Fotonu enerģija

Apskatīt video Khan Academy platformā: Khan AcademyPhoton energy

Transkripts:
00:01
- Mēs esam aplūkojuši gaismu kā vilni,
00:03
un attēlojam to kā nepārtraukta viļņa modeli,
00:06
kur svārstās elektriskais un magnētiskais lauks,
00:09
kas izplatās noteiktā virzienā.
00:11
Un kāpēc gan mums to neuzskatīt par vilni?
00:14
Ja to izlaiž caur mazu spraugu,
00:16
šis elektromagnētiskais starojums izplatītos,
00:20
notiktu difrakcija, un tā viļņi izplatās.
00:22
Vai arī, ja ļauj tam pārklāties ar sevi pašu,
00:25
ja kādā apgabalā ir vilnis,
00:27
un tas precīzi sakrīt
00:29
ar citu elektromagnētisko vilni,
00:32
tu iegūtu konstruktīvo interferenci.
00:33
Ja viļņi nav vienā fāzē, veidojas destruktīvā interference.
00:37
Tāda ir viļņu daba.
00:38
Kāpēc gan lai mēs nesauktu elektromagnētisko starojumu par vilni?
00:43
Un tā domāja visi.
00:44
Bet 1800. gadu beigās un 1900. gadu sākumā
00:48
fiziķi atklāja ko šokējošu.
00:51
Viņi atklāja, ka gaisma,
00:53
kā arī viss elektromagnētiskais starojums,
00:55
var uzrādīt arī daļiņām līdzīgu uzvedību.
00:58
Un es nedomāju tikai lokalizētu kādā telpas reģionā.
01:03
Viļņus var lokalizēt.
01:04
Ja tu šeit palaid viļņu impulsu,
01:10
tas jau būs diezgan labi norobežots.
01:13
Kad tas pārvietojas šeit cauri, tas
01:15
izskatīsies gandrīz kā daļiņa.
01:16
Tas nav gluži tas, ko mēs domājam.
01:18
Mēs domājam ko daudz iespaidīgāku.
01:20
Mēs domājam ko citu – fiziķi atklāja,
01:23
ka gaisma un gaismas daļiņas
01:25
var nodot tikai noteiktu enerģijas daudzumu,
01:30
tikai diskrētas enerģijas porcijas.
01:34
Ir noteikta enerģijas porcija, ko gaisma var nodot,
01:37
ne mazāk par to.
01:39
Tāpēc to sauc par kvantu mehāniku.
01:43
Tu esi dzirdējis par kvantu lēcienu.
01:45
Kvantu mehānika nozīmē diskrētu lēcienu, ne mazāk par to.
01:50
Un kā mēs saucam šīs gaismas daļiņas?
01:52
Mēs tās saucam par fotoniem.
01:55
Kā mēs tos zīmējam?
01:56
Tas ir nedaudz sarežģītāk.
01:58
Mēs tagad zinām, ka gaisma var uzvesties kā vilnis un kā daļiņa,
02:02
tāpēc mēs dažreiz meklējam kompromisu.
02:04
Dažreiz to attēlo šādi,
02:05
kur tas ir kaut kas līdzīgs viļņveida daļiņai.
02:08
Tātad te ir fotons, un te vēl viens fotons.
02:11
Būtībā, tā ir problēma.
02:13
Tā ir galvenā problēma ar viļņu-daļiņu duālismu,
02:17
kā to sauc.
02:18
Fakts, ka gaisma un, ja tā padomā, viss pārējais
02:21
var parādīt viļņiem līdzīgas īpašības,
02:25
un var parādīt daļiņām līdzīgas īpašības,
02:27
tam nav klasiska analoga.
02:30
Mēs savā prātā nevaram iztēloties neko, ko jebkad būtu redzējuši,
02:33
kas spētu to darīt, kas spētu uzvesties gan kā vilnis,
02:37
gan kā daļiņa.
02:39
Tātad būtībā ir neiespējami
02:40
uzzīmēt kādu vizuālu attēlojumu.
02:44
Bet tomēr ir labi, ja varam attēlot, uzzīmēt.
02:46
Tāpēc mēs zīmējam fotonus šādi.
02:47
Un tas, ko es te saku, ir –
02:49
ja tev šeit būtu detektors,
02:51
kas varētu mērīt saņemto gaismas enerģiju,
02:55
no kāda gaismas avota, tad –
02:58
ja šis detektors būtu pietiekami jutīgs,
03:01
tu vai nu nesaņemtu gaismas enerģiju, vai detektētu vienu lēcienu,
03:07
vai atkal nesaņemtu enerģiju, vai, hop, tu absorbētu vēl vienu fotonu.
03:10
Tu nevarētu iegūt neko pa vidu.
03:13
Ja kvantu lēciens būtu trīs enerģijas vienības...
03:16
Es vēl negribu nosaukt konkrētu mērvienību, bet, teiksim,
03:19
tu varētu absorbēt trīs enerģijas vienības,
03:21
ja tas būtu šī fotona enerģijas daudzums,
03:24
ja šie fotoni nestu trīs enerģijas vienības,
03:27
tu varētu vai nu neabsorbēt enerģiju vispār,
03:30
vai arī absorbēt visas trīs.
03:32
Tu nevari absorbēt pusi no tās.
03:35
Tu nevari absorbēt vienu vai divas enerģijas vienības.
03:39
Tu varētu absorbēt vai nu visu, vai neko.
03:42
Tāpēc tā ir kvantu mehānika.
03:44
Tu iegūsti šo gaismas diskrēto uzvedību,
03:47
kas daļiņai līdzīgā veidā nodod vai nu visu savu enerģiju,
03:50
vai arī vispār neko.
03:51
Cik daudz enerģijas?
03:53
Tam mums ir formula.
03:55
Viena fotona enerģijas daudzums
03:59
tiek noteikts ar šo formulu.
04:01
Un pirmais tajā ir Planka konstante.
04:04
h ir burts, ko mēs lietojam Planka konstantei,
04:07
reiz f.
04:08
Tas arī viss.
04:09
Tā ir vienkārša formula.
04:10
f ir frekvence.
04:11
Kas ir Planka konstante?
04:13
Planks būtībā bija kvantu mehānikas tēvs.
04:18
Planks bija pirmais, kurš izdomāja,
04:20
kas šī konstante ir, un ierosināja,
04:22
ka gaisma var nodot savu enerģiju tikai diskrētās porcijās.
04:26
Planka konstante ir ārkārtīgi maza; tā ir
04:30
