Kann die Quantentheorie des Lichts die Menschheit weiterbringen?

Das Jahr 1905 wird von Physikern auf der ganzen Welt als das Wunderjahr bezeichnet, weil der legendäre Wissenschaftler Alber Einstein in diesem einen Jahr vier Veröffentlichungen veröffentlichte, die die Physik, die wir heute kennen, prägten.

Einer der wichtigsten Durchbrüche von Einstein im Jahr 1905 war die Quantentheorie des Lichts, die postulierte, dass Licht aus kleinen Teilchen, den sogenannten Photonen, besteht und diese Quantenteilchen die Fähigkeit haben, wellenähnliche Eigenschaften zu zeigen.

Von der Lasertechnologie bis zum Fernsehbildschirm gibt es verschiedene Erfindungen, die ohne das Wissen der Quantentheorie des Lichts niemals möglich gewesen wären, sie hat nicht nur den Bereich der verändert.Quantenmechanik beeinflusste aber auch verschiedene andere Wissenschaftszweige.

Prinzipien, die zur Quantentheorie des Lichts führten

Wissenschaftler begannen bereits ab dem 17.

Korpuskulartheorie

Vorgeschlagen von Sir Isaac Newton, argumentierte diese Theorie gegen Christiaan Huygens' Theorie, dass Licht aus Wellen besteht, indem sie stattdessen andeutetedass die Die geometrische Natur der Reflexion und Brechung von Licht könnte nur erklärt werden, wenn Licht aus Teilchen besteht. Er bezeichnete diese Teilchen als Korpuskeln. Newton schlug dies vor jedes Mal, wenn Lichtstrahlen auf eine Oberfläche treffen, werden Korpuskeln zurückreflektiert und dass die Dichte eines Mediums die Lichtgeschwindigkeit beeinflusst.

Huygens-Prinzip und die Wellentheorie des Lichts

Im Gegensatz zu Newton argumentierte der niederländische Mathematiker Christiaan Huygens, dass Licht aus Wellen besteht, die sich senkrecht zur Lichtrichtung ausbreiten. Er erklärte weiter, dass jeder Punkt, auf den eine Lichtstörung trifft, zu einer Quelle der Welle wirdselbst. Eine neue Welle wird dann durch die Summe der Sekundärwellen bestimmt, die aus der Störung resultieren. Huygens' Prinzip wurde 1678 eingeführt, um die Reflexion und Brechung durch Lichtstrahlen zu erklären.

Viele Jahre später, im Jahr 1801, führte der britische Wissenschaftler Thomas Young sein „Doppelspaltexperiment“ durch, das Huygens Erkenntnisse über das wellenartige Verhalten von Licht bestätigte.

In Youngs Experiment wurde ein Lichtstrahl einer einzelnen Quelle in zwei Strahlen aufgespalten, und die beiden Strahlen wurden dann rekombiniert und auf einem Bildschirm überlagert, was zu einem Muster aus hellen und dunklen Rändern führte der Bildschirm. Young kam zu dem Schluss, dass die Streifen aus der Tatsache resultieren, dass bei der Rekombination der Strahlen ihre Spitzen und Täler nicht in Phase waren. Wenn zwei Spitzen zusammenfallen, verstärken sie sich gegenseitig und es entsteht eine Lichtlinie; wenn eine Spitze und aDurch das Zusammenfallen heben sie sich gegenseitig auf und es entsteht eine dunkle Linie.

Die Bildung der resultierenden Welle oder des Interferenzmusters durch die Überlagerung zweier Wellen wurde als Interferenz bezeichnet.

Das Doppelspaltexperiment lieferte Beweise im Gegensatz zu Newtons Korpuskulartheorie und war der erste praktische Beweis der Wellentheorie des Lichts. Thomas Young erwähnte das Experiment in Vorlesung 39 seines berühmten Buches Ein Kurs mit Vorlesungen über Naturphilosophie und die mechanischen Künste.

In den folgenden Jahren bestätigten auch die Erkenntnisse des französischen Ingenieurs August Fresnel zur Beugung, den Phänomenen, aufgrund derer sich Licht ausbreitet, wenn es durch eine enge Öffnung geleitet wird, die Relevanz des Doppelspaltexperiments.

