eksperyment Younga z podwójną szczeliną

między 1670 a 1900 uczeni dyskutowali o natura światła. Niektórzy naukowcy wierzyli, że światło składa się z wielu milionów drobnych cząstek. Inni naukowcy wierzyli, że światło jest falą.

światło: fale czy cząstki?Edit

w 1678 roku Christiaan Huygens napisał książkę Traité de la lumiere (Traktat o świetle). Wierzył, że światło składa się z fal. Powiedział, że światło nie może składać się z cząstek, ponieważ światło z dwóch wiązek nie odbija się od każdej other.In 1672-Isaac Newton napisał książkę Opticks. Wierzył, że światło składa się z czerwonych, żółtych i niebieskich cząstek, które nazwał ciałami. Newton wyjaśnił to w swoim „eksperymencie dwóch pryzmatów”. Pierwszy pryzmat rozpadł się na różne kolory. Drugi pryzmat połączył te kolory z powrotem w białe światło.

w XVIII wieku najwięcej uwagi poświęcono teorii Newtona. W 1803 roku Thomas Young opisał „eksperyment z podwójną szczeliną”. W tym eksperymencie światło przechodzące przez dwie wąskie szczeliny ingeruje w siebie. Powoduje to wzór, który pokazuje, że światło składa się z fal. Przez resztę XIX wieku największą uwagę poświęcano falowej teorii światła. W 1860 roku James Clerk Maxwell opracował równania opisujące promieniowanie elektromagnetyczne jako fale.

teoria promieniowania elektromagnetycznego traktuje światło, fale radiowe, mikrofale i wiele innych rodzajów fal jako to samo, z tym że mają różne długości fal. Długość fali światła, którą widzimy naszymi oczami, wynosi w przybliżeniu od 400 do 600 nm. Długość fali fal radiowych waha się od 10 m do 1500 m, a długość fali mikrofal wynosi około 2 cm. W próżni wszystkie fale elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła. Częstotliwość fali elektromagnetycznej jest określona przez:

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

.

symbole są tu zdefiniowane .

czarne radiatory ciała

wszystkie ciepłe rzeczy wydzielają promieniowanie cieplne, które jest promieniowaniem elektromagnetycznym. Dla większości rzeczy na Ziemi promieniowanie to znajduje się w zakresie podczerwieni, ale coś bardzo gorącego (1000 °C lub więcej), wydziela promieniowanie widzialne, czyli światło. Pod koniec 1800 roku wielu naukowców badało długości fal promieniowania elektromagnetycznego z grzejników czarnego ciała w różnych temperaturach.

Rayleigh-Jeans LawEdit

krzywa Rayleigh-Jeans i Krzywa Plancka wykreślona na podstawie długości fali fotonu.

Lord Rayleigh po raz pierwszy opublikował podstawy prawa Rayleigh-Jeans w 1900 roku. Teoria ta opierała się na kinetycznej teorii gazów. Bardziej kompletną teorię opublikował Sir James Jeans w 1905 roku. Prawo dotyczy ilości i długości fali energii elektromagnetycznej emitowanej przez czarny grzejnik ciała w różnych temperaturach. Równanie opisujące to jest:

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

.

w przypadku promieniowania długofalowego wyniki przewidywane przez to równanie dobrze odpowiadały praktycznym rezultatom uzyskanym w laboratorium. Jednak w przypadku krótkich fal (światło ultrafioletowe) różnica między teorią a praktyką była tak duża, że zyskała przydomek „katastrofy ultrafioletowej”.

LawEdit Plancka

w 1895 roku w Wiedniu opublikował wyniki swoich badań nad promieniowaniem ciała czarnego. Jego wzór wynosił:

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}}}}

.

ten wzór działał dobrze dla promieniowania elektromagnetycznego o krótkiej długości fali, ale nie działał dobrze z długimi długościami fal.

w 1900 roku Max Planck opublikował wyniki swoich badań. Próbował opracować ekspresję promieniowania ciała czarnego wyrażoną w kategoriach długości fali, zakładając, że promieniowanie składa się z małych kwantów, a następnie zobaczyć, co się stało, jeśli kwanty były nieskończenie małe. (Jest to standardowe podejście matematyczne). Wyrażenie brzmiało:

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}}}

.

Jeśli długość fali światła może stać się bardzo duża, można wykazać, że relacje Raleigh-Jeans i Planck są prawie identyczne.

obliczył h I k i stwierdził, że

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

wartości są zbliżone do współczesnych akceptowanych wartości odpowiednio 6,62606×10-34 i 1,38065×10-16. Prawo Plancka zgadza się dobrze z danymi eksperymentalnymi, ale jego pełne znaczenie doceniono dopiero kilka lat później.

kwantowa teoria światła

Konferencja Solway 1911. Planck, Einstein i Jeans stoją. Planck jest drugi od lewej. Einstein jest drugi od prawej. Dżinsy są piąte od prawej. Wien siedzi, trzeci od prawej

okazuje się, że elektrony są usuwane przez efekt fotoelektryczny, jeśli światło osiągnie częstotliwość progową. Poniżej tego elektrony nie mogą być emitowane z metalu. W 1905 Albert Einstein opublikował pracę wyjaśniającą efekt. Einstein zaproponował, że wiązka światła nie jest falą rozchodzącą się w przestrzeni, ale raczej zbiorem dyskretnych pakietów falowych (fotonów), każdy z energią. Einstein powiedział, że efekt był spowodowany przez Foton uderzający w elektron. To pokazało cząstkową naturę światła.

Einstein odkrył również, że promieniowanie elektromagnetyczne o długiej długości fali nie miało wpływu. Einstein powiedział, że to dlatego, że „cząstki” nie mają wystarczająco dużo energii, aby zakłócić elektrony.

Planck zasugerował, że energia każdego fotonu jest związana z częstotliwością fotonu przez stałą Plancka. Można to zapisać matematycznie jako:

E = H ν = h c λ {\displaystyle e=h\nu ={\frac {hc}{\lambda}}}