6,626 reiz 10 mīnus 34. pakāpē džoulsekundes.
04:41
10 mīnus 34. pakāpē?
04:42
Fizikā nav daudz citu tik mazu skaitļu.
04:46
Reizināts ar frekvenci – šī ir parastā frekvence.
04:50
Tātad frekvence, svārstību skaits sekundē,
04:53
mēra hercos.
04:55
Tagad mēs varam mēģināt izdomāt,
04:56
kāpēc fiziķi to nekad iepriekš neatklāja.
04:59
Un iemesls ir – Planka konstante ir tik maza,
05:03
līdz ar to šo fotonu enerģija ir ārkārtīgi maza.
05:07
Šī diskrētā enerģijas daudzuma "graudainība",
05:10
ir tik niecīga,
05:12
ka viss izskatās vienmērīgs.
05:14
Tu nespēj pamanīt, ka pastāv vismazākais daudzums.
05:16
Vai vismaz to ir ļoti grūti pamanīt.
05:17
Tā vietā, lai teiktu tikai "trīs vienības",
05:20
būsim konkrētāki.
05:21
Cik liela ir viena violetās gaismas fotona enerģija?
05:31
Violetās gaismas frekvence ir
05:35
7,5 reiz 10 14. pakāpē hercu.
05:40
Ja tu šo skaitli reizini ar Planka konstanti,
05:43
6,626 reiz 10 mīnus 34. pakāpē,
05:47
tu iegūsi, ka viena violetās gaismas fotona enerģija
05:51
ir apmēram 5 reiz 10 mīnus 19. pakāpē džoulu.
05:59
5 reiz 10 mīnus 19. pakāpē,
06:01
tas ir ārkārtīgi maz.
06:03
To ir grūti saskatīt.
06:04
Un to ir grūti pamanīt,
06:05
ja enerģija tiek saņemta šādā diskrētā daudzumā.
06:08
Piemēram,– kā ūdens.
06:09
Es domāju, ūdens tavā izlietnē.
06:11
Ūdens, kas plūst ūdens strūklā, izskatās nepārtraukts.
06:14
Mēs zinām, ka tur patiesībā ir atsevišķas ūdens molekulas,
06:17
un tu varētu atdalīt vai nu tikai vienu ūdens molekulu,
06:20
vai nevienu ūdens molekulu, vai 10 ūdens molekulas.
06:23
Diskrētu daudzumu šo ūdens molekulu.
06:25
Bet to ir tik daudz un tās ir tik mazas,
06:27
ka ir grūti pateikt, ka tas varētu nebūt nepārtraukti.
06:31
Tas pats notiek ar šo gaismu.
06:33
Šī enerģija ir ārkārtīgi maza.
06:35
Katram violetās gaismas fotonam ir ārkārtīgi mazs enerģijas daudzums,
06:38
ko tas dod.
06:39
Piemērs tam, ja tu gribētu zināt, cik tas ir maz.
06:42
Beisbola bumbiņa. Profesionāls beisbola spēlētājs,
06:46
ātri izmetot bumbiņu,
06:47
piešķir tai apmēram 100 džoulu enerģijas.
06:50
Ja tu gribētu zināt, cik daudz šādu fotonu,
06:53
cik daudz šādu violetās gaismas fotonu būtu nepieciešams,
06:55
lai pielīdzinātu vienas beisbola bumbiņas enerģijai,
06:58
kas mesta ar augstākās līgas ātrumu?
07:00
Būtu nepieciešami apmēram divi miljoni triljonu
07:08
šo fotonu, lai pielīdzinātu enerģijai,
07:11
kas ir izmestā beisbola bumbiņā.
07:13
Tāpēc makroskopiskā mērogā mēs to neredzam.
07:17
Praktiski visos nolūkos, cik mums tas rūp,
07:20
makroskopiskā līmenī gaisma būtībā ir nepārtraukta.
07:24
Tā var nodot jebkādu enerģiju,
07:27
jo mērogs šeit ir tik mazs.
07:29
Bet, ja tu paskaties tuvāk,
07:30
gaisma var nodot tikai diskrētus daudzumus.
07:33
Es nedomāju, ka gaisma var nodot tikai
07:36
mazus daudzumus.
07:38
Gaisma var nodot milzīgu enerģijas daudzumu,
07:40
bet tā to dara porcijās.
07:42
Padomā par to šādi...
07:43
Notīrisim tāfeli.
07:45
Padomā par to šādi:
07:46
pieņemsim, ka tev ir detektors, kas reģistrēs,
07:51
cik daudz enerģijas tas absorbē,
07:52
un mēs to attēlosim grafikā.
07:54
Mēs uzzīmēsim grafiku tam, ko šis detektors mērīs,
07:57
enerģijas daudzumu laika vienībā, ko tas mēra.
08:00
Tātad mēs iegūsim enerģijas daudzumu laika vienībā.
08:04
Tu vari absorbēt milzīgu daudzumu enerģijas.
08:07
Un uz detektora, makroskopiskā mērogā,
08:10
tas varētu izskatīties šādi.
08:11
Tu saņem arvien vairāk un vairāk gaismas enerģijas.
08:13
Tu absorbē arvien vairāk un vairāk enerģijas,
08:15
uzkrājot arvien vairāk un vairāk enerģijas.
08:17
Bet es saku, ka mikroskopiski,
08:20
ja tu uz to paskaties,
08:21
notiek tas, ka tu esi absorbējis vienu fotonu šeit.
08:25
Tu absorbē vēl vienu,
08:26
vēl vienu,
08:27
un tad veselu virkni ar tiem.
08:28
Tu turpini absorbēt daudzus šos fotonus.
08:30
Tu vari uzkrāt daudz enerģijas.
08:33
Tas ir labi.
08:34
Vienkārši, ja tu paskatītos pietiekami tuvu,
08:36
tu redzētu šo pakāpenisko modeli,
08:39
kur fotoni tiek absorbēti pa vienam,
08:42
noteikts to skaits.
08:43
Varbūt vienā brīdī tas absorbē trīs,
08:45
citā brīdī — četrus.
08:47
Bet tu nevari absorbēt neko pa vidu.
08:49
Tas nevar būt pilnīgi nepārtraukts.
08:52
Tam ir jābūt diskrētam "viss vai nekas" momentam,
08:57
enerģijas absorbcijai, kas makroskopiskā mērogā
09:00
izskatās gluda, bet mikroskopiskā mērogā ir izcelts
09:04
fakts, ka gaismas enerģija tiek saņemta diskrētās porcijās,
09:09
ko apraksta šis vienādojums,
09:12
kas sniedz atsevišķu gaismas fotonu enerģiju.

