De Hertz a Einstein: el efecto fotoeléctrico es testigo del desarrollo de la mecánica cuántica
La mecánica cuántica tiene solo una historia de más de cien años desde su nacimiento, pero es como una bestia, rompiendo toda la comprensión de la física clásica de un solo golpe y convirtiéndose en la mayor teoría física de la historia de la humanidad. La ciencia también ha avanzado a pasos agigantados debido al desarrollo de la mecánica cuántica. Si miramos hacia atrás en la historia, el fantasma de la mecánica cuántica se liberó después del descubrimiento del efecto fotoeléctrico. Se puede decir que el descubrimiento del efecto fotoeléctrico abrió la puerta a la mecánica cuántica, y luego Einstein explicó con éxito la teoría cuántica con la teoría cuántica. La teoría del efecto fotoeléctrico dio a la gente una nueva comprensión de la teoría cuántica, y el descubrimiento y explicación del efecto fotoeléctrico también reflejó el desarrollo de la teoría cuántica, que es de gran importancia para el desarrollo de la teoría cuántica.
En términos sencillos, el efecto fotoeléctrico es el fenómeno de la emisión de electrones cuando un haz de luz incide sobre una superficie metálica. Este fenómeno es muy extraño. Originalmente, los electrones están unidos por átomos en la superficie del metal, pero lo extraño es que una vez que son iluminados por una cierta cantidad de luz, estos electrones comienzan a inquietarse y quieren separarse de los átomos. correr por todas partes. Debido a que los protagonistas de este fenómeno son los "dos hermanos mayores" de la luz y los electrones, lo llamamos efecto fotoeléctrico.
Lo más interesante es que este efecto fotoeléctrico es bastante travieso. No significa que mientras la luz brille sobre la superficie del metal, los electrones podrán lograrlo, sino que también requiere la exposición a la luz. .
Se ha descubierto que para el mismo metal en las mismas condiciones, el hecho de que la energía luminosa pueda expulsar electrones de la superficie del metal depende de la frecuencia de la luz (luz visible, de luz violeta a luz azul y luz verde). De luz amarilla a luz roja, la frecuencia disminuye gradualmente, siendo la luz violeta la frecuencia más alta y la luz roja la frecuencia más baja). Lo que es aún más sorprendente es que la luz con una frecuencia más alta puede impactar a los electrones con mayor energía, mientras que la luz con una frecuencia más baja no puede impactar a los electrones en absoluto.
Entonces alguien pensó: "Entonces, ¿qué pasa si lo golpeamos con una luz de baja frecuencia muy fuerte (luz roja), o con una luz de alta frecuencia muy débil (luz violeta)? Resulta que los electrones ¿qué Lo que importa es la frecuencia, no la intensidad. Incluso la luz más fuerte de baja frecuencia no puede alcanzar medio electrón, y la luz de alta frecuencia más débil puede alcanzar un electrón. Pero en el caso de la luz de alta frecuencia, cambiar la intensidad de la luz puede cambiar. el impacto. El número de electrones en la superficie del metal.
Resumen: Cuando una cierta cantidad de luz incide sobre una superficie del metal, la superficie del metal puede emitir electrones. Este es el efecto fotoeléctrico. en la misma superficie del metal depende de la frecuencia de la luz más que de la intensidad.
Heinrich Hertz fue un brillante físico alemán que fue instruido por los grandes Kirchhoff y Helmholtz en el campo del electromagnetismo. contribución, y la unidad de frecuencia Hertz (hz) lleva su nombre. El encuentro accidental entre Hertz y el efecto fotoeléctrico comenzó con las ecuaciones de Maxwell y las ondas electromagnéticas.
El gran Maxwell introdujo el campo eléctrico de Gauss en el siglo XIX. La ley, la ley del campo magnético de Gauss, la ley de inducción electromagnética de Faraday y la ley de Ampere de Maxwell (ley de corriente completa) se resumen en las cuatro ecuaciones de Maxwell. Describe que los cambios en los campos magnéticos producen campos eléctricos, los cambios en los campos eléctricos producen campos magnéticos y. Predice teóricamente la existencia de ondas electromagnéticas. Antes de que el hombre unificara sin precedentes la electricidad y el magnetismo.
Sin embargo, Maxwell solo demostró teóricamente la existencia de ondas electromagnéticas, pero no demostró realmente la existencia de ondas electromagnéticas. Fue el turno de uno de los protagonistas de este artículo, el Sr. Hertz, quien demostró la existencia de ondas electromagnéticas en su laboratorio y coronó la construcción del electromagnético. Sin embargo, fue durante el experimento que demostró la existencia de ondas electromagnéticas. Hertz abrió accidentalmente la puerta. La puerta a la mecánica cuántica, se descubrió la existencia del efecto fotoeléctrico.
