Какие электроны поглощают фотоны а какие рассеивают

0

Лекции по оптике и ядерной физике / Фотоны

Фотоэффект. Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно не только изменять значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

При изучении вольтамперных характеристик разнообразных материалов при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода были установлены следующие три закона фотоэффекта.

Из вольтамперной кривой (рис.) видно, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения – все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Таким образом,

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

Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Для отсечки тока нужно приложить задерживающее напряжение . При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему наибольшей при вылете скоростью , не удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Измерив задерживающее напряжение , по формуле можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов. Было выяснено:

II. Максимальная начальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой .

III. Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объяснить, если предположить, что свет поглощается такими же порциями (кванта­ми), какими он, по предположению Планка, испускается. Энергия кванта, по предпо­ложению Эйнштейна, усваивается электроном целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода A, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии переходит в кинетическую энергию электрона. По закону сохранения энергии

. (1) Уравнение (1) называется уравнением Эйнштейна.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III законы фотоэффекта. Из (1) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от интенсивности последнего. В случае, когда работа выхода A превышает энергию кванта , электроны не могут покинуть металл. Следовательно, для возникновения фотоэффекта необходимо выполнения условия или

. (2) Частота называется красной границей фотоэффекта.

Число высвобождаемых фотоэлектронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность квантов света. Вместе с тем энергетическая освещенность определяется количеством квантов света, падающих на единицу поверхности в единицу времени. В соответствии с этим ток насыщения должен быть пропорционален освещенности поверхности

. (3) Эта зависимость также подтверждается экспериментально. Отметим, что лишь малая часть квантов передает свою энергию фотоэлектронам. Энергия остальных кантов затрачивается на нагревание вещества.

Фотоны. Чтобы объяснить распределение энергии в спектре равновесного теплового излучения, достаточно допустить, что свет только испускается порциями . Для объяснения фотоэффекта достаточно предположить, что свет поглощается такими же порциями. Эйнштейн пошел значительно дальше. Он выдвинул гипотезу, что свет и распространяется в виде дискретных частиц. Впоследствии эти частицы получили название фотонов.

Существование фотонов подтверждено экспериментально в опыте Боте. Он показал, что энергия рентгеновских лучей распространяется в виде порций в ту или иную сторону (а не во все стороны одновременно как для электромагнитной волны). Опыт был выполнен при помощи двух счетчиков (рис.), достаточно чувствительных для того, чтобы зарегистрировать действие одного рентгеновского кванта, и достаточно быстро отмечающих его появление. Тоненькая металлическая пленка A, освещаемая сбоку рентгеновскими лучами R, сама становилась источником рентгеновских лучей (рентгеновская флуоресценция). Два счетчика C₁ и C₂ расположены симметрично. Попадание рентгеновского излучения в каждый из них вызывает немедленное срабатывание, что фиксируется на самописце. Опыт совершенно отчетливо обнаружил беспорядочность срабатываний счетчиков, т.е. доказал, что из A летят кванты то в одну, то в другую сторону.

Так как фотон движется со скоростью света в любой инерциальной системе отсчета, то он согласно принципам теории относительности не обладает массой покоя. Энергия фотона определяется его частотой

. Для частиц, не обладающих массой покоя, импульс связан с энергией соотношением . Для фотона получаем

.

Поскольку фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. Рассчитаем с точки зрения квантовой теории световое давление, оказываемое на поверхность тела потоком монохроматического излучения (частота ), падающего перпендикулярно поверхности. Если в единицу времени на единицу площади падает N фотонов, то при коэффициенте отражения  света от поверхности N фотонов отразится, а (1)N – поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс , а каждый отраженный – (при отражении импульс фотона меняет направление). Поэтому давление света

. есть энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени, т.е. энергетической освещенности поверхности, а – объемная плотность энергии излучения. Поэтому

. (4)

Формула (4) совпадает с выражением, получаемым из электромагнитной (волновой) теории Максвелла.

Эффект Комптона. Особенно отчетливо проявляются корпускулярные свойства света в явлении, которое получило название эффекта Комптона. Исследуя рассеяние рентгеновских лучей различными веществами, он обнаружил, что в рассеянных лучах, наряду с излучением первоначальной длины  содержатся также лучи большей длины волны . Разность  оказалась зависящей только от угла  между направлением первичного пучка и рассеянным излучением.

Схема опыта Комптона показана на рис. Узкий пучок монохроматического рентгеновского излучения направлялся на рассеивающее вещество РВ. Спектральный состав рассеянного излучения исследовался с помощью рентгеновского спектрографа, состоящего из кристалла Кр и фотопластинки (или ионизационной камеры) Ф.

Эффект Комптона обусловлен упругим рассеянием рентгеновского излучения на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, которое сопровождается увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.

Все особенности эффекта Комптона можно объяснить на основе квантовых представлений о природе света, рассматривая рассеяние как упругое столкновение рентгеновских фотонов со свободными электронами. При столкновении фотон передает электрону часть энергии и импульса в соответствии с законами сохранения.

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц (рис.) – налетающего фотона, обладающего импульсом и энергией , с покоящимся свободным электроном (энергия покоя , – масса покоя электрона). Согласно закону сохранения энергии

. (5) Согласно закону сохранения импульса

. (6) В формулах (5), (6) p – импульс, а – энергия электрона после столкновения, – энергия, а – импульс рассеянного фотона. Преобразуем (6) к виду

(7) Подставив в (5) и (7) значения величин и обозначив через  угол рассеяния фотона (рис.), получим

, (8) . (9) Решая совместно уравнения (8) и (9), получим

. Поскольку и , получим

/>, (10) где называется комптоновской длиной волны рассматриваемой частицы, в данном случае электрона. Для электрона .

Как эффект Комптона, так и фотоэффект обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором – поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободным или связанным электроном, а фотоэффект – со связанным электроном. Можно показать, что при столкновении фотона со свободным электроном не может произойти поглощение фотона, так как этот процесс противоречит законам сохранения энергии и импульса. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т.е. эффект Комптона.

Корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного излучения. Рассмотренные явления – излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона – свидетельствуют о квантовых (корпускулярных) свойствах света, т.е. свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. С другой стороны, такие явления, как интер­ференция, дифракция и поляризация света, свидетельствуют о волновой природе света. Таким образом, электромагнитное излучение проявляет, казалось бы, взаимоисклю­чающие свойства – свойства волны (непрерывность) и свойства частиц (дискретность).

Ранее были получены соотношения, связывающие корпускулярные свойства электромагнитного излучения (энергия и импульс фотона) с волновыми свойствами (частота и длина волны)

, .

Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, обнаруживает определенные закономерности в их проявлении. Так, волновые свойства света проявляются в процессах, связанных с его распространением: интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона и в меньшей степени проявляются квантовые свойства света (с эти связано, например, существование красной границы фотоэффекта). Наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона и в меньшей степени проявляются волновые свойства света (например, дифракция рентгеновского излучения обнаружена лишь при использовании в качестве дифракционной решетки кристаллов).

С помощью вероятностной (статистической) интерпретации волновой функции можно устранить противоречие между двумя – корпускулярным и волновым – способами описания излучения. Рассмотрим с обеих точек зрения освещенность какой-либо поверхности. Согласно волновым представлениям освещенность в некоторой точке поверхности пропорциональна квадрату светового вектора. С корпускулярной точки зрения освещенность пропорциональна плотности потока фотонов. Следовательно, между квадратом светового вектора и плотностью потока фотонов имеется прямая пропорциональность. Примем, что квадрат светового вектора определяет вероятность попадания фотона в данную точку поверхности

. Таким путем устанавливается взаимосвязь двух способов описания.

Последовательный подход требует отказа от точки зрения на микрочастицу как частицу, движущуюся по определенной траектории и имеющей определенные динамические характеристики. В то же время ее нельзя отождествить с волной или волновым пакетом. Микрочастица является новым – квантовым объектом: при распространении она как бы растворена в некоторой пространственной области, при взаимодействии она коллапсирует и проявляет себя целиком. В настоящее время принята точка зрения, согласно которой не существует какого-либо механизма, предопределяющего место и время проявления частицы. Иными словами вероятност­ный характер поведения является изначальным, внутренним свойством микрочастиц.

Теория атома водорода по Бору

Модели атома Томсона и Резерфорда. Первая попытка создания на основе накопленных экспериментальных данных модели атома принадлежит Дж. Дж. Томсону. Согласно этой модели, атом представляет собой равномерно заполненный положительным электричеством шар радиусом порядка 10 –10 м, внутри которого находится электрон. Суммарный положительный заряд шара равен заряду электрона, так что атом в целом нейтрален. В дальнейшем выяснилась несостоятельность этой модели.

Резерфорд, исследуя прохождение -частиц через вещество (тонкие фольги толщиной примерно 1 мкм), установил, что основная их часть испытывает незначительные отклонения, но некоторые -частицы (примерно одна из 20000) значительно отклоняются от первоначального направления (углы отклонения достигали даже 180). Альфа-частицы возникают при ядерных превращениях и являются ядрами атомов гелия: зарядом 2e и массой примерно 7300m_e. Скорости -частиц при некоторых превращениях бывают порядка 10 7 м/с. Так как электроны не могут существенно изменить движение столь тяжелых и быстрых частиц, то столь сильное отклонение -частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле, которое создается зарядом, имеющим большую массу и сконцентрированном в очень малом объеме. Основываясь на этом выводе, Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели в центре атома расположено тяжелое положительное ядро с зарядом Ze, вокруг которого по замкнутым орбитам движутся Z электронов. Ядро имеет размеры, не превышающие 10 –14 м, и в котором сконцентрирована практически вся масса атома.

Однако с самого начала ядерная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Электрон в атоме движется с ускорением и согласно классической электродинамике он должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Излучение уменьшает энергию электрона, так что он должен достаточно быстро упасть на ядро. Этот результат не соответствует действительности, так как атом является устойчивым образованием. Преодоление возникших трудностей привело к созданию качественно новой – квантовой – теории атома.

Спектр атома водорода. Исследования спектров излучения разреженных газов (т.е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что каждому газу соответствует определенный линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или групп близко расположенных линий. Самым изученным является спектр наиболее простого атома – водорода.

Швейцарский ученый И. Бальмер подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные в то время спектральные линии атома водорода в видимой области спектра

, (11) где R1,1010 7 м –1 – постоянная Ридберга. Так как , то формулу (11) можно записать в виде

, (12) где R2cR2,0710 16 рад/с – называется также постоянной Ридберга.

Спектральные линии, отличающиеся значениями n, образуют группу линий, называемой серией Бальмера. С увеличением n линии серии сближаются; значение n определяют границу серии, к которой со стороны больших частот примыкает сплошной спектр. В дальнейшем в спектре атома водорода было обнаружено еще несколько серий. В ультрафиолетовой области спектра находится серия Лаймана

. В инфракрасной области были также обнаружены серия Пашена

, серия Брэкета и др. Все приведенные выше серии в спектре водорода могут быть описаны одной формулой, называемой обобщенной формулой Бальмера

, (13) где определяет серию, определяет отдельные линии серии.

Функциональный вид сериальных формул, которые сводятся к одной обобщенной формуле (13), свидетельствует о наличии закономерности, объяснить которую в рамках классической физики оказалось невозможным.

Физика. 11 класс

§ 32. Излучение и поглощение света атомом. Спектры испускания и поглощения

Модель атома Бора позволяет описать процессы излучения и поглощения света атомом. Как это происходит? Как фотон «появляется на свет»? Что меняется в атоме после поглощения фотона?

Вследствие того что энергия атома квантована, она характеризуется определенным набором энергетических уровней E_n. Испускание излучения происходит при самопроизвольном переходе атома с высших энергетических уровней E_k на один из низших энергетических уровней E_n (E_k > E_n) Атом излучает фотон (квант электромагнитной энергии) с энергией .

Частота излучения при этом:

Подчеркнем, что наряду с прямым переходом атом может переходить из возбужденного состояния в основное поэтапно, через промежуточные состояния. При этом излучаются соответствующие промежуточным переходам кванты света. Набор таких частот образует линейчатый спектр излучения атома.

