bohr. Vjerovao je da se u izoliranom atomu elektroni kreću po kružnim stacionarnim orbitama, u kojima ne emitiraju niti apsorbiraju energiju. Svaka takva orbita odgovara diskretnoj vrijednosti energije.
Prijelaz elektrona iz jednog stacionarnog stanja u drugo popraćen je emisijom kvanta elektromagnetskog zračenja čija je frekvencija jednaka
ν = Δ E / h,
gdje je Δ E- razlika između energija početnog i krajnjeg stanja elektrona, h- Planckova konstanta.
Diskretnost energije elektrona najvažniji je princip kvantne mehanike. Elektroni u atomu mogu imati samo strogo određene vrijednosti energije. Dopušten im je prijelaz s jedne energetske razine na drugu, a međustanja su zabranjena.
Kvantni(od lat. kvantni- "koliko") - nedjeljivi dio bilo koje količine u fizici. Koncept se temelji na ideji kvantne mehanike da neke fizikalne veličine mogu poprimiti samo određene vrijednosti (oni kažu da fizikalna veličina kvantiziran). U nekim važnim posebnim slučajevima, ta vrijednost ili korak njezine promjene mogu biti samo integralni umnošci neke temeljne vrijednosti - a potonja se naziva kvantni. Na primjer, energija monokromatskog elektromagnetskog zračenja kutne frekvencije može poprimiti vrijednosti 
, gdje je reducirana Planckova konstanta, a je cijeli broj. U ovom slučaju, značenje je energija kvanta zračenja (drugim riječima, fotona), a značenje je broj tih kvanta (fotona). U smislu sličnom ovome, izraz kvant prvi je skovao Max Planck u svom klasičnom radu iz 1900., prvom radu o kvantnoj teoriji, koji je postavio njezin temelj. Potpuno novi fizički koncept, koji se obično naziva kvantna fizika, razvio se oko ideje kvantizacije iz ranih 1900-ih.
Danas se pridjev “kvantni” koristi u nazivu niza područja fizike (kvantna mehanika, kvantna teorija polja, kvantna optika itd.). Široko se koristi izraz kvantizacija, koji označava konstrukciju kvantne teorije određenog sustava ili prijelaz s njegovog klasičnog opisa na kvantni. Isti se izraz koristi za označavanje situacije u kojoj fizikalna veličina može poprimiti samo diskretne vrijednosti - na primjer, kaže se da je energija elektrona u atomu "kvantizirana".
Pojam "kvant" trenutno ima prilično ograničenu upotrebu u fizici. Ponekad se koristi za označavanje čestica ili kvazičestica koje odgovaraju bozonskim interakcijskim poljima (foton - kvant elektromagnetskog polja, fonon - kvant polja zvučnih valova u kristalu, graviton - hipotetski kvant gravitacijskog polja, itd.), a takve se čestice također nazivaju "kvanti pobude" ili jednostavno "pobuda" odgovarajućih polja.
Osim toga, prema tradiciji, "kvant djelovanja" ponekad se naziva Planckova konstanta. U suvremenom shvaćanju ovaj naziv može imati značenje da je Planckova konstanta prirodna mjerna jedinica akcije i drugih fizikalnih veličina iste dimenzije (na primjer, kutni moment).
Neki kvanti
Kvanti nekih polja imaju posebna imena:
- foton - kvant elektromagnetskog polja;
- gluon - kvant vektorskog (gluonskog) polja u kvantnoj kromodinamici (omogućuje jaku interakciju);
- graviton - hipotetski kvant gravitacijskog polja;
- fonon je kvant vibracijskog gibanja atoma u kristalu.
