Квантовая биофизика

Давление света, давление, производимое светом на отражающие или поглощающие тела. Давление света впервые было экспериментально открыто и измерено П. Н. Лебедевым (1899). Величина Давление света даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга) ничтожно мала и маскируется в земных условиях побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами, см. Радиометрический эффект), которые могут превышать в тысячи раз величину Давление света Для обнаружения Давление света Лебедев изготовил специальные приборы и проделал опыты, представляющие замечательный пример искусства эксперимента. Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов (платина, алюминий, никель) и слюды (рис. 1). Крылышки подвешивались на тонкой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного сосуда G (рис. 2), из которого выкачивался воздух. На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги В. Перемещение зеркал S1, S4 давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрические силы и обнаружить Давление света на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907—10 Лебедев исследовал Давление света на газы, что было ещё труднее, так как Давление света на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые тела.

Масса и импульс фотона. Давление света.

Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона ε0=hv. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии (см. (m=E/c2)):

Фотон - элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоростью света c и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя.

Импульс фотона получим, если в общей формуле ( ) теории относительности положим массу покоя фотона :

Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. Согласно квантовой теории, давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.

Давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность,

Дифракция электронов — процесс рассеяния электронов на совокупности частиц вещества, при котором электрон проявляет свойства, аналогичные свойствам волны. При выполнении некоторых условий, пропуская пучок электронов через материал можно зафиксировать дифракционную картину, соответствующую структуре материала.

Процесс дифракции электронов получил широкое применение в аналитических исследованиях кристаллических структур металлов, сплавов, полупроводниковых материалов.Дифракция электронов на двух щелях - процесс возникновения на экране или фотопластинке картины аномального распределения освещённости, аналогичной дифракционной картине при дифракции света.

Дифракционная картина - картина возникающая на экране или фотопластинке при размещении между электронной пушкой и экраном препятствия с двумя щелями.

В случае, когда открыта только одна щель, почернение пластинки наблюдается только прямо напротив щели. Когда же открыты обе щели, картина выглядит так, как показано на рисунке, в правой его части.Твёрдо установленным является тот факт, что каждый электрон проходит только через одну щель. Также не подлежит сомнению, что дифракция электронов наблюдается только при обеих открытых щелях и, является не зависимой от частоты пролёта электронов сквозь щели.

Дифракция электронов представляет собой сочетание результатов трёх физических процессов.

1. Попадание электронов в экран строго за щелями, и соответствующее потемнение экрана..

2. Возникновение волн Де Бройля при пролёте сквозь щели электронов.

3. Дифракция возникающих из-за пролёта электронов волн Де Бройля и появление соответствующей этому картины потемнения фотопластинки (подробности на странице электромагнитные волны - определения, описания и свойства).

Квантовая механика объясняла дифракцию электронов возниковением неопределённости в угле отклонения электрона, при пролёте им сквозь щель. Ранее мы показали, что никакой неопределённости здесь нет. Если Вы поняли объяснения даваемые на страницах дифракция и интерференция, то и в понимании процесса дифракции электронов у Вас не должно возникнуть затруднений.

Волны де Бройля – волны, связанные с любой движущейся материальной частицей. Любая движущаяся частица (например, электрон) ведёт себя не только как локализованный в пространстве перемещающийся объект - корпускула, но и как волна, причём длина этой волны даётся формулой = h/р, где h = 6.6.10-34 Дж.сек – постоянная Планка, а р – импульс частицы. Эта волна и получила название волны де Бройля (в честь французского физика-теоретика Луи де Бройля, впервые высказавшего гипотезу о таких волнах в 1923 г.). Если частица имеет массу m и скорость v << с (с – скорость света), то импульс частицы р = mv и дебройлевская длина волны связаны соотношением = h/mv.

Волновые свойства макроскопических объектов не проявляются из-за малых длин волн. Так для тела массой 200 г, движущегося со скоростью 3 м/сек, длина волны 10-31 см, что лежит далеко за пределами наблюдательных возможностей. Однако для микрочастиц длины волн лежат в доступной наблюдению области. Например, для электрона, ускоренного разностью потенциалов 100 вольт, длина волны 10-8 см, что соответствует размеру атома.

ФотометриЯ, раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны ок. 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. На рис. 1 представлен график, построенный по данным этой таблицы, причем на нем указаны интервалы длин волн, соответствующие цветам солнечного спектра. Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.

Фотометрические величины - сила света, освещенность, световой поток, яркость, коэффициент пропускания и коэффициент отражения.

Кандела (кд). Кандела - единица силы света; основная единица системы СИ. Кандела равна силе света в заданном направлении источника с точно установленными параметрами.

Коэффициент пропускания. Коэффициент пропускания - отношение потока излучения, вышедшего из слоя вещества, к потоку падающего на него излучения.

Люкс (лк). Люкс - в СИ - единица освещенности; освещенность, создаваемая световым потоком 1 лм, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 кв.м.