Поглощение света — процесс, обратный испусканию. Атом, поглощая фотон h ν _kn = E _n — E _k переходит из низшего k состояния в более высокое n (E_k < E_n) состояние. Частота поглощенного фотона:

Подобные переходы дают линейчатый спектр поглощения атома.

Подчеркнем, что частоты переходов с испусканием и поглощением, происходящие между одними и теми же энергетическими уровнями, совпадают.

Таким образом, спектры атомов позволяют определять изменения энергии атома при испускании или поглощении ими излучения.

Спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Они бывают трех типов: линейчатые, полосатые и сплошные.

Линейчатые спектры имеют все вещества в газообразном атомарном состоянии. Обычно (например, при нормальных условиях) атомы газа находятся в основном состоянии и не излучают света. Если такой газ нагревается, некоторые атомы переходят на более высокие энергетические уровни. Именно эти атомы при переходе в более низкие энергетические состояния и испускают фотоны. В результате атомарные спектры состоят из отдельных узких линий различного цвета, разделенных темными промежутками (рис. 199).

Изучение линейчатых спектров показало, что каждый химический элемент обладает своим строго индивидуальным спектром. Такие спектры отличаются друг от друга цветом отдельных светящихся линий, их положением и числом.

Полосатые спектры имеют газы, состоящие из молекул. Для объяснения молекулярных спектров необходимо принимать во внимание большую сложность структуры молекул. В молекулах, кроме движения электронов, происходят колебательное движение ядер около положения равновесия и вращательное движение молекулы как целого. Согласно квантовой механике энергия всех видов движения может принимать только определенные дискретные значения (квантуется). Полная энергия молекулы определяется тремя видами ее внутренних движений. Электронному, колебательному и вращательному движениям молекулы соответствуют три типа уровней энергии: электронные, колебательные и вращательные. При соединении атомов в молекулы каждый атомный уровень превращается в ряд близких уровней, соответствующих колебательным и вращательным движениям. Так как расстояние между этими уровнями очень мало, особенно в случае вращательных уровней (характерное расстояние между уровнями составляет эВ), то в результате переходов между этими уровнями возникает множество очень близких спектральных линий.

В таких спектрах в отличие от атомных спектров совокупность тесно расположенных спектральных линий образуют полосы, разделенные темными промежутками (рис. 200). Спектры молекул можно использовать для идентификации молекул и их структуры.

Непрерывные (сплошные) спектры имеют нагретые тела, находящиеся в твердом и жидком состоянии, а также газы при высоком давлении и плазма. Вследствие интенсивного взаимодействия между молекулами индивидуальные черты, присущие отдельным частицам, в таких спектрах неразличимы. В них представлены все длины волн, нет темных промежутков и на экране видна сплошная разноцветная полоса (рис. 201).

Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, и в спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, появляются темные линии, или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения (рис. 202).

Так, вещество в газообразном состоянии поглощает наиболее сильно свет тех длин волн, которые оно испускает в нагретом состоянии.

Это означает, что темные линии в спектре поглощения будут находиться как раз в тех местах, где находятся светящиеся линии в спектре испускания данного химического элемента. Эти строго установленные закономерности в линейчатых спектрах дают возможность обнаружить те или иные элементы в данном веществе.

Для определения качественного и количественного состава вещества применяется метод, основанный на получении и исследовании его спектров. Этот метод называется спектральным анализом. Это самый быстрый и простой способ определения состава различных химических соединений.

Спектр поглощения атома водорода при нормальных условиях содержит только одну серию линий, частоты которых находятся в ультрафиолетовой области.

Наиболее изученным спектром поглощения является спектр Солнца. Его сплошной спектр содержит значительное количество черных линий. Эти линии являются линиями поглощения, возникающими при прохождении света через газовую оболочку Солнца и атмосферу Земли. Они получили название фраунгоферовых линий, так как Фраунгофер впервые наблюдал спектр Солнца и установил, что закономерность их расположения не случайна и линии поглощения (темные линии) появляются всегда только на определенных местах.

Основатели спектрального анализа немецкие физики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф, исследуя спектры паров соединений щелочных металлов лития, натрия и калия, обнаружили новые элементы — рубидий и цезий, названные так по цвету наиболее ярких линий в их спектрах. У рубидия — красная линия, у цезия — синяя.
Спектральный анализ базируется на двух основных положениях:
1) каждый химический элемент или химическое соединение характеризуется определенным спектром;
2) интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного элемента в веществе.

К достоинствам спектрального анализа исследования можно отнести:
— высокую чувствительность (обнаруживает элементы с относительной концентрацией , т. е. один атом вещества на сто миллионов других атомов);
— малое время измерения;
— малые количества исследуемого вещества (достаточно г и даже до г) вплоть до возможности детектирования отдельных молекул;
— дистанционность измерений (можно проводить исследования, например, состава атмосферы далеких планет).

По спектрам определяют, из каких химических элементов состоит вещество и в каких количествах.

Белорусский физик академик Михаил Александрович Ельяшевич разработал основы теории колебаний многоатомных молекул и их колебательных спектров. Он внес значительный вклад в теорию спектров редкоземельных элементов и низкотемпературной плазмы.

Фотоны — это импульсы, переносимые частицами эфира!

Последующие вычисления Макса Планка показали, что отношение энергии Е к частоте v для других частот электромагнитных излучений дают ту же самую величину 6•10−34 Джоуль в секунду! На этом основании Планк выдвинул гипотезу, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии («квантов»).

Найденная Максом Планком новая физическая постоянная с величиной энергии 4•10−15 эВ•с или 6•10−34 Дж•с была названа «постоянной Планка». Её буквенное обозначение — h.

Тогда же явление внешнего фотоэффекта сильно заинтересовало начинающего учёного из Германии Альберта Эйнштейна, бывшего патентоведа. Он увидел, что «второй закон фотоэффекта» можно попробовать объяснить с помощью идеи Макса Планка о «квантах». Но, если Планк предположил и доказал, что электромагнитная энергия излучается дискретно, то есть с ростом частоты на 1 Гц (или с уменьшением частоты на 1 Гц) энергия излучения изменяется на микроскопическую фиксированную величину, равную h (4•10−15 эВ•с или 6•10−34 Дж•с), то Эйнштейн сразу заявил о том, что свет и существует только в виде «квантованных порций» энергий, величина которых не h, а произведение константы Планка на частоту излучения, то есть, hv.

