Какъв е химическият ефект на светлината?

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 17:41

Днес ще ви разкажем какъв е химическият ефект на светлината, как това явление се прилага сега и каква е историята на неговото откриване.

Светлина и тъмнина

Цялата литература (от Библията до съвременната художествена литература) използва тези две противоположности. Освен това светлината винаги символизира добро начало, а тъмнината - лошо и зло. Ако не навлезете в метафизиката и не разберете същността на явлението, тогава основата на вечната конфронтация е страхът от тъмнината или по-скоро от липсата на светлина.

Човешкото око и електромагнитният спектър

Човешкото око е проектирано така, че хората да възприемат електромагнитни вибрации с определена дължина на вълната. Най-дългата дължина на вълната принадлежи на червената светлина (λ=380 нанометра), най-късата – виолетовата (λ=780 нанометра). Пълният спектър на електромагнитните трептения е много по-широк, а видимата му част заема само малка част. Човек възприема инфрачервените вибрации с друг сетивен орган – кожата. Тази част от спектъра хората познават като топлина. Някой може да види малко ултравиолетово (помислете за главния герой във филма "Planet Ka-Pax").

Основен каналинформацията за човек е окото. Следователно хората губят способността си да преценяват какво се случва наоколо, когато видимата светлина изчезне след залез слънце. Тъмната гора става неконтролируема, опасна. А там, където има опасност, има и страх, че някой непознат ще дойде и ще „захапе бурето“. Страшните и зли същества живеят в тъмното, но милите и разбиращи същества живеят в светлината.

Скала на електромагнитните вълни. Част първа: Ниски енергии

Когато разглеждаме химическото действие на светлината, физиката означава нормално видимия спектър.

За да разберете какво е светлината като цяло, първо трябва да говорите за всички възможни варианти за електромагнитни трептения:

1. Радиовълни. Дължината на вълната им е толкова дълга, че могат да обикалят Земята. Те се отразяват от йонния слой на планетата и носят информация на хората. Тяхната честота е 300 гигахерца или по-малко, а дължината на вълната е от 1 милиметър или повече (в бъдеще - до безкрайност).
2. Инфрачервено лъчение. Както казахме по-горе, човек възприема инфрачервения диапазон като топлина. Дължината на вълната на тази част от спектъра е по-висока от тази на видимата - от 1 милиметър до 780 нанометра, а честотата е по-ниска - от 300 до 429 терахерца.
3. Видим спектър. Тази част от цялата скала, която човешкото око възприема. Дължина на вълната от 380 до 780 нанометра, честота от 429 до 750 терахерца.

Скала на електромагнитните вълни. Част втора: Високи енергии

Вълните, изброени по-долу, имат двойно значение: те са смъртоносниопасни за живота, но в същото време без тях биологичното съществуване не би могло да възникне.

1. UV радиация. Енергията на тези фотони е по-висока от тази на видимите. Те се доставят от нашето централно светило, Слънцето. А характеристиките на излъчването са следните: дължина на вълната от 10 до 380 нанометра, честота от 310¹⁴ до 310^{16 херца.}
2. Рентгенови лъчи. Всеки, който има счупени кости, е запознат с тях. Но тези вълни се използват не само в медицината. И техните електрони излъчват с висока скорост, която се забавя в силно поле, или тежки атоми, в които електрон е изтръгнат от вътрешната обвивка. Дължина на вълната от 5 пикометра до 10 нанометра, честотни диапазони между 310¹⁶-610^{19 херца.}
3. Гама радиация. Енергията на тези вълни често съвпада с тази на рентгеновите лъчи. Техният спектър се припокрива значително, различава се само източникът на произход. Гама лъчите се произвеждат само от ядрени радиоактивни процеси. Но за разлика от рентгеновите лъчи, γ-лъчението е способно на по-високи енергии.

Дадохме основните раздели на скалата на електромагнитните вълни. Всеки от диапазоните е разделен на по-малки секции. Например, често могат да се чуят "твърди рентгенови лъчи" или "вакуумни ултравиолетови". Но самото това разделение е условно: доста е трудно да се определи къде са границите на единия и началото на друг спектър.

Светлина и памет

Както вече казахме, човешкият мозък получава основния поток от информация чрез зрението. Но как да запазите важни моменти? Преди изобретяването на фотографията (в това участва химическото действие на светлинатапроцес директно), човек може да запише впечатленията си в дневник или да повика художник да нарисува портрет или картина. Първият начин греши на субективността, вторият - не всеки може да си го позволи.