· Za sve klasične mehaničke valove (u tekućinama, plinovima i čvrstim tijelima) glavni parametar koji određuje energiju vala je njegova amplituda (točnije kvadrat amplitude). U slučaju svjetlosti, amplituda određuje intenzitet zračenja. Međutim, pri proučavanju fenomena fotoelektričnog efekta - izbijanja elektrona iz metala svjetlom - otkriveno je da energija izbačenih elektrona nije povezana s intenzitetom (amplitudom) zračenja, već ovisi samo o na njegovu učestalost. Čak i slabo plavo svjetlo izbacuje elektrone iz metala, ali najjači žuti reflektor ne može izbaciti niti jedan elektron iz istog metala. Intenzitet određuje koliko će elektrona biti izbačeno - ali samo ako frekvencija prijeđe određeni prag. Ispostavilo se da je energija u elektromagnetskom valu fragmentirana u dijelove koji se nazivaju kvanti. Energija kvanta elektromagnetskog zračenja je fiksna i jednaka je
· E = hν ,
· Gdje h= 4·10 -15 eV· S= 6·10 -34 J· S- Planckova konstanta, još jedna temeljna fizikalna veličina koja određuje svojstva našeg svijeta. Tijekom fotoelektričnog efekta, odvojeni kvant interagira s pojedinačnim elektronom i ako mu je energija nedovoljna, ne može izbaciti elektron iz metala. Dugogodišnji spor oko prirode svjetlosti - je li to valovi ili tok čestica - riješen je u korist svojevrsne sinteze. Neki fenomeni opisuju se valnim jednadžbama, dok se drugi opisuju idejama o fotonima, kvantima elektromagnetskog zračenja, koje su u opticaj uvela dvojica njemačkih fizičara - Max Planck i Albert Einstein.
· Kvantna energija u fizici obično se izražava u elektron voltima. Ovo je nesustavna mjerna jedinica energije. Jedan elektron volt (1 eV) jednaka je energiji koju elektron dobije kada ga ubrza električno polje od 1 volta. To je vrlo mala vrijednost, u jedinicama Cu 1 sustava eV= 6·10 -18 J. Ali na ljestvici atoma i molekula, elektron-volt je prilično respektabilna vrijednost.
· Sposobnost zračenja da proizvede određeni učinak na materiju izravno ovisi o energiji kvanta. Mnogi procesi u materiji karakterizirani su energijom praga - ako pojedini kvanti nose manju energiju, koliko god ih bilo, neće moći izazvati proces iznad praga.
Energija fotona, prema kvantnoj mehanici, proporcionalna je frekvenciji: , gdje je h- Planckova konstanta, E- energija, - frekvencija. Elektromagnetska valna duljina u vakuumu obrnuto je proporcionalna frekvenciji i izražava se brzinom svjetlosti: . Govoreći o duljini elektromagnetskih valova u mediju, obično se misli na ekvivalentnu valnu duljinu u vakuumu, koja se razlikuje po indeksu loma, budući da se frekvencija vala pri prelasku iz jednog medija u drugi održava, ali se valna duljina mijenja.
Svjetlo- elektromagnetski valovi vidljivog spektra. Vidljivo područje uključuje elektromagnetske valove u frekvencijskom području koje percipira ljudsko oko (7,5 10 14 - 4 10 14 Hz), tj. s valnim duljinama od 400 do 760 nanometara.
U fizici pojam “svjetlost” ima široko značenje i sinonim je za optičko zračenje, tj. uključuje infracrveno i ultraljubičasto područje spektra.
Svojstva svjetlosti proučavaju grane fizike, optika i spektroskopija. Mjerenje intenziteta svjetlosti je polje fotometrije.
Neki ljudi misle da je kvant samo određena jedinica najmanje veličine, koja se nikako ne odnosi na stvarni život. No, stvari su daleko od toga da budu takve. To nije samo rezervat znanstvenika. Kvantna teorija je važna za sve ljude jer pomaže proširiti njihovu svijest, značajno proširujući granice svjetonazora i gledajući u same njegove dubine. Proučava kako mikrosvijet, tako i običan svijet oko nas, koji nekim čudom uspijeva sagledati na potpuno drugačiji način.
Koncept
Kvant nije nešto beznačajno što se tiče samo mikrokozmosa. Pomaže u opisivanju okolne stvarnosti na temelju vlastitih stanja.
Nisu samo materija i fizička polja osnova našeg svijeta. Oni su samo čestica goleme kvantne stvarnosti. Stoga, u budućnosti ostaje da shvatimo svu dubinu i širinu ovog naizgled jednostavnog objašnjenja.
Kvant je nedjeljiva temeljna jedinica energije (kvant u prijevodu s latinskog znači "koliko", "količina") koju fizikalna veličina apsorbira ili oslobađa.
Oko te ideje razvio se cijeli pravac koji se zove kvantna fizika. O njoj govore kao o znanosti budućnosti.
Kvantna i klasična fizika
Većini će se u prvi mah novi smjer učiniti apsurdnim i nelogičnim. Ali nakon dubljeg proučavanja, pojmovi dobivaju globalno značenje. Kvantna fizika može lako objasniti ono što klasična fizika ne može.
