Світлові кванти. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла

План

ФОТОН. КОРПУСКУЛЯРНО - ХВИЛЬОВИЙ ДУАЛІЗМ. ХІМІЧНА ДІЯ СВІТЛА

1.СВІТЛОВІ КВАНТИ. КОРПУСКУЛЯРНО-ХВИЛЬОВИЙ ДУАЛІЗМ СВІТЛА

2.ХІМІЧНА ДІЯ СВІТЛА

У різні часи, пояснюючи природу світла, учені дотримувалися різних поглядів. Одні вважали світло електромагнітною хвилею й обгрунтовано доводили це, посилаючись на явища інтерференції, дифракції і поляризація світла. Інші, прихильники корпускулярної теорії, уявляли світло як потік частинок і також мали вагомі аргументи на підтвердження цього. Так, на підставі корпускулярних уявлень І. Ньютон пояснював прямолінійне поширення і дисперсію світла.

Водночас наприкінці ХIХ ст. завдяки дослідженням Т. Юнга і О. Ж. Френеля, а також поясненню природи світла за допомогою електромагнітної теорії Дж. Максвелла у фізиці склалося переконання, що хвильова теорія спроможна пояснити будь-яке світлове явище. Тому, коли А. Ейнштейн поширив ідею квантування енергії, висловлену М. Планком стосовно теплового випромінювання, на світлові явища, це було сприйнято неоднозначно.

На той час обмежений характер хвильової теорії світла підтверджували також досліди Г. Герца і результати вивчення явища фотоефекту А. Г. Столєтовим. Пізніше, у 1922 р. квантова природа світлового випромінювання була експериментально доведена А. Комптоном під час спостереження розсіювання рентгенівського випромінювання в речовині.

Отже, численні дослідження світлових явищ демонструють неоднозначний прояв властивостей світла: в одних випадках вони засвідчують хвильову природу світла, в інших — виразніше проявляється його корпускулярна придода. Тобто світлу властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм — воно має як безперервні, хвильові-властивості, так і дискретні, корпускулярні. Гіпотезу про подвійну природу світла — корпускулярно-хвильовий дуалізм — уперше висловив А. Ейнштейн.

Загалом корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий не лише світлу, а й усім мікрочастинкам. Так, потік електронів, шо падає на кристал, утворює дифракційну картину, яку можна пояснити лише на основі хвильових уявлень. Тобто електрони, які є елементарними частинками, корпускулами, за певних умов виявляють хвильові властивості. Такі уявлення про матерію покладено в основу квантової теорії. Вона, зокрема, передбачає, що кожній рухомій мікрочастинці, відповідає хвиля де Бройля:

де р — імпульс тіла; h — стала Планка.

Корпускулярну природу світла в сучасній фізиці відтворює поняття світлового кванта, зміст якого окреслив А. Ейнштейн, поширивши гіпотезу Планка на світлове випро-мінювання. За його тлумаченням, світловий квант — це мінімальна порція світлової енергії, локалізована в частинці, яка названа фотоном. Отже, світло з погляду квантової теорії — це потік світлових квантів — фотонів, що рухаються зі швидкістю світла с(3 · 10^{8 м} _с).

Фотону як кванту випромінювання за гіпотезою Планка відповідає енергія ε = hn. Як елементарна частинка він має імпульс р = mс. З урахуванням формули взаємозв'язку маси та енергії ε = mс², його імпульс дорівнює: де l— довжина світлової хвилі.

Довжина хвилі де Бройля електрона, що рухається зі швидкістю
500 ^м _с, дорівнює = 1,5 • 10^-6 м = 1,5 мкм.

Фотон — це елементарна частинка, що характеризує квант світла hn. Фотон — особлива елементарна частинка. Він не має маси спокою (m_o = 0), тобто його не можна зупинити. Справді, якби була така система відліку, в якій він не рухався б, то в такій системі втрачає сенс саме поняття світла, адже не відбувається його поширення. Маса фотона залежить від довжини хилі електромагнітного випромінювання: .

Так, для видимого світла _с = 6 · 10^-7 м його маса дорівнює 3,7 · 10^-36 кг, а для рентгенівського випромінювання _р = 10^-9 м — 2,2 · 10^-33 кг. Маса фотона рентгенівського випромінювання менша за масу електрона (m_е = 9,1 · 10^-31 кг) майже в 500 разів.

Формула (6.2) відтворює наявність у світла одночасно і хвильових, і корпускулярних властивостей. Адже імпульс фотона як динамічний параметр мікрочастинки речовини виражається через частоту або довжину хвилі — величини, властиві випромінюванню. Як з'ясувалося згодом, такий корпускулярно-хвильовий дуалізм притаманний усім без винятку частинкам речовини, але найістотніше їхні хвильові властивості проявляються у мікросвіті, особливо в елементарних частинок.

Хвильова картина спостерігається, коли мають місце потужні потоки мікрочастинок протягом досить тривалого часу.

Коли ж відбувається окремий акт взаємодії мікрочастинки з речовиною, то до уваги беруться її корпускулярні властивості

Квантові уявлення про природу електромагнітного випромінювання дають змогу пояснити низку явищ, де хвильова теорія виявляється безпорадною. Зокрема, це стосується фотоефекту, люмінесценції, фотохімічних реакцій, розсіяння рентгенівського випромінювання в речовині тощо.

ЗАПИТАННЯ

1. Які два вчення про природу світла існують у фізиці? Які світлові явища підтверджують їх?

2. У чому полягає суть гіпотези Планка?

3. Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм світла?

4. У чому полягає суть квантування електромагнітного випромінювання?

5. Охарактеризуйте фотон як світловий квант.

РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ

Приклад. Чи відбудеться фотоефект у разі опромінення цинкової пластинки ультрафіолетовим світлом довжиною хвилі 200 нм? Яку максимальну швидкість можуть мати фотоелектрони при цьому? Робота виходу електрона для цинку дорівнює 4,24 еВ.

Дата добавления: 2014-01-06