Общая химия/Введение в квантовую теорию

Введение в квантовую теорию

Введение в квантовую механику

В конце 19 века многие физики считали, что они достигли большого прогресса в физике, и не нужно было открывать ничего большего. Классическая физика в то время была широко принята в научном сообществе. Однако к началу 20 века физики обнаружили, что законы классической механики нарушаются в атомном мире, а такие эксперименты, как фотоэлектрический эффект, полностью противоречат законам классической физики. В результате этих кризисов физики начали строить новые законы физики, которые будут применяться к атомному миру; эти теории будут известны как «квантовая механика». Квантовая механика в некотором смысле полностью изменила взгляд физиков на вселенную, а также ознаменовала конец идеи часового механизма вселенной (идеи о том, что вселенная предсказуема).

Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение (ЭИ) — это «форма энергии, которая иногда действует как волна, а иногда как частица». Видимый свет — хорошо известный пример. Все формы ЭИ имеют два обратно пропорциональных свойства: длину волны и частоту. Длина волны — это расстояние от одного пика волны до другого, которое можно измерить в метрах. Частота — это количество пиков волны, наблюдаемых в данной точке в течение секунды. Единица измерения частоты — герц.

Поскольку длина волны и частота обратно пропорциональны, их произведение (умножение) всегда равно константе — в частности, 3,0 x 10⁸ м/с, обозначенной буквой c, которая более известна как скорость света. Это соотношение математически записывается как $c=\lambda f$ , где греческая буква λ (лямбда) представляет длину волны, а буква $f$ представляет частоту.

Длина волны и частота любого конкретного появления ER определяют его положение на электромагнитном спектре.

Как вы можете видеть, видимый свет составляет лишь малую часть спектра.

Энергия одной частицы электромагнитной волны (называемой фотоном) определяется как $E=hf$ , где $h$ — постоянная Планка, а $f$ — частота. Энергия прямо пропорциональна частоте — удвоение частоты удвоит энергию.

Открытие кванта

Файл:Фотоэлектрический эффект в твердом теле - diagram.svg

Когда фотоны ударяются о металл, электроны освобождаются. Фотоэлектрический эффект зависит только от частоты света, а не от интенсивности, что противоречит волновому поведению.

До сих пор мы обсуждали только волновые характеристики энергии. Однако волновая модель не может объяснить то, что известно как фотоэлектрический эффект. Этот эффект наблюдается, когда свет, сфокусированный на определенных металлах, по-видимому, вызывает испускание электронов. (Фотоэлектрические или солнечные панели работают по этому принципу.)

Для каждого металла было обнаружено, что существует минимальная частота электромагнитного излучения, которая необходима для того, чтобы он испустил электроны. Это противоречило более ранней мысли о том, что энергия света связана только с его интенсивностью. Согласно этой теории, эффект света должен быть кумулятивным - тусклый свет должен постепенно накапливаться, пока не вызовет испускание электронов. Вместо этого существует четко обозначенный минимум «частоты» света, который вызывает испускание электронов.

Из этого следует, что энергия света связана с частотой, и, кроме того, что она «квантована», то есть она переносит «пакеты» энергии в дискретных количествах. Эти пакеты чаще называют «фотонами». Это наблюдение привело к открытию минимального количества энергии, которое может быть получено или потеряно атомом. Макс Планк назвал это минимальное количество «квантом», множественное число «кванты», что означает «сколько». Один фотон света переносит ровно один квант энергии.