U potonjem se vjeruje da je priroda nepromijenjena bez obzira na načine na koje je opisana. Ali u kvantnoj fizici to nije slučaj. Temelji se na principu superpozicije, koji nije osnova. Prema njemu, kvant je čestica koja može biti istovremeno u jednom i drugom stanju, kao iu njihovom zbroju. Stoga je nemoguće točno izračunati gdje će biti u bilo kojem trenutku. Mogući su samo proračuni vjerojatnosti.
Ne gradi fizičko tijelo, kao inače, već raspodjelu vjerojatnosti koja se mijenja tijekom vremena.
U klasičnoj fizici također postoji vjerojatnost, ali samo ako istraživač ne poznaje svojstva objekta. U kvantnoj znanosti uvijek je prisutan u svakom slučaju.
U klasičnoj mehanici koriste se bilo koje vrijednosti brzine i energije. U novom - samo one koje odgovaraju vlastitoj državi. To su takozvane kvantizirane, specifične vrijednosti.
Hipoteza Maxa Plancka
Zagrijano tijelo odaje i upija svjetlost u određenim dijelovima, a ne kontinuirano. Kvant energije je minimalna čestica o kojoj govorimo.
Svaki dio je izravno proporcionalan frekvenciji zračenja. Koeficijent proporcionalnosti dobio je ime po svom pronalazaču, Planckovoj konstanti (iako je i Einstein s njom imao neke veze). Jednako je 6,6265*10(-34) J/s.
To je bila hipoteza koju je iznio Max Planck 1900. godine, na temelju koje je bilo moguće izračunati zakon raspodjele energije u spektru, koji se dobro slagao s eksperimentalnim podacima. Time je kvantna hipoteza potvrđena. To je postala prava revolucija. Mnogi fizičari prihvatili su ovu hipotezu i tako se počela razvijati kvantna znanost.
i kvantna stvarnost
Nisu samo znanstveni teoretičari bili zainteresirani za novi smjer. Mnoge mistične pojave postalo je moguće znanstveno objasniti. Iako je neki nazivaju "pseudoznanošću".
Međutim, ljudi koje je to zanimalo mogli su proširiti granice svoje percepcije i vidjeti ili osjetiti onostrano.
Na primjer, postalo je očito da je kvant svjetlosti prijenos energije Svemira u svijest kroz prostorno-vremenski kontinuum. Uostalom, radi se o zračenju energije-frekvencije, koja se još naziva vatrenim DNK simbolima ili svjetlosnim kodovima. Oni ulaze na planet kroz tok energetske frekvencije. Na ljudskom tijelu – kroz sustav čakri.
Svijest i materija su energija-frekvencija. Svi osjećaji, misli i emocije generiraju impulse elektriciteta koji tvore svjetlosno tijelo. U osnovi, Zemlja ima vrlo niskofrekventne vibracije. Ali oni ljudi koji su naučili primati energiju iz Svemira koja je uključena u kvantum zračenja duhovno su razvijeni pojedinci koji formiraju svoje svjetlosno tijelo na visokim frekvencijama. Ne samo da se mogu osloboditi negativnih vibracija koje dominiraju planetom, već i očistiti prostor oko sebe, pomažući tako drugim ljudima prijeći na novu razinu razvoja.
