String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Fun with Photons: Einstein’s Nobel Idea of Light

Забава с фотонами: Нобелевская идея света Эйнштейна

Swarlz 14.08.14 в 20:34

Эйнштейн получил Нобелевскую премию не за теорию относительности, а вместо этого — за свою работу, используя идею Планка о кванте, для объяснения другой проблемы — фотоэффекта.

Swarlz 15.08.14 в 20:27

Он пошел дальше чем Планк, предполагая, что вся электромагнитная энергия квантовалась.

Swarlz 15.08.14 в 20:30

Свет, Эйнштейн утверждал, распространялся не волнами, а порциями энергии.

Swarlz 15.08.14 в 20:43

Эти порции энергии стали называться фотонами.

Swarlz 15.08.14 в 20:44

Фотоны являются одними из фундаментальных частиц физики, которые физики надеются объяснить использую теорию струн.

Swarlz 15.08.14 в 20:45

Приведенный в действие фотоэффектом.

Swarlz 15.08.14 в 20:50

Современные фотоэлементы отрабатывают тот же принцип, что и фотоэффект.

Swarlz 15.08.14 в 22:08

Составленные из фотоэлектрических материалов, они принимают электромагнитное излучение в форме солнечного света и преобразуют его в свободные электроны.

Swarlz 15.08.14 в 22:14

Те свободные электроны потом идут по проводам и создают электрический ток, который может питать устройства, такие как декоративные фонари в вашей цветочной клумбе или марсоход НАСА.

Swarlz 15.08.14 в 22:18

Фотоэффект происходит когда свет попадает на определенные материалы, которые потом испускают электроны.

Swarlz 18.08.14 в 18:08

Это почти то же, как если бы свет ударял по свободным электронам, принуждая их покинуть материал

Swarlz 18.08.14 в 18:11

Фотоэффект впервые наблюдал в 1887 году Генрих Герц, но он продолжал ставить физиков в тупик вплоть до объяснения Эйнштейна 1905 года.

Swarlz 18.08.14 в 18:15

На первый взгляд, фотоэффект не похож на то, что сложно объяснить.

Swarlz 18.08.14 в 18:16

Электроны поглощают энергию света, которая причина того, что электроны покидают металлическую пластину.

Swarlz 18.08.14 в 18:18

Физики все еще знали очень мало об электронах — и фактически ничего об атоме — но это имело смысл.

Swarlz 18.08.14 в 18:20

Как и предполагалось, если вы увеличите интенсивность света (суммарная энергия за секунду, которая переносится лучом), то определенно больше электронов испускалось (смотрите верхнюю часть рисунка 7-2).

Swarlz 18.08.14 в 18:24

Однако было две неожиданных проблемы:

Swarlz 18.08.14 в 18:25

• Свыше определенной длинный волны, электроны не испускаются — и не важно насколько интенсивен свет (что и показано на нижней части рисунка 7-2).

Swarlz 18.08.14 в 18:29

• Когда вы увеличиваете интенсивность света, скорость электронов не меняется.

Swarlz 18.08.14 в 18:30

Эйнштейн заметил связь между первой проблемой и ультрафиолетовой катастрофой, с которой сталкивался Макс Планк (смотрите предыдущую секцию для более детальной информации про работу Планка), но в противоположном направлении.

Swarlz 19.08.14 в 17:34

Свету с большей длинной волны (или свет с меньшей частотой) не удавалось делать вещи, которые достигались светом с более короткой длинной волны (свет с большей частотой).

Swarlz 19.08.14 в 17:47

Планк создал пропорциональную зависимость между энергией и частотой.

Swarlz 19.08.14 в 17:47

Эйнштейн снова сделал то, в чем он был лучшим — он взял математику по номиналу и последовательно применял ее.

Irina73 20.08.14 в 18:42

В результате у высокочастотного света была более высокая энергия фотонов, таким образом, он смог передать достаточно энергии электрону чтобы высвободить его.

Irina73 20.08.14 в 19:01

У низкочастотных фотонов не хватает энергии, чтобы помочь какому либо электрону сбежать.

Irina73 20.08.14 в 19:03

У фотонов должна была быть энергия выше определенного порога, чтобы выбить свободные электроны.

Irina73 20.08.14 в 19:04

Рисунок 7-2:

Irina73 20.08.14 в 19:05

Фотоэффект возникает, когда свет сталкивается с металлической пластиной, вызывая высвобождение электронов.

Irina73 21.08.14 в 15:25

Точно так же вторая проблема невлияния интенсивности света на скорость электрона также решена квантовой точкой зрения Эйнштейна на свет.

Irina73 21.08.14 в 15:28

Энергия каждого фотона основана на его частоте (или длине волны), так увеличение интенсивности света не изменяет энергию каждого фотона; оно только увеличивает общее число фотонов.

Irina73 21.08.14 в 15:30

Вот почему увеличение интенсивности заставляет испускаться больше электронов, но каждый электрон сохраняет ту же скорость.

Irina73 21.08.14 в 15:33

Отдельный фотон выбивает электрон с той же самой энергией что и прежде, но больше фотонов проделывают ту же работу.

Irina73 21.08.14 в 15:35

Ни один электрон не получает выгоду от увеличения интенсивности.

Irina73 21.08.14 в 15:35

Исходя из принципа, что скорость света постоянна (основа его специальной теории относительности), Эйнштейн знал, что эти фотоны всегда будут двигаться с одинаковой скоростью.

Irina73 21.08.14 в 15:37

Их энергия будет пропорциональна частоте света, на основе определений Планка.

Irina73 21.08.14 в 15:38