Elektromagnetismus und Quantentheorie

James Clerk Maxwell formulierte die Theorie, dass sich elektrische und magnetische Felder mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und kam zu dem Schluss, dass Licht eine elektromagnetische EM Welle ist. Er sagte auch das Vorhandensein der zahlreichen EM-Wellen voraus, die das elektromagnetische Spektrum bilden.

Nach Maxwells Wellentheorie des Lichts:

𝜈 = c/λ

wo,
𝜈 = Frequenz
c = Lichtgeschwindigkeit
λ = Wellenlänge

Später, 1886, baute Heinrich Hertz ein Funkengassender bestehend aus einer Induktionsspule und einem Leydener Gefäß einem Kondensator, um elektromagnetische Wellen zu erzeugen, und einer Funkenstrecke zwischen zwei Messingkugeln, um sie zu erkennen. Mit diesem Gerät entdeckte er Radiowellen die sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiteten.Das Experiment von Hertz bewies die Existenz von EM-Wellen, die von Maxwell vorgeschlagen wurden.

Im Jahr 1900 postulierte Max Planck, dass Lichtenergie in Form von kleinen Energiepaketen, den sogenannten Quanten, emittiert wird und dass die Energie jedes Quants direkt proportional zu seiner Frequenz ist. Planck erhielt 1918 den Nobelpreis für seine Arbeiten, die auch die Weichen für die Entwicklung der Quantenmechanik stellten.

Welle-Teilchen-Dualität des Lichts

Die Vorstellung, dass Licht wie Materie auch in Form von Teilchen und Welle existiert, wurde von Einstein und weiter erklärt.Louis De Broglie.

Photoelektrischer Effekt

Die Emission von Photoelektronen von einer Metalloberfläche beim Auftreffen von Licht auf das Metall wird photoelektrischer Effekt genannt. Die dabei freigesetzten Elektronen werden Photoelektronen genannt und ihre Emission wird durch die Frequenz des einfallenden Lichtstrahls beeinflusst.

Der photoelektrische Effekt wurde erstmals 1887 von Heinrich Hertz vorgeschlagen, der das Auftreten elektrischer Ladung in einer Kathodenstrahlröhre beobachtete, wenn UV-Licht auf die Kathode traf. 1897 führte der Physiker JJ Thomson eine Kathodenstrahlröhren-Experiment, was zur Entdeckung von führteElektronen. Thomson schlug auch das Plum-Pudding-Modell des Atoms vor, bei dem negativ geladene Elektronen wie Rosinen in einen positiv geladenen "Plum-Pudding" eingebettet waren.

Der photoelektrische Effekt wurde ausführlich von erklärtAlbert Einstein im Jahr 1905, als er vorschlug, dass Licht aus winzigen Teilchen besteht, die Photonen früher Quanten genannt genannt werden, mit der Energie eines Photons als

E∝𝜈
E = h𝜈 Planck-Gleichung oder
E = hc/λ

hier,
E = Energie eines Photons
h = Plancksche Konstante 6.626 × 10-34m2kg/s
𝜈 = Frequenz des einfallenden Lichts
λ = Wellenlänge des Lichts
c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

Die minimale Energiemenge, die ein Elektron benötigt, um die Metalloberfläche zu verlassen, wird als Schwellenenergie bezeichnet, und der minimale Wert der Lichtfrequenz, der ausreicht, um die Photoemission eines Elektrons zu bewirken, wird als Schwellenfrequenz bezeichnet.

Φ = h𝜈_d

Φ = hc/λ_d

hier,
Φ = Schwellenenergie
𝜈_d = Schwellenfrequenz
λ_th= Schwellenwellenlänge

Der photoelektrische Effekt folgt dem Energieerhaltungssatz, der besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann. Die Energie eines Photons ist gleich der Summe der Energie, die zur Emission eines Elektrons erforderlich ist, und der kinetischen Energie des emittierten Elektrons.

h𝜈 = W + E

hier,

h = Plankenkonstante
𝜈= Frequenz des einfallenden Photons.
W = Austrittsarbeit die minimale Photonenenergie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus einer Substanz freizusetzen
E = maximale kinetische Energie der ausgestoßenen Elektronen 1/2 mv².