Както винаги случайността помогна да се намери алтернатива на литературата и живописта. Способността на сребърния нитрат (AgNO_{3) да потъмнява във въздуха е отдавна известна. Въз основа на този факт е изградена снимка. Химическият ефект на светлината е, че енергията на фотоните допринася за отделянето на чистото сребро от неговата сол. Реакцията в никакъв случай не е чисто физическа.}

През 1725 г. немският физик И. Г. Шулц случайно смесва азотна киселина, в която е разтворено среброто, с тебешир. И тогава също случайно забелязах, че слънчевата светлина потъмнява сместа.

Последват редица изобретения. Снимките бяха отпечатани върху мед, хартия, стъкло и накрая върху пластмасово фолио.

Експериментите на Лебедев

Казахме по-горе, че практическата необходимост от запазване на изображения доведе до експерименти, а по-късно и до теоретични открития. Понякога се случва обратното: вече изчислен факт трябва да бъде потвърден чрез експеримент. Фактът, че фотоните на светлината са не само вълни, но и частици, учените отдавна са се досетили.

Лебедев построи устройство, базирано на торсионни везни. Когато светлината падна върху плочите, стрелката се отклони от позиция "0". Така беше доказано, че фотоните предават импулс на повърхности, което означава, че упражняват натиск върху тях. И химическото действие на светлината има много общо с това.

Както Айнщайн вече показа, масата и енергията са едно и също. Следователно, фотонът, "разтваряйки се" в веществото, му придава неговата същност. Тялото може да използва получената енергия по различни начини, включително за химически трансформации.

Нобелова награда и електрони

Вече споменатият учен Алберт Айнщайн е известен със своята специална теория на относителността, формула E=mc2 и доказателство за релативистични ефекти. Но той получи главната награда на науката не за това, а за друго много интересно откритие. Айнщайн доказа в поредица от експерименти, че светлината може да „издърпа” електрон от повърхността на осветено тяло. Това явление се нарича външен фотоелектричен ефект. Малко по-късно същият Айнщайн открива, че има и вътрешен фотоелектричен ефект: когато електрон под въздействието на светлината не напуска тялото, а се преразпределя, той преминава в лентата на проводимост. И осветеното вещество променя свойството на проводимост!

Полетата, в които се прилага това явление са много: от катодни лампи до "включване" в полупроводниковата мрежа. Животът ни в съвременния му вид би бил невъзможен без използването на фотоелектричния ефект. Химическият ефект на светлината само потвърждава, че енергията на фотона в материята може да се преобразува в различни форми.

Озонови дупки и бели петна

Малко по-високо казахме, че когато химичните реакции протичат под въздействието на електромагнитно излъчване, се подразбира оптичният обхват. Примерът, който искаме да дадем сега, надхвърля това.

Наскоро учени от цял свят алармираха: над Антарктидаозоновата дупка виси, тя непрекъснато се разширява и това определено ще свърши зле за Земята. Но след това се оказа, че всичко не е толкова страшно. Първо, озоновият слой над шестия континент е просто по-тънък, отколкото другаде. Второ, колебанията в размера на това петно не зависят от човешката дейност, те се определят от интензитета на слънчевата светлина.

Но откъде изобщо идва озонът? И това е просто светлинно-химическа реакция. Ултравиолетовите лъчи, които слънцето излъчва, се срещат с кислород в горните слоеве на атмосферата. Има много ултравиолетови лъчи, малко кислород и е разреден. Над само открито пространство и вакуум. А енергията на ултравиолетовото лъчение е способна да разбие стабилните O₂ молекули на два атомни кислорода. И тогава следващият UV квант допринася за създаването на връзката O_{3. Това е озон.}

Озоновият газ е смъртоносен за всички живи същества. Той е много ефективен при убиване на бактерии и вируси, които се използват от хората. Малка концентрация на газ в атмосферата не е вредна, но е забранено да се вдишва чист озон.

И този газ много ефективно абсорбира ултравиолетовите кванти. Следователно озоновият слой е толкова важен: той предпазва жителите на повърхността на планетата от излишък на радиация, която може да стерилизира или убие всички биологични организми. Надяваме се, че сега е ясно какъв е химическият ефект на светлината.