Впоследствии это разное понимание Планком и Эйнштейном размеров «порций» электромагнитной энергии привело к тому, что в энциклопедиях стали писать: «…Планк не предполагал, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с частотой излучения выражением: Е = hv».

Таким образом, процесс образования света заключается в том, что электроны испускают электромагнитное излучение в виде «световых квантов» с энергией hv, причём эти «кванты» ведут себя как частицы. А при внешнем фотоэффекте, объяснил А.Эйнштейн, имеет место обратный процесс — электроны поглощают частицеподобные «кванты света» с энергией hv (названные с подачи химика Гилберта Льюиса «фотонами»), и, мол, поэтому энергия вылетающего при фотоэффекте электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения.

За это объяснение «второго закона фотоэффекта» в 1921 году Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике. При этом, введя в науку понятие «квант света» Эйнштейн фактически заполонил физику новыми сущностями, обладающими уникальными характеристиками!

Вдобавок к этому создатели «квантовой механики» — «Эйнштейн и группа поддержки» стали утверждать, что из формулы Е = mc2, которую Эйнштейн выдал за свою находку (хотя эта формула была выведена ранее английским учёным Оливером Хэвисайдом), следует, что электромагнитная энергия Е равна массе m и эквивалента ей! Ведь скорость света — с — в этой формуле константа.

А из формулы Макса Планка Е=hv следовало, что при изменении частоты излучения v пропорционально изменяется величина энергии излучения Е, а это равносильно изменению массы «кванта»!

Вот почему гамма-лучи (имеющие очень короткую длину волны) представлены на этой картинке, которую я нашёл в учебнике физики, размером с пушечное ядро! Раз больше энергии — значит больше масса!

При этом создатели «квантовой механики» заявили, что, создав новую науку, они примирили и объединили корпускулярную и волновую теории света!

И действительно, в физике появился новый термин: «корпускулярно-волновой дуализм» (или «квантово-волновой дуализм»). За этим термином стоит идея, что материальные микроскопические объекты могут при одних условиях проявлять свойства классических волн, а при других — свойства классических частиц. Цитирую энциклопедию: «Идея о «корпускулярно-волновом дуализме» легла в основу квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. В действительности квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, проявляя свойства первых или вторых лишь в зависимости от условий экспериментов, которые над ними проводятся. Корпускулярно-волновой дуализм необъясним в рамках классической физики и может быть истолкован лишь в квантовой механике». (Статья: https://ru.wikipedia.org/wiki/Корпускулярно-волновой_дуализм).

Так вот, по поводу того, что «корпускулярно-волновой дуализм необъясним в рамках классической физики», это ложь! А утверждение, что «энергия эквивалентна массе (E=m)» — это чистой воды мошенничество!

Я берусь доказать сейчас, что корпускулярно-волновой дуализм легко объясняется в рамках классической физики!

Кроме того, бытующее утверждение, что корпускулярно-волновой дуализм является порождением «квантовой механики» — это ещё одна ложь! С тех пор, как у философов и естествоиспытателей появилось представление об эфире, мировой среде, с тех пор и появилось представление о том, что всё во Вселенной состоит из частиц материи, которые могут двигаться в пространстве и как «корпускулы», и как волны, и при этом могут ещё вращаться вокруг своей оси!

Открываем труды нашего первого академика, великого русского учёного Михайло Васильевича Ломоносова и читаем его «СЛОВО О ПРОИСХОЖДЕНИИ СВЕТА…»:

«…Для ясного и подробного понятия должно рассмотреть все возможные материй движения вообще. Итак, положив жидкую, тончайшую и неосязаемую материю света, о чём ныне уже никто не сомневается, три возможные движения в оной находим, которые действительно есть или нет – после окажется. Первое движение может быть текущее или проходное, как Гассенд и Невтон думают, которым эфир (материю света с древними и многими новыми так называю) движется от Солнца и от других великих и малых светящихся тел во все стороны наподобие реки беспрестанно. Второе движение может в эфире быть зыблющееся (волновое), по Картезиеву и Гугениеву мнению, которым он наподобие весьма мелких и частых волн во все стороны от Солнца действует, простирая оные по исполненному материею океану всемирного пространства, подобно как тихо стоящая вода от впадшего камня на все стороны параллельными кругами волны простирает, без текущего своего движения. Третье движение быть может коловратное, когда каждая нечувствительная частица, эфир составляющая, около своего центра или оси обращается. Сия три возможные эфира движения могут ли быть в нём действительно и производить свет и цветы, о том, начнём порядочно и вникательно исследовать. ». («Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее, в публичном собрании императорской Академии наук июля 1 дня 1756 года, говоренное Михайлом Ломоносовым». По книге М.В. Ломоносов «О воспитании и образовании», Москва, «Педагогика», 1991, с. 125).

Комментарий к тексту Ломоносова:

Гассенд – Пьер Гассенди (1592-1655), французский философ-материалист, математик и астроном;

Невтон – Исаак Ньютон (1643-1727), английский математик, астроном и физик;

Картезий – Рене Декарт, его имя на латыни Ренатус Картезиус (1596-1650), французский философ, физик, математик и физиолог.

Гугений – Христиан Гюйгенс (1629-1695), нидерландский учёный. Он установил законы колебаний физического маятника и создал в 1678 году волновую теорию света.

В рамках этого научного наставления великого русского учёного М.В.Ломоносова: «Сия три возможные эфира движения могут ли быть в нём действительно и производить свет и цветы, о том, начнём порядочно и вникательно исследовать…» давайте попробуем строго в соответствии с классической физикой объяснить «2-й закон фотоэффекта», который гласит: «Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты».

Для этого давайте воспользуемся древнейшей и очень точной наукой — геометрией!

Когда то давно, ещё в доисторические времена, именно геометрия помогла астроному, математику и философу Аристарху Самосскому (ок. 310 до н. э., — ок. 230 до н. э.) разработать научный метод определения расстояний до Солнца и Луны. Благодаря этому методу учёный смог с приемлемой точностью определить размеры Солнца, Луны и Земли, и затем на основании расчётов Аристарх Самосский сделал правильный вывод — Солнце наше центральное светило, а все планеты и Земля с Луной обращаются вокруг него. Так ещё до новой эры люди получили представление о «Гелиоцентрической системе мира», с которой потом, все средние века боролись мракобесы, говорившие всем, что они — наместники Бога на земле!

