Youngin double slit-koe

1670-1900 tutkijat käsittelivät valon luonne. Jotkut tiedemiehet uskoivat, että valo koostui monista miljoonista pienistä hiukkasista. Toiset tutkijat uskoivat valon olevan Aalto.

valo: aaltoja vai hiukkasia?Edit

vuonna 1678 Christiaan Huygens kirjoitti teoksen ”Traité de la lumiere”(”tutkielma valosta”). Hän uskoi valon koostuvan aalloista. Hän sanoi, että valo ei voi koostua hiukkasista, koska valo kahdesta säteestä ei kimpoa kummastakaan other.In 1672 Isaac Newton kirjoitti kirjan ”Opticks”. Hän uskoi valon koostuvan punaisista, keltaisista ja sinisistä hiukkasista, joita hän kutsui korpuksiksi. Newton selitti tätä ”kahden prisman kokeellaan”. Ensimmäinen Prisma hajotti valon erivärisiksi. Toisessa Prismassa nämä värit yhdistyivät takaisin valkoiseksi valoksi.

1700-luvulla Newtonin teoria sai eniten huomiota. Vuonna 1803 Thomas Young kuvasi ”kaksoisrakokokeen”. Tässä kokeessa kahden kapean raon läpi kulkeva valo häiritsee itseään. Tämä aiheuttaa kuvion, joka osoittaa, että valo koostuu aalloista. 1800-luvun lopun ajan valon aaltoteoria sai eniten huomiota. James Clerk Maxwell kehitti 1860-luvulla yhtälöt, jotka kuvasivat sähkömagneettisen säteilyn aaltoina.

sähkömagneettisen säteilyn teoria käsittelee valoa, radioaaltoja, mikroaaltoja ja monia muita aaltolajeja samana asiana paitsi että niillä on eri aallonpituudet. Silmillämme näkemämme valon aallonpituus on suurin piirtein 400-600 nm. Radioaaltojen aallonpituus vaihtelee 10 metristä 1 500 metriin ja mikroaaltojen aallonpituus on noin 2 cm. Tyhjiössä kaikki sähkömagneettiset aallot kulkevat valon nopeudella. Sähkömagneettisen aallon taajuus saadaan:

ν = C λ {\displaystyle \nu ={\frac {C}{\lambda }}}

.

symbolit on määritelty tässä.

mustan kappaleen säteilijät

kaikki lämpimät asiat säteilevät lämpösäteilyä, joka on sähkömagneettista säteilyä. Tämä säteily on useimmille maapallon aineksille infrapunasäteilyä, mutta jokin hyvin kuuma (1000 °C tai enemmän) antaa näkyvää säteilyä, toisin sanoen valoa. 1800-luvun lopulla monet tutkijat tutkivat mustarunkoisten pattereiden sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksia eri lämpötiloissa.

Rayleigh-Jeans LawEdit

Rayleigh-Jeans-käyrä ja Planckin käyrä piirrettynä fotonin aallonpituutta vasten.

Lordi Rayleigh julkaisi ensimmäisen kerran Rayleigh-Jeansin lain perusteet vuonna 1900. Teoria perustui kaasujen kineettiseen teoriaan. Sir James Jeans julkaisi täydellisemmän teorian vuonna 1905. Laki kertoo mustan kappaleen säteilijän eri lämpötiloissa antaman sähkömagneettisen energian määrän ja aallonpituuden. Tätä kuvaava yhtälö on:

b λ ( T ) = 2 c k T λ 4 {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2ckt}{\lambda ^{4}}}

.

pitkän aallonpituuden säteilyn osalta tämän yhtälön ennustamat tulokset vastasivat hyvin laboratoriossa saatuja käytännön tuloksia. Lyhyillä aallonpituuksilla (ultraviolettivalolla) ero teorian ja käytännön välillä oli kuitenkin niin suuri, että se sai lempinimen ”ultra-violet catastrophe”.

Planckin LawEdit

vuonna 1895 Wien julkaisi tutkimustuloksensa mustan kappaleen säteilystä. Hänen kaavansa oli:

b λ ( T ) = 2 h c 2 λ 5 e − h C λ K T {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}e^{-{\frac {hc}{\lambda kT}}}

.

Tämä kaava toimi hyvin lyhyen aallonpituuden sähkömagneettiselle säteilylle, mutta ei toiminut hyvin pitkillä aallonpituuksilla.

vuonna 1900 Max Planck julkaisi tutkimustensa tulokset. Hän yritti kehittää lausekkeen mustan kappaleen säteilylle, joka ilmaistaan aallonpituudella olettamalla, että säteily koostui pienestä kvantista, ja sitten nähdä, mitä tapahtuisi, jos kvantista tehtäisiin äärettömän pieni. (Tämä on standardi matemaattinen lähestymistapa). Lauseke oli:

b λ ( T ) = 2 h c 2 λ 5 1 e h C λ K T − 1 {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}~{\frac {1}{e^{\frac {HC}{\lambda kT}}-1}}}

.

Jos valon aallonpituuden annetaan kasvaa hyvin suureksi, voidaan osoittaa, että Raleigh-Jeansin ja Planckin suhteet ovat lähes identtiset.

hän laski h: n ja k: n ja totesi, että

h = 6,55×10-27 erg·sec. k = 1,34×10-16 erg·deg-1.

arvot ovat lähellä nykyään hyväksyttyjä arvoja 6,62606×10-34 ja 1,38065×10-16. Planckin laki yhtyy hyvin kokeelliseen aineistoon, mutta sen täysi merkitys ymmärrettiin vasta useita vuosia myöhemmin.

valon kvanttiteoria

Solwayn konferenssi 1911. Planck,Einstein ja farkut seisovat. Planck on toisena vasemmalta. Einstein on toisena oikealta. Jeans on viidentenä oikealta. Wien istuu, kolmantena oikealta

käy ilmi, että valosähköinen ilmiö irrottaa elektroneja, jos valo saavuttaa kynnystaajuuden. Tämän alapuolella metallista ei voi lähteä elektroneja. Vuonna 1905 Albert Einstein julkaisi tutkielman, jossa selitettiin vaikutusta. Einstein ehdotti, että valonsäde ei ole avaruuden läpi etenevä Aalto, vaan kokoelma diskreettejä aaltopaketteja (fotoneja), joista jokaisella on energiaa. Einsteinin mukaan vaikutus johtui siitä, että fotoni törmäsi elektroniin. Tämä osoitti valon hiukkasluonteen.

Einstein havaitsi myös, että sähkömagneettisella säteilyllä, jolla oli pitkä aallonpituus, ei ollut vaikutusta. Einsteinin mukaan tämä johtui siitä, että” hiukkasilla ” ei ollut tarpeeksi energiaa elektronien häiritsemiseen.

Planck esitti, että jokaisen fotonin energia oli verrannollinen fotonin taajuuteen Planckin vakion avulla. Tämä voitaisiin kirjoittaa matemaattisesti seuraavasti:

e = h ν = h C λ {\displaystyle E=h\nu ={\frac {HC}{\lambda }}}