En el experimento de Hertz para demostrar la existencia de ondas electromagnéticas, Hertz descubrió que cuando la luz incide sobre un receptor de metal, Las chispas eléctricas aparecen más fácilmente. Este fenómeno es la versión original del efecto fotoeléctrico. Pero este fenómeno no atrajo suficiente atención por parte de Hertz. Mencionó este fenómeno en su artículo, pero no lo estudió detenidamente. oportunidad de estudiarlo. 36. Lo que Hertz no se dio cuenta fue que su descubrimiento en realidad abrió la puerta a la mecánica cuántica.
A menudo se piensa que si Hertz hubiera vivido más tiempo, el desarrollo de la mecánica cuántica habría sido más rápido.
Hablando de Einstein, lo que la gente quizás más haya escuchado es la teoría especial de la relatividad y la teoría general de la relatividad, y la explicación del efecto fotoeléctrico es el trabajo clásico de Einstein, por el cual Einstein ganó el Premio Nobel. Premio Bell de Física.
Como se mencionó anteriormente, en el efecto fotoeléctrico, la luz electrónica solo reconoce la frecuencia de la luz, no la intensidad de la luz. En aquella época, la luz era una onda y la intensidad de la onda representaba energía. Tenemos razones para pensar que cuanto mayor es la intensidad y la energía, más fácil es sacar electrones de las órbitas en las que están unidos por átomos. Pero, de hecho, si la frecuencia de la luz es baja, no importa cuán fuerte sea la intensidad, no puede eliminar los electrones. En otras palabras, la frecuencia de la luz determina si los electrones pueden eliminarse y la intensidad de la luz determina el número. de electrones que son eliminados. Esto preocupó a los científicos de la época y los desconcertó hasta que surgió el genio Einstein.
El enfoque de Einstein para resolver este problema fue algo diferente al de otros. Tomó prestada la hipótesis cuántica del Sr. Planck (Planck supuso que un cuerpo negro no es continuo al absorber o emitir energía, sino que divide la energía en partes. que son iguales a la constante de Planck multiplicada por la frecuencia, y dividen esta parte de energía (llamada cuanto)
Cuanto mayor es la frecuencia, más fácil es golpear un electrón; de un solo cuanto es igual a la constante de Planck h multiplicada por la frecuencia v. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía de un solo cuanto.
En un instante, Einstein descubrió de repente algo. Cuanto mayor era la frecuencia. , cuanto mayor es la energía de un solo cuanto. Entonces, ¿qué pasa si la luz no se distribuye continuamente, sino que todo se resuelve en un instante? Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía de un solo cuanto de luz y más fácil. es golpear el electrón, la energía de un solo fotón es mayor que la energía de unión del átomo de metal al electrón, lo que explica por qué la frecuencia determina si el electrón puede ser golpeado. Aumentar la intensidad de la luz equivale a aumentar. el número de fotones; cuantos más fotones, más electrones son impactados, y la intensidad determina el número de electrones que son impactados.
Entonces, Einstein. Basado en esto, el punto de vista escribe una ecuación: el lado izquierdo del signo igual es la energía cinética del electrón expulsado, y el lado derecho del signo igual es la energía de un solo fotón menos la energía mínima requerida para expulsar el electrón.
Cabe señalar que, aunque Einstein explicó con éxito el efecto fotoeléctrico, existen condiciones previas para ello: La hipótesis cuántica de Planck: Aquí Einstein se cuantifica en cuantos de luz. En ese momento, la luz se consideraba una onda, y las ondas eran continuas, mientras que los cuantos eran uno tras otro y eran discontinuos. Este movimiento de Einstein fue sin duda una desviación del sistema original de la física clásica. El desafío es una idea genial. y es una idea aparentemente inimaginable.
De hecho, después de que Planck propusiera la hipótesis cuántica, el propio Planck no creía realmente en lo que era la cuántica. El propio Planck no sabía si existía o no, y Einstein. Usó la teoría cuántica para explicar el efecto fotoeléctrico. Este fue un trabajo pionero. No hay duda de que Einstein explicó con éxito el efecto fotoeléctrico desde la perspectiva de la teoría cuántica. Esta es sin duda una gran afirmación de la exactitud de la mecánica cuántica. >
La exitosa explicación del efecto fotoeléctrico mediante la teoría cuántica ha inyectado una fuerza poderosa en el desarrollo de la mecánica cuántica. Es un desarrollo posterior de la teoría cuántica, y es un hito en el establecimiento de la teoría cuántica. discusiones sobre la mesa de formalización de la teoría cuántica Después de eso, la teoría cuántica entró en un período de rápido desarrollo. Schrödinger y Deb, Heisenberg, Born, tú cantas y yo subimos al escenario, abriendo la edad de oro de la mecánica cuántica.
Referencias:
1 Cao Tianyuan. ¿Dios lanzó los dados? Una perspectiva histórica sobre la física cuántica [M].
2 Conferencias de Mann. sobre Física" [M]. 2000.
3 Zhou Sixian. Tutorial de Mecánica Cuántica, Segunda Edición" [M].
4 Zeng Zhanyan. Mecánica cuántica[M].1990
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