Геометрия с таким же успехом может помочь нам сегодня разобраться и с «квантами света», и с корпускулярно-волновым дуализмом.

В основу наших расчётов возьмём представление, вытекающее из нашего знания работы трёх радиотехнических устройств: «вибратора Герца», «магнетрона» и «рентгеновской трубки», в которых электроны порождают излучения в направлении, перпендикулярном направлению их поступательного движения, причём это происходит на стадии торможения электронов:

Итак, наше представление об излучении отдельно взятого электрона в этих трёх устройствах следующее: каждый электрон является точечным осциллятором. В силу своих физических свойств при ускорении и последующем торможении электрон передаёт окружающему его эфиру кинетическую энергию величиной hv, как высчитал Макс Планк. Этот импульс энергии в силу точечного размера электрона имеет форму круговой волны. Эта импульсная волна непрерывно увеличивает свой радиус и движется в направлении, перпендикулярном направлению движения электрона.

Сейчас мы должны постараться изобразить одиночную волну излучения электрона, когда он движется с торможением по направлению от нас к листу бумаги. Волну мы должны изобразить на том этапе, когда она ещё не оторвалась от электрона. Это случай, когда длина волны λ равна радиусу её кругового фронта R.

Условимся, что вот эта круговая волна, порождённая электроном при торможении, имеет длину волны λ = 700 нанометров, что соответствует инфракрасному цвету в спектре излучения.

Тогда вот эта круговая волна, порождённая электроном при торможении, с радиусом в два раза меньшим, имеет длину волны λ = 350 нанометров, которая соответствует в электромагнитном спектре ультрафиолетовому свету.

В 1900 году Макс Планк установил зависимость: величина электромагнитной энергии, излучаемой сильно нагретым телом, увеличивается пропорционально частоте излучения по формуле: Е=hv (т.е. увеличивается пропорционально укорочению длины волны излучения).

В нашем случае (по факту и по формуле Е=hv) плотность электромагнитной энергии, излучаемой электроном, в волне с λ = 350 нм в два раза выше, чем в волне с λ = 700 нм. При этом мы видим, что длина фронта этой круговой волны, которая вычисляется по формуле 2πR (6,28R) короче ровно в два раза, чем длина фронта у волны с λ = 700 нм.

В то же время, если признавать, что формула Е=mc2 верно отражает действительность, то у волны с λ = 350 нм по сравнению с волной с λ = 700 нм в два раза выше движущаяся в пространстве со скоростью света некая распределённая масса, поскольку в «квантовой механике» энергия эквивалентна массе.

С третьей стороны, согласно объяснению классической физики, причём это объяснение было дано Рене Декартом ещё в 1627 году (почти 400 лет назад!) для объяснения явления радуги, «природа цвета заключается в том, что частицы тонкой материи, передающей действие света, стремятся с большей силой вращаться (вокруг своей оси), чем двигаться по прямой линии. Таким образом, те, которые вращаются с гораздо большей силой (чем двигаются по прямой линии), дают красный цвет, а те, которые вращаются лишь немного сильнее (чем те, что дают красный цвет), дают жёлтый цвет…»

То есть, согласно этому представлению, повышенная ровно в два раза плотность энергии в волне с λ = 350 нм по сравнению с волной с λ = 700 нм, объясняется тем простым обстоятельством, что в волне с λ = 350 нм частицы эфира вращаются вокруг своей оси значительно быстрее, чем они вращаются в волне с λ = 700 нм. Этим обстоятельством также просто можно объяснить недоразумение с увеличением в волне распределённой массы при укорочении её длины.

Теперь внимание, вопрос! Если длина фронта круговой волны укорачивается в два раза с увеличением в два раза частоты излучения, то из-за чего (?) также в два раза увеличиваются и энергия, и масса в формуле Е = mc2, при том что с — константа? Переменные только Е и m.

Квантовая механика по этому поводу говорит, что наше представление о массе можно полностью заменить представлением об энергии, и о массе можно забыть так же, как в начале ХХ века физика забыла об эфире!

Я предлагаю сейчас поступить прямо наоборот: вспомнить об эфире и попробовать представить, как отдельный электрон передаёт окружающему ему эфиру, частицы которого прежде всего во Вселенной обладают массой, механический импульс, приводя тем самым её во вращение и понуждая двигаться поступательно.

Из определения импульса: «Момент импульса характеризует количество вращательного движения. Величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение». Источник.

Согласно этой таблице, демонстрирующей широту диапазона электромагнитных излучений, самые короткие по длине волны и самые бронебойные — «космические лучи». Их длина волны в миллион раз короче длины волн «инфракрасных лучей».

Для сравнения могу сказать, что размеры атомов химических элементов, определяемые по расстоянию между ядрами атомов, составляют примерно 10 в минус 10-й степени метра. «Космические лучи» имеют самую короткую длину волны 10 в минус 12-й степени метра, это в сто раз меньше размера атомов химических элементов, но в сто, а возможно и в тысячу раз больше размера атомного ядра, которое имеет диаметр 10 в минус 14-15-й степени метра. Это чтобы вы имели представление о размерах длин самых коротких электромагнитных волн в сравнении с размерами атомов вещества и размерами их ядер.

Итак, как и раньше давайте нарисуем электромагнитную волну с самой короткой длиной волны 10 в минус 12-й степени метра, и поскольку мы не знаем, какое количество частиц эфира находится в каждом кубическом сантиметре пространства, а также в двухмерной плоскости, мы просто условимся, что на длине окружности с радиусом R, равном в 10 в минус 12-й степени метра, находится 100 энергетически возбуждённых электроном частиц эфира.

Тогда, согласно формулы длины окружности 2πR (6,28R), в такой же круговой волне с λ = 10 в минус 6-й степени метра на её длине окружности находится уже в миллион раз больше (100х1000000) возбужденных частиц эфира.

При этом суммарная величина энергии, которую электрон сообщил частицам эфира при торможении, образуя эту волну с круговым фронтом, в миллион раз меньше, чем суммарная величина энергии, которую при торможении другой электрон сообщил всего 100 частицам эфира в волне с радиусом R, равном 10 в минус 12-й степени метра.

