Корпускулярные свойства света. Корпускулярно-волновой дуализм свойств света

Гипотеза Планка, блестяще решившая за­дачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта — явления, открытие и исследование которо­го сыграло важную роль в становлении квантовой теории. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внеш­ним фотоэлектрическим эффектом (фото­эффектом)называется испускание элек­тронов веществом под действием элек­тромагнитного излучения. Внешний фото­эффект наблюдается в твердых, а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэф­фект обнаружен (1887 г.) Г. Герцем, на­блюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.

Первые фундаментальные исследова­ния фотоэффекта выполнены русским уче­ным А. Г. Столетовым. При изучении вольт-амперных харак­теристик разнообразных материалов при различных часто­тах падающего на катод излучения и раз­личных энергетических освещенностях ка­тода и обобщения полученных данных были установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

-При фиксирован­ной частоте падающего света число фото­электронов, вырываемых из катода в еди­ницу времени, пропорционально интенсив­ности света (сила фототока насыщения пропорциональна осве­щенности катода).

- Максимальная начальная ско­рость (максимальная начальная кинети­ческая энергия) фотоэлектронов не за­висит от интенсивности падающего све­та, а определяется только его частотой n, а именно линейно возрастает с увели­чением частоты.

- Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т. е. ми­нимальная частота n₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет лю­бой и нтенсивности фотоэффекта не вызы­вает.

- Фотоэффект безынерционен.

Явление фотоэффекта полностью не­объяснимо с позиций волновой теории света.

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 n не только испускается, как это предпола­гал Планк, но и распространя­ется в пространстве и поглощается ве­ществом отдельными порциями (кванта­ми), энергия которых e₀=hn. Эти 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 А из металла и на со­общение вылетевшему фотоэлектрону ки­нетической энергии mv²_max/2. По закону сохранения энергии,

 

 

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Наиболее полно корпускулярные свойст­ва света проявляются в эффекте Комп­тона. Американский физик А. Комптон, исследуя в 1923 г. рассея­ние монохроматического рентгеновского излучения веществами с легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучени­ем первоначальной длины волны наблюда­ется также излучение более длинных волн. Опыты показали, что разность Dl=l' - l не зависит от длины волны l падающего излучения и природы рассеивающего ве­щества, а определяется только величиной угла рассеяния q:

Dl =l'-l= Λ(1- соsq) = 2Λsin²(q/2),

излуче­ния, Λ — комптоновская длина волны

Эффектом Комптонаназывается упру­гое рассеяние коротковолнового электро­магнитного излучения (рентгеновского и g-излучений) на свободных (или сла­босвязанных) электронах вещества, со­провождающееся увеличением длины во­лны.

Объяснение эффекта Комптона возможно на основе квантовых представлений о при­роде света. Если считать, что излучение представля­ет собой поток фотонов, то эффект Комп­тона — результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества (для легких ато­мов электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать сво­бодными). В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с за­конами их сохранения.

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц — налетающего фотона, обладающего импульсом p_g=hn/c и энергией e_g=hn, с покоящимся свобод­ным электроном (энергия покоя W₀ = m₀c²; m₀—масса покоя электрона). Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения (рассеивается). Уменьшение энергии фотона означает уве­личение длины волны рассеянного излуче­ния. Пусть импульс и энергия рассеянного фотона равны p'_g=hn'/c и e'_g=hn'. Электрон, ранее покоившийся, приобретает им­пульс p_e=mv, энергию W=mc² и при­ходит в движение — испытывает отдачу. При каждом таком столкновении выпол­няются законы сохранения энергии и им­пульса.

Наличие в составе рассеянного излуче­ния «несмещенной» линии (излучения пер­воначальной длины волны) можно объяс­нить следующим образом. При рассмотре­нии механизма рассеяния предполагалось, что фотон соударяется лишь со свободным электроном. Однако если электрон сильно связан с атомом, как это имеет место для внутренних электронов (особенно в тяже­лых атомах), то фотон обменивается энер­гией и импульсом с атомом в целом. Так как масса атома по сравнению с массой электрона очень велика, то атому переда­ется лишь ничтожная часть энергии фото­на. Поэтому в данном случае длина волны l' рассеянного излучения практически не будет отличаться от длины волны l падаю­щего излучения.

Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например прото­нах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий.

Рассмотренные явления внешнего фотоэффекта и эф­фекта Комптона служат доказательст­вом квантовых (корпускулярных) пред­ставлений о свете как о потоке фотонов. С другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, убедительно подтверждают волно­вую (электромагнитную) природу света. Давление и преломление света объясняются как волновой, так и кванто­вой теориями. Таким образом, электромаг­нитное излучение обнаруживает удиви­тельное единство, казалось бы, взаимо­исключающих свойств — непрерывных (во­лны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга, то есть свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом.

Свет, обладая одновременно корпускуляр­ными и волновыми свойствами, обнаружи­вает определенные закономерности в их проявлении. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона и тем труднее обна­руживаются квантовые свойства света (с этим связано, например, существование «красной границы» фотоэффекта). Наобо­рот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются волновые свойства света (например, волновые свойства (дифрак­ция) рентгеновского излучения обнаруже­ны лишь после применения в качестве диф­ракционной решетки кристаллов).