Люмен (лм). Люмен - в СИ - единица измерения светового потока. Люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником света 1 кд в телесном угле, равном 1 ср.

Освещенность. Освещенность - величина светового потока, падающего на единицу поверхности. Освещенность измеряется в люксах.

Светимость - величина светового потока, испускаемого единицей поверхности. Единицами светимости являются люкс и фот.

Световой поток - полное количество света, проходящее через некоторую поверхность в единицу времени. Единицей светового потока является люмен.

Сила света - интенсивность светового потока, приходящаяся на единицу телесного угла (стерадиан).

Фотоэффект - испускание электронов веществом при поглощении им квантов эл.-магн. излучения (фотонов). Ф. был открыт Г. Герцем (G. Hertz) (1887). Открытие и исследование Ф. сыграло важную роль в эксперим. обосновании квантовой теории. Только на основе гипотезы о квантовании энергии эл.-магн. поля, проявляющемся в процессах испускания и поглощения света, А. Эйнштейну (1905) удалось объяснить осн. закономерности Ф.: независимость макс. кинетич. энергии фотоэлектронов от интенсивности света, линейную зависимость от его частоты со и существование граничной (мин.) частоты w0 (пороговой энергии ) Ф.

Свободный электрон не может поглотить фотон, т. к. при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и импульса р. Это видно уже из того, что для оптич. перехода свободного электрона из состояния , p1 в состояние , р2 в отсутствие 3-го тела (конденсир. среды, атома или рассеянного фотона) законы сохранения энергии и импульса , p2-p1=/c несовместимы ни при какой скорости электрона u<c. В конденсир. среде связь электрона с окружением характеризуется работой выхода Ф. Согласно ур-нию Эйнштейна, кинетич. энергия фотоэлектрона . При темп-ре T=0 К и не очень высокой интенсивности света, когда многофотонные процессы практически отсутствуют, Ф. возникает только при >=Ф. По установившейся терминологии, Ф. в конденсир. среде наз. фотоэлектронной эмиссией, а переход электрона из одного из связанных состояний в атоме или молекуле в непрерывный спектр наз. Фотоионизацией.

Законы фотоэффекта. Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света.

Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v0(или максимальная длина волны y0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v<v0 , то фотоэффект уже не происходит.

Первый закон объяснён с позиции электромагнитной теории света: чем больше интенсивность световой волны, тем большему количеству электронов будет передана достаточная для вылета из металла энергия. Другие законы фотоэффекта противоречат этой теории.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов( фотонов) с энергией hv каждый ( h-постоянная Планка). При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл:

Hv=A+mv2 / 2 , где

mv2 -максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. Она может быть определена:

mv2/2=eU 3 .

U 3 - задерживающее напряжение.

Ур-е Эйнштейна. А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет частотой v не только испускается, как это предполагал Планк (см. § Формулы Рэлея – Джинса и Планка), но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε0=hv. Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода A из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии:

Уравнение называется уравнением Эйнштейна дня внешнего фотоэффекта.

Фотобиологические процессы происходят в результате воздействия света на организм. Важнейшими Ф. п. у растений являются фотосинтез (синтез органических молекул за счет энергии солнечного света), фототаксис (движение организмов, например бактерий, к свету или от света), фототропизм (поворот листьев или стеблей растений к свету или от света), фотопериодизм (регуляция суточных и годовых циклов жизни путем циклических воздействий свет — темнота).

У человека и животных к Ф. п. относят зрение, фотопериодизм и др. У животных фотопериодически регулируются сезонные и годичные ритмы роста, размножения, запасания жира, линек, миграций и т.д. Под действием Уф-излучения происходит образование в организме витамина D из провитаминов. Пигментация кожи (загар) — защитный Ф. п., приводящий к образованию меланина.

Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн.

Для возникновения люминесценции требуется, следовательно, какой-либо источник энергии, отличный от равновесной внутренней энергии данного тела, соответствующий его температуре.

Как следует из самого определения, понятие люминесценции относится не к отдельным излучающим атомам или молекулам, а и к их совокупностям – телам. Элементарные акты возбуждения молекул и испускания света могут быть одинаковыми в случае теплового излучения и люминесценции. Различие состоит лишь в относительном числе тех или иных энергетических переходов.

Физическая природа люминесценции состоит в излучательных переходах электронов атомов или молекул из возбуждённого состояния в основное. При этом причиной первоначального их возбуждения могут служить различные факторы: внешнее излучение, температура,химические реакции и др.

Вещества, имеющие делокализованные электроны (сопряжённые системы), обладают самой сильной люминесценцией. Антрацен, нафталин, белки, содержащие ароматические аминокислоты и некоторые простетические группы, многие пигменты растений и в частности хлорофилл, а также ряд лекарственных препаратов обладают ярко выраженной способностью к люминесценции. Органические вещества, способные давать люминесцирующие комплексы со слабо люминесцентными неорганическими соединениями, часто используются в люминесцентном анализе.