Valgusnähtusi, mida laineteooria ei seleta
Kõiki siiani käsitletud optilisi nähtusi sai seletada valguse lainemudeli abil. Laineoptika esimene tõeline raskus tekkis 19. sajandi lõpul, kui Saksa füüsik Heinrich Hertz uuris raadiolainete tekitamist elektrisädeme abil. Ta pani tähele, et elektrisäde tekkis paremini, kui elektroode valgustati. Nähtusele seletust anda ta ei osanud. Selle efekti edasisel uurimisel tehti kindlaks, et valgus vabastab metallist elektrone. Nähtust, mida nimetatakse fotoefektiks, uurisid mitmed füüsikud, kuid valguse laineteooriast seletust leida ei õnnestunud.
Sama saatus tabas teadlasi, kes 20. saj algul püüdsid teoreetiliselt kirjeldada hõõguvate kehade kiirgusspektrit. Ka siin osutus laineteooria jõuetuks, veelgi enam, jõuti absurdsete tulemusteni. Nimelt tuli välja, et kuumad kehad peaksid kiirgama põhiliselt ultravalgust ja ainult natukene sinist või violetset valgust. Sellise seletuse kohaselt peaks näiteks 1000 °C kuumutatud rauatükk helenduma sinakalt-violetselt, aga mitte punakas-oranžilt.
Valgus kui energiakvandid
Hüpotees valguse kiirgumisest portsjonite, kvantide kaupa
Niisugune ilmne vastuolu tegelikkuse ja teooria vahel näitas, et hõõguvate kehade kiirgusomadusi ei saagi seletada valguse laineteooria abil. Raskusest väljapääsemiseks loobus Saksa füüsik Max Planck ettekujutusest, et valguslained kiirguvad aatomeist pidevalt nagu helilained pillikeelest. Ta püstitas 1900. a hüpoteesi, mille kohaselt valgus ei kiirgu aatomeist lainena, vaid energiaportsjonite, kvantide kaupa. Valguse kvanti hakati nimetama footoniks (kr phos – valgus).
Seos valguskvandi, footoni energia ja valguslaine sageduse vahel
Planck ühendas valguse lainelist olemust kirjeldava suuruse, sageduse f, valgusosakese (footoni) energiaga E:
E = hf,
kus h on konstant, h = 6,6 · 10–34 J · s. Seda konstanti tuntakse Plancki konstandina.
Kvantfüüsika tekkimine
See kvanthüpotees võimaldas teoreetiliselt kirjeldada kehade soojuskiirgust. Plancki tuletatud valem hõõguvate tahkiste kiirgusspektri jaoks ühtis hästi katsetest saadud tulemustega. Kvanthüpotees osutus viljakaks ja heas kooskõlas olevaks hilisemate uurimustega aatomi ehitusest ja optikast. Plancki tööd panid aluse nüüdisaegsele kvantfüüsikale. Selle eest määrati talle 1918. a Nobeli füüsikapreemia. Järgnevas käsitlemegi mõningaid nähtusi, mis seletuvad valguse kvantmudeli abil. Enamikku kvantoptika nähtusi ei ole võimalik palja silmaga jälgida, nagu difraktsiooni või dispersiooni. Nende nähtavaks tegemiseks tuleb kasutada mitmesugust füüsikalist aparatuuri.
Ülesanded
1. Valguse footonite energiavahemik
Vihje
Vastus.
2. Kiirguskvandi energia
Vastus.
3. Kvante ruutmeetri kohta
Vihje
Vastus. valguskvanti.
4. Klaasis leviva valguse lainepikkus
Vastus. nm.
5.* Valguse energia ja liik
4 · 10–19 J? | |
6 · 10–20 J? | |
3 · 10–18 J? |
?
- Mis juhtuks kehaga, kui ta pidevalt valgust kiirgaks, aga energiat juurde ei saaks?
- Kas footoni energia on suurem punasel või rohelisel valgusel?
🌈 Oluline
- Valgust võib kirjeldada kui valguskvantide, footonite voogu.
- Footoni energia on määratud seosega E = h · f.
