Фотоны

На основе результатов теории фотоэффекта А. Эйнштейн предложил гипотезу, что излучение не только излучается и поглощается квантами, но распространяется в пространстве тоже квантами. Квант электромагнитного излучения соответствует порции (части) электромагнитной энергии, которую позднее химик Гилберт Льюис предложил назвать фотоном (1926 г.).

С учётом этого названия формулу Эйнштейна для фотоэффекта:

или

можно трактовать так: энергия фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение электрону кинетической энергии.

Замечание. В многофотонных процессах для выхода электрона требуется несколько фотонов. В этом случае уравнение Эйнштейна примет вид

или ,

где N – число фотонов.

Замечание. В отличие от внешнего фотоэффекта внутренний фотоэффект – это переход электрона в новое состояние с более высоким уровнем энергии.

Вальтер Боте в 1925 году провёл опыт, подтверждающий существование квантов излучения (фотонов). Схема опыта такова: тонкая металлическая фольга облучалась слабым рентгеновским излучением. По обе стороны от фольги стояли газоразрядные счётчики для регистрации излучения от фольги. По классической теории излучение фольги должно представлять собой сферические волны, распространяющиеся во все стороны. Следовательно, оба счётчика должны одновременно зарегистрировать эту волну. Если же под действием рентгеновского излучения фольга испускает кванты, движущиеся в разных направлениях, то счётчики срабатывали бы не одновременно. Оказалось, что моменты регистрации волн у обоих счётчиков не совпадали. Т.е. излучение состоит из квантов (фотонов).

Энергия фотона зависит от частоты. Т.к. при переходе к другой движущейся системе отсчёта частота, вообще говоря, меняется, то и энергия фотона должна меняться.

Из результатов, полученных в СТО, следует, что при переходе из одной системы отсчёта К в другую систему К¢ (которая движется в направлении сигнала – оси Х), частота сигнала меняется следующим образом: , поэтому энергия фотона тоже меняется: . Но законы преобразования энергии и импульса (вдоль направления движения – оси Х) в СТО имеют вид . Откуда следует, что для импульса фотона справедливо соотношение: . Инвариантной величиной при переходе от одной системы отсчёта к другой является соотношение между энергией, импульсом и массой покоя: . Для фотона , поэтому его масса покоя должна быть равна нулю: . Фотон всегда движется со скоростью света – его нельзя остановить, поэтому говорить об его массе покоя нельзя.

Из соотношения следует, что или . Если движение фотона описать волновым вектором , где волновое число , то вектор импульса фотона можно записать в виде: .

Такие явления как интерференция и дифракция света свидетельствуют о волновой природе света. Фотоэффект свидетельствует, что свет является потоком частиц (корпускул). Таким образом, свет обнаруживает корпускулярно-волновой дуализм – в одних явлениях он ведёт как волны, а в других как набор частиц.

Рассмотрим явление, в котором одновременно проявляются и волновые и корпускулярные свойства света.

Дата добавления: 2014-01-05