Огромная разница в энергиях частиц в волне с радиусом R, равном 10 в минус 12-й степени метра и в волне с радиусом R, равном 10 в минус 6-й степени метра объясняется исключительно разной скоростью их вращения вокруг своей оси, как и объяснил в своё время французский учёный Рене Декарт.

Чем больше скорость вращения частицы эфира, тем больше её кинетическая энергия. При этом масса частицы эфира остаётся прежней!

Квантовая механика утверждает, что масса «фотона» растёт с ростом его энергии! Почему она растёт, и что вообще такое «энергия», квантовая механика не объясняет. Что говорит не в её пользу.

Далее нам следует понять, что при удалении электромагнитной волны от точечного источника, ширина её сферического фронта непрерывно увеличивается (если на пути волны не имеется препятствий, поглощающих или отражающих свет), при этом число возбужденных электроном частиц эфира в волне остаётся тем же.

Соответственно, первый и второй законы фотоэффекта мы можем легко объяснить так. В любом источнике света интенсивность электромагнитного излучения напрямую связана с количеством электронов, которые одновременно порождают электромагнитные волны. Чем больше сила тока протекает, например, через спираль лампы накаливания, тем больше интенсивность того света, который она излучает. При фотоэффекте мы наблюдаем обратную закономерность: чем больше интенсивность света, падающего на поверхность пластины катода, тем большее число фотоэлектронов вырывается за 1 секунду с поверхности пластины при фотоэффекте. Что и наблюдал в своём опыте А.Столетов.

Второй закон фотоэффекта звучит так: «Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты». Это легко объяснить тем обстоятельством, что с удалением электромагнитной волны от точечного источника излучения её фронт расширяется, количество возбужденных частиц эфира в нём уменьшается, но их кинетическая энергия, аккумулированная в их вращательном движении вокруг своей оси, остаётся прежней, какой она была изначально, в момент взаимодействия с электроном, приведшим к созданию излучения!

Вот и всё объяснение! Простое и всем понятное!

Внимание, вопрос: а какую величину кинетической энергии электрон вкладывает в частицы эфира при излучении?

Ответ: мы уже знаем, благодаря Максу Планку: величина этой энергии прямо пропорциональна частоте излучения и находится по формуле: hv, где h – «постоянная Планка» или «квант действия», v – частота излучения.

Так что получается?

Фотоны, которые описывает «квантовая механика», утверждая что «это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света», что им присуще вращение вокруг своей оси в левую или в правую сторону: «фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1», что «спин это (от англ. spin, буквально — вращение, вращать(-ся)) — собственный момент импульса элементарных частиц», это на самом деле импульсы, переносимые частицами эфира, которые, в свою очередь, очень хитро замаскированы от всех людей витиеватой терминологией!

Ещё раз прочтите определение импульса: «Момент импульса характеризует количество вращательного движения. Величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение».

Это как раз наш случай!

И вот ведь что удивительно. В 1905 году Альберт Эйнштейн с помощью формулы Макса Планка и его идеи о «квантах действия» объяснил «второй закон фотоэффекта», заявив при этом, что не h («постоянная Планка») является «квантом», а произведение hv является на самом деле «квантом света». Одновременно с этим он заявил, что «введение светоносного эфира в науку. является излишним». (Собр. науч. тр. М.: Наука. 1965. Т.1. С. 7–8. Zur Elektrodynamik der bewegter Korper. Ann. Phys., 1905, 17, 891-921).

Выходит, что перед Эйнштейном была поставлена задача не допустить прорыва истинного знания в массы, которое могло тогда случится по причине целой серии важнейших открытий в физике. С этой целью в науке о природе тогда и появились две великих фикции «фотоны», не имеющие массы покоя, но имеющие «переменную массу», привязанную к величине энергии «фотона», и «физический вакуум», заменивший место эфира в модели Мироздания. Кстати, этот последний термин дословно переводится с латыни как «природная пустота».

Что интересно, недавно один из самых престижных журналов в области физики «Physical Review Letters», публикуемый Американским физическим обществом с 1 июля 1958 года, сообщил, что американским учёным удалось зафиксировать излучение от одного-единственного электрона, летящего по кругу в магнитном поле.

В этой связи, учёные предлагают всем представить электрон, летящий горизонтально через вертикальное магнитное поле.

Сообщается, что в такой ситуации электрон будет испытывать на себе сторонние силы, которые пропорциональны скорости его движения и напряжённости магнитного поля. Цитирую далее источник дословно: «Постоянное воздействие со стороны в результате заставит электрон двигаться по кругу, а повороты в траектории частицы приведут к появлению электромагнитных волн. Этот эффект можно сравнить с ситуацией, в которой человек крутит над головой мокрую тряпку: совершая круговые движения, тряпка будет разбрасывать во все стороны струи или капли воды, в зависимости от того, насколько она мокрая. То же самое происходит и с двигающимся по кругу электроном, который испускает излучение…». Источник: https://nauka.vesti.ru/article/1042455

И в этой научной аллегории с мокрой тряпкой упомянутые капли воды — это тоже не «кванты», не имеющие массы покоя, как их описывает «квантовая механика», а частицы эфира.

При ускорении под действием электрического поля движущийся поступательно электрон, и обладая собственным вращением, вбирает частицы эфира в себя (как кит вбирает в свою пасть планктон), а при торможении он буквально выбрасывает их из себя, но не вперёд (как неправильно нарисовано выше), а в бок, перпендикулярно направлению своего движения, придавая каждой выброшенной частице эфира вращение вокруг своей оси тем большее, чем выше скорость торможения электрона.

Вот так всё просто устроено, если хорошо подумать.

И вот оно, истинное соединение корпускулярной и волновой теорий света! А не липовое, как у группы «Эйнштейн и Ко», которая создала «квантовую механику», чтобы закрыть от человечества всякое представление о мировом эфире, который по терминологии Христа-Спасителя есть «Царствие Небесное», образованное из частиц, «которые меньше всех семян на свете» (Мф. 13: 32). Собственно, только из-за этого весь этот ажиотаж с эфиром и этот обман в науке!