Kvantni- nedjeljivi dio bilo koje veličine u fizici. Foton je kvant elektromagnetskog polja;
To je čestica bez mase koja može postojati samo krećući se brzinom svjetlosti. Električni naboj fotona također je nula. Foton, kao kvantna čestica, karakterizira dualnost val-čestica, on istovremeno pokazuje svojstva čestice i vala. Brzina svjetlosti- apsolutna vrijednost brzine širenja elektromagnetskih valova u vakuumu. U fizici se energija kvanta obično izražava u elektronvoltima. Ovo je nesustavna mjerna jedinica energije. Sposobnost zračenja da proizvede određeni učinak na materiju izravno ovisi o energiji kvanta. Mnogi procesi u materiji karakterizirani su energijom praga - ako pojedini kvanti nose manju energiju, koliko god ih bilo, neće moći izazvati proces iznad praga. Ako svjetlosna zraka padne na površinu koja razdvaja dva prozirna medija različite optičke gustoće, na primjer zrak i vodu, tada se dio svjetlosti reflektira od te površine, a drugi dio prodire u drugi medij. Pri prelasku iz jednog medija u drugi, zraka svjetlosti mijenja smjer na granici tih medija. Ova pojava se zove
lom svjetlosti. Pokusi pokazuju da, pri istom upadnom kutu, što je kut loma manji, to je medij u koji zraka prodire optički gušći. Ako svjetlost dolazi iz optički gušćeg medija u manje gušći medij, tada je kut loma zrake veći od kuta upada. 1 . Na granici između dva medija različite optičke gustoće, svjetlosna zraka mijenja svoj smjer pri prelasku iz jednog medija u drugi. 2. Pri prolasku svjetlosne zrake u medij veće optičke gustoće kut loma manji je od upadnog kuta; Pri prelasku svjetlosne zrake iz optički gušćeg medija u medij manje gustoće kut loma je veći od kuta upada. Lom svjetlosti prati refleksija, a s povećanjem kuta upada svjetlina reflektirane zrake raste, a lomljene zrake slabi. Što je medij gušći, to je manja brzina svjetlosti; što je medij manje gušći, to je veća brzina svjetlosti. Najveća vrijednost brzine svjetlosti (u vakuumu 3*10 na 8. potenciju m/s)
3.7 Spektar Uvjeti za nastanak emisijskih spektara. Priroda raspodjele energije u spektru: kontinuirani, linijski, prugasti spektri i sustavi koji ih emitiraju
Raspon- raspodjela vrijednosti fizičke veličine (obično energije, frekvencije ili mase). Grafički prikaz takve raspodjele naziva se spektralni dijagram. Tipično, spektar se odnosi na elektromagnetski spektar - spektar frekvencija elektromagnetskog zračenja. Newton je u znanstvenu upotrebu uveo pojam spektra 1671.-1672. kako bi označio raznobojnu traku, sličnu dugi, koja se dobiva kada sunčeva zraka prolazi kroz trokutastu staklenu prizmu. Kontinuirani spektri, kako pokazuje iskustvo, daju tijela koja su u krutom ili tekućem stanju, kao i visoko komprimirane plinove. Da bi se dobio kontinuirani spektar, tijelo se mora zagrijati na visoku temperaturu. Kontinuirani spektar također proizvodi visokotemperaturna plazma. Elektromagnetske valove emitira plazma uglavnom kada se elektroni sudare s ionima.
Linijski spektri. Linijski spektar. Ovo je spektar koji emitiraju plinovi i pare niske gustoće u atomskom stanju. Sastoji se od pojedinačnih linija različitih boja (valnih duljina, frekvencija), koje imaju različite lokacije. Svaki atom emitira niz elektromagnetskih valova određenih frekvencija. Stoga svaki kemijski element ima svoj spektar. Svaka linija ima konačnu širinu. Ovo je najosnovniji tip spektra. Izolirani atomi emitiraju strogo određene valne duljine. Tipično, za promatranje linijskih spektra, koristi se sjaj pare tvari u plamenu ili sjaj plinskog pražnjenja u cijevi ispunjenoj plinom koji se proučava. Kako se gustoća atomskog plina povećava, pojedinačne spektralne linije se šire, i konačno, s vrlo visokom kompresijom plina, kada interakcija atoma postane značajna, te se linije međusobno preklapaju, tvoreći kontinuirani spektar. Glavno svojstvo linijskih spektara je da valne duljine (ili frekvencije) linijskog spektra bilo koje tvari ovise samo o svojstvima atoma te tvari, ali su potpuno neovisne o metodi pobuđivanja luminiscencije atoma. Prugasti spektri. Trakasti spektar sastoji se od pojedinačnih traka odvojenih tamnim razmacima. Svaka pruga je zbirka velikog broja vrlo blisko razmaknutih linija. Za razliku od linijskih spektara, prugaste spektre ne stvaraju atomi, već molekule koje nisu vezane ili su slabo vezane jedna na drugu. Raspodjela energije u spektru. Energija toplinskog zračenja kontinuiranog spektra neravnomjerno je raspoređena po različitim dijelovima spektra. Priroda te raspodjele ovisi i o temperaturi i o prirodi tijela koje emitira. Spektar emisije, spektar emisije, spektar emisije- relativni intenzitet elektromagnetskog zračenja predmeta proučavanja na frekvencijskoj skali. Obično se proučava zračenje u infracrvenom, vidljivom i ultraljubičastom području iz visoko zagrijane tvari. Spektar emisije tvari prikazuje se ili kao vodoravna traka u boji - rezultat cijepanja svjetlosti od objekta pomoću prizme - ili kao grafikon relativnog intenziteta, ili kao tablica. Zagrijana tvar emitira elektromagnetske valove (fotone). Spektar ovog zračenja na pozadini spektra zračenja apsolutno crnog tijela, pri dovoljnoj temperaturi, na određenim frekvencijama ima izražene poraste intenziteta. Razlog povećanja intenziteta zračenja leži u tome što se elektroni nalaze u uvjetima kvantizacije energije. Takvi uvjeti nastaju unutar atoma, u molekulama i kristalima. Pobuđeni elektroni prelaze iz stanja više energije u stanje niže energije uz emisiju fotona. Razlika u razinama energije određuje energiju emitiranog fotona, a time i njegovu frekvenciju prema formuli: E = hv, gdje je E energija fotona, h Planckova konstanta, v frekvencija.
