Gaismas kvanti

Gaismas kvants ir vienā reizē atoma izstarotā viena viļņu enerģijas porcija. Gaismas avota atomi vienlaicīgi izstaro daudz šādu porciju, kas veido kopējo avota starojumu.

Gaismai ir gan viļņa, gan daļiņu īpašības. Abas šīs īpašības var izpausties reizē. Gaismu izstaro gaismas avotā esošie atomi, taču šī starošana notiek ar pārtraukumiem. Katru izstaroto enerģijas porciju var uzlūkot kā kustībā esošu daļiņu.

Gaismas kvantu enerģija ir atkarīga no starojuma frekvences, kuru var aprēķināt pēc sakarības: $E=h\nu$, kur

$\nu$ — starojuma frekvence, Hz

$h$ — Planka konstante, J·s

Planka konstante $h\approx 6,62607015\cdot 10^{-34}$J·s ir viena no mikropasaules fundamentālajām (pamata) konstantēm.

Fotona enerģija

Gaismas kvantiem piemīt enerģija un šie kvanti lielā daudzumā nemitīgi bombardē apkārt esošus priekšmetus. Tomēr viena gaismas kvanta enerģija ir ļoti niecīga, tāpēc redzamu seku šīm sadursmēm nav. Tomēr ir situācijas, kad fotonu triecieni ir jāņem vērā. Elektronu izsišanu, no metālu virsmas, triecienu rezultātā sauc par fotoefektu.

Fotoefekts

Fotoefektu pirmais izskaidroja Alberts Einšteins (par to saņāma Nobela prēmiju). Enerģijas nezūdamības likumu, kas uzrakstīts fotoefektam, sauc par Einšteina vienādojumu:

$h\nu =A+{\frac {mv^{2}}{2}}$, kur

$A$ — elektronu izejas darbs, J

$v$ — elektrona ātrums pēc izsišanas, m/s

Dažādu krāsu gaismai ir dažādas frekvences, piemēram, sarkanajai krāsai ir mazāka frekvence nekā zilajai krāsai. Līdz ar to, arī sarkanās krāsas gaismas fotoniem ir mazāka enerģija, nekā zilās krāsas gaismas fotoniem. Kvanti raksturo dažāda viļņa garuma elektromagnētiskajam starojumam. Līdz ar to, ka atšķiras viļņu garumi, atšķiras arī elektromagnētisko starojumu kvantu enerģija. Fotoefektu spēcīgi ietekmē divas krītošās gaismas īpašības : gaismas kvanta enerģija un krītošās gaismas intensitāte. Gaismas stiprumu var aprēķināt pēc formulas

$I={\frac {\Phi }{\Omega }}$, kur

$\Phi$ — gaismas plūsma, lm

$\Omega$ — telpas leņķis, sr

Mazākam gaismas stiprumam atbilst mazāks daļiņu skaits, kas laika vienībā triecas pret virsmu. Pieaugot gaismas stiprumam, pieaug arī fotoefekta apmēri.

Fotoefektā liela nozīme ir tam, cik lielu efektu spēj radīt viens gaismas kvants. Mainot viļņa garumu no mazāka uz lielāku, būs tāds viļņa garums, pie kura fotoefekts vairs nenotiek. Maksimālo viļņa garumu, pie kura vēl notiek fotoefekts, sauc par fotoefekta sarkano robežu.

Fotoefektu iedala divos veidos: iekšējais un ārējais.

Ārējais fotoefekts

Ārējais fotoefekts par tādu tiek saukts tādēl, ka rezultāts ir novērojams ārpus materiāla. Fotoefekts, kas norisinās gaismas vilnī, arī ir ārējais fotoefekts.

Iekšējais fotoefekts

Par iekšējo fotoefektu sauc tādu, kuram fotoefekta rezultātā izmaiņas notiek pašā materiālā. Iekšējais fotoefekts notiek materiālos, kuriem nav brīvo elektronu. Ja šos materiālus apstaro ar elektromagnētisko starojumu, tad fotoni var izsist elektronus no vietas. Tādā veidā materiālam paaugstinās elektrovadītspēja.

Kur izmanto fotoefektu?

Fotoefektu var izmantot, lai pastiprinātu vāju signālu, piemēram, elektromagnētiskajam starojumam, ko izstaro atomi un molekulas. Šāda signāla pastiprināšanai tiek izmantota arī Geigera skaitītājos, kas mēra radiācijas līmeni.