5 сентября 2019 г. Мурманск. Антон Благин

Моя карта Сбербанка: 2202 2007 8817 0916. Кому всё это интересно, могут оказать помочь автору в приобретении закончившихся «чернил», а чернил у меня уже совсем не осталось!

Victor Corgo: круто. А почему тогда ваш компьютер исправно работает, самолет летает, атомная электростанция вырабатывает электричество? Физика – это наука, а не шаманизм.

AntonBlagin: физика – это не только табуретки, компьютеры и танки с ракетами. Физика, которая является наукой о ПРИРОДЕ, это ещё и МИРОВОЗЗРЕНИЕ. Исторически мировая наука – физика – сложилась так, что ракеты и компьютеры она позволяет делать правильные, потому что они нужны власть имущим, а вот мировоззрение она старается дать искажённое, то есть дезинформативное! Чтобы «знания о высших предметах» оставались только у тех, у кого им положено быть! Вся история физики, дела Инквизиторов и многовековое кураторство науки Церковью это хорошо и наглядно подтверждают!

Фотоны в физике — основные понятия, формулы и определение с примерами

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось. Законы механики и теория всемирного тяготения были известны более 200 лет. Максвеллом была завершена теория электромагнетизма. Установлены законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда.

Однако к началу XX в. возникли проблемы, касающиеся физической природы излучения и вещества, а также их взаимодействия. В рамках классической физики возникали непреодолимые противоречия при объяснении экспериментальных данных дня процессов поглощения и испускания света атомами, закономерностей испускания электромагнитного излучения нагретыми телами, фотоэффекта и т. п.

Анализ этих противоречий привел к научной революции, и в течение последующих 30 лет были заложены основы квантовой физики. Квантовая физика пришла на смену классической при рассмотрении явлений на атомном и субатомном уровнях.

Тепловое излучение и квантовая гипотеза Планка

Существует три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн.

Опыт показывает, что все нагретые тела испускают тепловое (электромагнитное) излучение, интенсивность которого зависит от температуры тела. При комнатных температурах мы не ошущаем электромагнитного излучения, испускаемого телами, из-за его слабой интенсивности. Однако по мере повышения температуры интенсивность теплового излучения возрастает, в результате чего мы начинаем ощущать тепло. Нагревание происходит в результате поглощения энергии излучения и ее превращения (трансформации) во внутреннюю энергию тела.

При нагревании тугоплавкое вещество сначала раскаляется докрасна (при температуре

1000 К), затем становится оранжево-красным (при температуре

1500 К), и, наконец, при температуре

2000 К приобретает бело-желтый цвет.

Любое тело состоит из множества частиц — атомов, молекул, ионов и свободных электронов. Эти частицы в телах непрерывно участвуют в поступательном, вращательном, колебательном движениях. Согласно законам классической электромагнитной теории света любой ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны. Излучение, испускаемое телами, содержит волны различных частот, так как частицы совершают колебания, представляющие собой суперпозиции большого числа гармонических колебаний. Кроме того, и интенсивность излучаемых волн на разных частотах различна.

Эксперименты показали, что спектр теплового излучения тел является непрерывным. В волновой теории света испускание и поглощение электромагнитных волн любой частоты рассматривается как непрерывный процесс, в результате которого энергия источника или приемника волн изменяется также непрерывно.

Нагретое тело, согласно электромагнитной теории света, непрерывно излучая электромагнитные волны, теряет энергию, и, следовательно, должно было бы охлаждаться до абсолютного нуля. Следовательно, невозможно было бы тепловое равновесие между веществом и излучением. Однако эксперименты показали, что нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение.

Сточки зрения классической теории, все частоты равноправны. Следовательно, на каждый интервал частот в спектре в условиях равновесия должна приходиться в среднем одна и та же доля энергии. Значит, при перемещении по спектру от его красной области к фиолетовой энергия излучения должна была бы непрерывно расти. Рост энергии излучения тела привел бы к полной потере им энергии, т. е. к «ультрафиолетовой катастрофе».

Эксперименты показали, что в спектре излучения каждого теплового источника имеется максимум, положение которого зависит от температуры источника (рис. 77, а). При температуре 4000 °С максимум находится в инфракрасной области спектра и при нагревании перемещается в видимую область спектра.

При температуре абсолютно черного тела 2000 К в видимое излучение переходит только 0,3 % излучаемой энергии, а при температуре 3000 К — 3 %. Выгоднее всего «работает» абсолютно черное тело при температуре 6000 К — температуре поверхности Солнца. Но даже в этом случае в видимое излучение переходит только 13 % излучаемой энергии.

Распределение энергии излучения по частотам (E) для абсолютно черных тел приведено на рисунке 77, б. Если считать Солнце абсолютно черным телом, то температура его поверхности составляет около 6000 К. Для излучателей, не полностью поглощающих падающий на них свет, спектральные кривые располагаются ниже.

Для объяснения распределения энергии в спектре излучения 14 декабря 1900 г. Макс Планк в докладе на заседании немецкого физического общества выдвинул революционную гипотезу, что атомы излучают энергию не непрерывно, а отдельными порциями — квантами световой энергии. В соответствии с этой гипотезой энергия любой колебательной системы (атома, молекулы), имеющей частоту собственных колебаний v, может принимать лишь определенные значения, отличающиеся на целое число п элементарных порций — квантов энергии:

где n — целое положительное число, h — коэффициент пропорциональности, который называют постоянной Планка. Это — фундаментальная постоянная. Ее значение

Приближенное значение постоянной Планка, применяемое при решении задач,

Планк поэтически назвал новую фундаментальную постоянную «таинственным послом из реального мира».

Слово «квант» происходит от латинского слова quantum — «сколько», или «как много». Это слово вообще обозначает часть, долю или разделенную порцию.

Представление о квантах световой энергии объяснило свойства теплового излучения и позволило рассчитывать спектр излучения абсолютно черного тела дня любых температур. Для температуры поверхности Солнца 6000 °К максимум кривой соответствует длине волны = 0,483 мкм, т. е. сине-зеленой области спектра.