Eksperta komentārs

Elektromagnētiskie viļņi ir elektriskā un magnētiskā lauka svārstības, kas izplatās telpā. Tiem piemīt viļņu īpašības, piemēram, difrakcija un interference. Tomēr 20. gadsimta sākumā tika atklāts, ka elektromagnētiskajam starojumam piemīt arī daļiņu īpašības.

Eksperimentāli konstatēts, ka gaisma enerģiju nevar nodot patvaļīgi mazās daļās — tā tiek nodota tikai noteiktās, diskrētās porcijās, ko sauc par enerģijas kvantiem. Šīs gaismas daļiņas dēvē par fotoniem. Tādējādi elektromagnētiskajam starojumam piemīt duāla daba: tas izpaužas gan kā vilnis, gan kā daļiņa.

Video tiek izmantots iedomāts ļoti jutīgs detektors, lai ilustrētu kvantu dabu. Šāds detektors uzrādītu enerģijas reģistrāciju lecienveidā: noteiktos laika momentos enerģija tiek uztverta, bet starp tiem — nē. Nebūtu iespējams reģistrēt pusi vai trešdaļu no šīs enerģijas, jo enerģijas kvants ir nedalāms.

Tiek skaidrots, kā aprēķināt viena fotona enerģiju, izmantojot Planka formulu, un uzsvērts, ka viena fotona enerģija ir ļoti maza. Video parādīts aprēķina piemērs, piemēram, violetai gaismai. Lai gan atsevišķa fotona enerģija ir niecīga, gaismas plūsma kopumā var pārnest lielu enerģijas daudzumu, jo tā sastāv no ļoti daudziem fotoniem.

Grafiski attēlojot detektora reģistrēto enerģiju laikā, kopējā enerģija šķiet pieaugam nepārtraukti, taču, pietiekami palielinot mērogu, redzams, ka enerģijas pieaugums notiek pakāpienos — katrs “pakāpiens” atbilst viena fotona detektēšanai.

Jēdzieni: elektromagnētiskie viļņi, enerģijas kvants, fotons, Planka konstante.