Der photoelektrische Effekt bestätigte nicht nur die Teilchennatur des Lichts, sondern verstärkte auch die Möglichkeit, dass Photonen als Welle wirken da Einsteins Gleichung sowohl Frequenz als auch Wellenlänge umfasst. 1921 wurde Albert Einstein für seine außergewöhnliche Arbeit der Nobelpreis für Physik verliehenan der photoelektrische Effekt und die Quantentheorie des Lichts.

De Broglie-Wellenlänge

De Broglie vertrat die Idee, dass Licht wellenartige Eigenschaften wie Frequenz und Wellenlänge aufweist und die duale Natur kein Sonderfall, sondern die grundlegende Natur der Lichtenergie ist.

Er kombinierte Einsteins spezielle Relativitätstheorie mit Plancks Energiegleichung, um die Wellennatur des Lichts im Jahr 1924 aufzudecken.

E = mc²

E =h𝜈

mc² = h𝜈

mc = h𝜈/c = p

hier,
p = Impuls

Nun wissen wir, dass Frequenz und Wellenlänge eine inverse Beziehung haben und

λ=c/f

p = h/λ

λ = h/p = h/mv

hier,
λ = De-Broglie-Wellenlänge
v = Teilchengeschwindigkeit

In seiner Theorie erklärte De Broglie, dass λ = h/mv demonstriert die Wellennatur von Teilchen. Er kam zu dem Schluss, dass, wenn eine Welle Teilchenverhalten zeigen kann, ein Teilchen Photon auch die Eigenschaften einer Welle aufweisen kann.

Bedeutung der Quantentheorie des Lichts in der modernen Welt

Mehr als 100 Jahre sind vergangen, seit uns die Quantentheorie des Lichts vorgestellt wurde, aber selbst heute ist diese Theorie so relevant, dass viele moderne Entdeckungen und Erfindungen auf ihrem zugrunde liegenden Wissen basieren.

• Wellenoptik ist ein Wissenschaftszweig, der aus der Quantentheorie des Lichts hervorgegangen ist und sich mit Beugung, Interferenz und Polarisation von Licht befasst.Mikroskopie, eine Anwendung der Wellenoptik, ermöglicht es uns, Objekte zu sehen, die mit bloßem Auge nicht zu sehen sind. Viele wichtige Entdeckungen in Bezug auf Mikroorganismen, Körperzellen, Proteinstruktur wären ohne die Theorien der Wellenoptik nicht möglich gewesen.
• Der in Fernsehern, Taschenrechnern, Digitaluhren und LCD-Monitoren verwendete LCD-Bildschirm Liquid Crystal Display kombiniert ein elektrisches Feld mit Lichtenergie, um Bilder zu erzeugen. Während optische Discs wie CDs und DVDs Laserstrahltechnologie verwenden, um Daten digital zu speicherndieser Innovationen basieren auf dem Prinzip der Interferenz.
• Hologramm-Technologie befindet sich noch in der Entwicklung und hat das Potenzial, die virtuelle Welt in die Realität umzusetzen. Diese aufregende digitale Technologie der nächsten Generation basiert auf Beugung und einer Anwendung der wellenartigen Eigenschaft des Lichts. Beugung ist auch das Kernprinzip dahinter Spektroskopie, eine Technik, die verwendet wird, um die in verschiedenen Himmelskörpern gefundenen Elemente zu erkennen.
• Die Quantentheorie des Lichts wird auch verwendet, um das Auftreten verschiedener Phänomene wie Photolyse, Röntgenbeugung, Biolumineszenz usw. zu erklären.Neuere Forschung zeigt, dass ein besseres Verständnis der Quanteneigenschaften von Licht zu weiteren Entwicklungen in Bereichen wie Energy Harvesting, Quanteninformation und Kryptographie führen könnte.

Von der Kosmologie bis zum Hologramm, unser Verständnis von Licht hat die Welt auf vielfältige Weise verändert.