Энергия квантаУ всех классических механических волн (в жидкостях, газах и твердых
телах) главный параметр, определяющий энергию волны, — это ее амплитуда
(точнее, квадрат амплитуды). В случае света амплитуда определяет
интенсивность излучения. Однако при изучении явления фотоэффекта —
выбивания светом электронов из металла — обнаружилось, что энергия
выбитых электронов не связана с интенсивностью (амплитудой) излучения, а
зависит только от его частоты. Даже слабый голубой свет выбивает
электроны из металла, а самый мощный желтый прожектор не может выбить из
того же металла ни одного электрона. Интенсивность определяет, сколько
будет выбито электронов, — но только если частота превышает некоторый
порог. Оказалось, что энергия в электромагнитной волне раздроблена на
порции, получившие название квантов. Энергия кванта электромагнитного
излучения фиксирована и равна
E = hν,
где h = 4·10-15 эВ·с = 6·10-34 Дж·с —
постоянная Планка, еще одна фундаментальная физическая величина,
определяющая свойства нашего мира. С отдельным электроном при
фотоэффекте взаимодействует отдельный квант, и если его энергии
недостаточно, он не может выбить электрон из металла. Давний спор о
природе света — волны это или поток частиц — разрешился в пользу
своеобразного синтеза. Одни явления описываются волновыми уравнениями, а
другие — представлениями о фотонах, квантах электромагнитного
излучения, которые были введены в оборот двумя немецкими физиками —
Максом Планком и Альбертом Эйнштейном.
Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это
внесистемная единица измерения энергии. Один электрон-вольт (1 эВ)
равен энергии, которую приобретает электрон, когда разгоняется
электрическим полем напряжением 1 вольт. Это очень небольшая величина, в
единицах системы Си 1 эВ = 6·10-18 Дж. Но в масштабах атомов и молекул электрон-вольт — вполне солидная величина.
От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить
определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе
характеризуются пороговой энергией — если отдельные кванты несут меньшую
энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать
надпороговый процесс.
Немного забегая вперед, приведем примеры. Энергии СВЧ-квантов хватает
для возбуждения вращательных уровней основного
электронно-колебательного состояния некоторых молекул, например воды.
Энергии в доли электрон-вольта хватает для возбуждения колебательных
уровней основного состояния в атомах и молекулах. Этим определяется,
например, поглощение инфракрасного излучения в атмосфере. Кванты
видимого света имеют энергию 2–3 эВ — этого достаточно для
нарушения химических связей и провоцирования некоторых химических
реакций, например, тех, что протекают в фотопленке и в сетчатке глаза.
Ультрафиолетовые кванты могут разрушать более сильные химические связи, а
также ионизировать атомы, отрывая внешние электроны. Это делает
ультрафиолет опасным для жизни. Рентгеновское излучение может вырывать
из атомов электроны с внутренних оболочек, а также возбуждать колебания
внутри атомных ядер. Гамма-излучение способно разрушать атомные ядра, а
самые энергичные гамма-кванты даже внедряются в структуру элементарных
частиц, таких как протоны и нейтроны.
ИСТОЧНИК - http://elementy.ru
|