Za sve klasične mehaničke valove (u tekućinama, plinovima i čvrstim tvarima) glavni parametar koji određuje energiju vala je njegova amplituda (točnije kvadrat amplitude). U slučaju svjetlosti, amplituda određuje intenzitet zračenja. Međutim, pri proučavanju fenomena fotoelektričnog efekta - izbijanja elektrona iz metala svjetlom - otkriveno je da energija izbačenih elektrona nije povezana s intenzitetom (amplitudom) zračenja, već ovisi samo o na njegovu učestalost. Čak i slabo plavo svjetlo izbacuje elektrone iz metala, ali najjači žuti reflektor ne može izbaciti niti jedan elektron iz istog metala. Intenzitet određuje koliko će elektrona biti izbačeno - ali samo ako frekvencija prijeđe određeni prag. Ispostavilo se da je energija u elektromagnetskom valu fragmentirana u dijelove koji se nazivaju kvanti. Energija kvanta elektromagnetskog zračenja je fiksna i jednaka je
E = hν ,
Gdje h= 4·10 –15 eV· S= 6·10 –34 J· S- Planckova konstanta, još jedna temeljna fizikalna veličina koja određuje svojstva našeg svijeta. Tijekom fotoelektričnog efekta, odvojeni kvant interagira s pojedinačnim elektronom i ako mu je energija nedovoljna, ne može izbaciti elektron iz metala. Dugogodišnji spor oko prirode svjetlosti - je li to valovi ili tok čestica - riješen je u korist svojevrsne sinteze. Neki fenomeni opisuju se valnim jednadžbama, dok se drugi opisuju idejama o fotonima, kvantima elektromagnetskog zračenja, koje su u opticaj uvela dvojica njemačkih fizičara - Max Planck i Albert Einstein.
U fizici se energija kvanta obično izražava u elektronvoltima. Ovo je nesustavna mjerna jedinica energije. Jedan elektron volt (1 eV) jednaka je energiji koju elektron dobije kada ga ubrza električno polje od 1 volta. To je vrlo mala vrijednost, u jedinicama Cu 1 sustava eV= 1,6·10 –19 J. Ali na ljestvici atoma i molekula, elektron-volt je prilično respektabilna vrijednost.
Sposobnost zračenja da proizvede određeni učinak na materiju izravno ovisi o energiji kvanta. Mnogi procesi u materiji karakterizirani su energijom praga - ako pojedini kvanti nose manju energiju, koliko god ih bilo, neće moći izazvati proces iznad praga.
Gledajući malo unaprijed, dajmo neke primjere. Energija mikrovalnih kvanta dovoljna je da pobudi rotacijske razine osnovnog elektroničkog vibracijskog stanja nekih molekula, primjerice vode. Energija od djelića elektron volta dovoljna je da pobudi vibracijske razine osnovnog stanja u atomima i molekulama. To određuje, na primjer, apsorpciju infracrvenog zračenja u atmosferi. Kvanti vidljive svjetlosti imaju energiju 2–3 eV- to je dovoljno da poremeti kemijske veze i izazove određene kemijske reakcije, primjerice one koje se događaju u fotografskom filmu i mrežnici oka. Ultraljubičasti kvanti mogu razbiti jače kemijske veze i također ionizirati atome uklanjanjem vanjskih elektrona. Zbog toga je ultraljubičasto zračenje opasno po život. X-zračenje može odvojiti atome od elektrona od njihovih unutarnjih ljuski i također pobuditi vibracije unutar atomskih jezgri. Gama zračenje sposobno je uništiti atomske jezgre, a najenergičnije gama zrake prodiru čak i u strukturu elementarnih čestica poput protona i neutrona.