Фотоэффект и экспериментальные законы внешнего фотоэффекта

Свет — электромагнитные волны, обладающие энергией и импульсом и распространяющиеся в вакууме со скоростью с = 3,0

Наше зрительное восприятие физических явлений в окружающем мире определяется взаимодействием света с веществом. Воздействие света на вещество состоит в сообщении ему энергии, приносимой световой волной, т. е. первичным процессом является поглощение света. Такое взаимодействие, например в сетчатке глаза, приводит к зрительным ощущениям. Для прозрачной среды, например стекла, при падении на него световой волны главным результатом взаимодействия является ее отражение и преломление, а поглощением электромагнитной энергии в видимом диапазоне можно пренебречь.

При падении света на поверхность непрозрачного предмета часть излучения, преломляясь, проникает в него и поглощается, другая часть отражается от поверхности, и мы видим предмет в отраженном свете. Доля отраженного от поверхности света зависит от длины волны. Более темные поверхности поглощают свет сильнее, чем более светлые.

Мы видим не только тела, которые отражают или рассеивают свет, но и тела, которые светятся сами, например Солнце, другие звезды, пламя. Электромагнитное излучение испускают все тела, причем его интенсивность зависит от температуры их поверхности. В видимом диапазоне спектра излучение достаточной интенсивности, позволяющее видеть предмет, возникает, если температура поверхности предмета намного больше комнатной.

Взаимодействие электромагнитных волн с веществом приводит и к другим физическим явлениям, изучение которых помогло выяснить природу света.

В 1887 г. Генрих Герц обнаружил, что пробой воздушного промежутка между электродами искрового разрядника происходит при меньшем напряжении, если освещать отрицательно заряженный электрод ультрафиолетовым излучением. Дальнейшие эксперименты показали, что отрицательно заряженная цинковая пластинка при облучении ультрафиолетовым излучением (рис. 78, а) разряжается. Оба эти явления можно объяснить, предполагая, что под действием падающего излучения из металла вылетают отрицательно заряженные частицы — электроны (рис. 78, б). Это явление получило название фотоэффекта.

Фотоэффектом (фотоэлектрическим эффектом) называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения полностью передается электронам вещества.

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом, а вылетающие электроны — фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним фотоэффектом.

Испускание веществом каких-либо частиц называется эмиссией. Поэтому внешний фотоэффект называют также фотоэлектронной эмиссией (фотоэмиссией).

«Фото » по-гречески означает «свет».

Систематическое изучение фотоэффекта было проведено в 1888—1889 гг. русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым.

Установка для изучения внешнего фотоэффекта представлена на рисунке 79, а. В экспериментах Столетова в электрическую цепь был включен конденсатор, одна из обкладок которого была изготовлена из медной сетки, а вторая представляла собой цинковую пластинку. Медная сетка была заряжена положительно, а цинковая пластинка — отрицательно.

Наблюдения показали, что даже при отсутствии напряжения между пластинами под действием падающего ультрафиолетового излучения в цепи возникал электрический ток. Этот ток назвали фототоком ().

Изменяя напряжение U между пластинами А и В с помощью реостата R (рис. 79, б), Столетов получил зависимость силы фототока от напряжения U (вольт-амперную характеристику).

Как видно из зависимости, представленной на рисунке 79, в, при увеличении напряжения сила фототока растет до некоторого значения которое называется фототоком насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту фототока. Изменение полярности напряжения приводит к исчезновению фототока при напряжении которое называется задерживающим напряжением.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового излучения. Однако некоторые металлы, например литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Экспериментально установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения , определяемая максимальным числом фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, прямо пропорциональна интенсивности I падающего излучения (первый закон фотоэффекта).

Вольт-амперная характеристика фотоэффекта показана на рисунке 80, а, а зависимость силы фототока насыщения от интенсивности падающего излучения I — на рисунке 80, б.

Из графика зависимости от I видно, что сила фототока насыщения равна нулю только при отсутствии излучения (I = 0). Иными словами, фотоэффект наблюдается даже при малых значениях интенсивности падающего излучения.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности I падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты v падающего излучения (второй закон фотоэффекта).

Подчеркнем, что фотоэлектроны не имеют фиксированной кинетической энергии при вылете из фотокатода: она меняется в некотором диапазоне от нуля до , так как фотоэлектроны могут часть своей энергии, полученной от падающего излучения, передать частицам вещества перед вылетом с поверхности.

На рисунке 81 представлен график зависимости максимальной кинетической энергии от частоты v падающего излучения.

3. Для каждого вещества существует граничная частота , такая, что излучение меньшей частоты не может вырывать электроны (третий закон фотоэффекта).

Эта минимальная частота называется красной границей фотоэффекта. Такое название связано с тем, что минимальной частоте излучения соответствует максимальная длина волны. А поскольку максимальная длина волны в видимом диапазоне соответствует красному цвету, то граница и получила название «красной».

Красная граница для различных веществ совсем не обязательно соответствует красному цвету. Например, для рубидия она соответствует желтому цвету, для кальция — синему, а для некоторых веществ может вообще находиться в инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра.

На рисунке 82 приведены графики зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты v падающего излучения для двух различных веществ А и В. Точки пересечения графиков с осью абсцисс (частот) определяют красные границы фотоэффекта для каждого из них:

При частотах, больших , излучение даже очень малой интенсивности вызывает фотоэффект. Кроме того, между моментом включения источника излучения и вылетом электронов фактически нет задержки во времени: электроны вылетают из вещества через промежуток времени порядка с после начала облучения.

Следует заметить, что к моменту открытия фотоэффекта в 1887 г. еще ничего не было известно об электронах, открытых английским физиком Джозефом Джоном Томсоном только в 1897 г.

В 1898 г. Ф. Ленардом и Дж. Дж. Томсоном было определено отношение ! заряда q частицы, вылетающей с поверхности металла при фотоэффекте, к ее массе т (так называемый удельный заряд ) по ее отклонению в электрическом и магнитном полях. Эти измерения дали значение Таким образом, было доказано, что выбиваемые светом заряженные частицы — электроны.

За работы по определению удельного заряда , приведшие к открытию первой элементарной частицы — электрона, Дж. Дж. Томсон в 1906 г. был удостоен Нобелевской премии по физике.

На основе волновой теории можно объяснить только 1-й закон фотоэффекта: чем больше энергия падающего света, тем больше электронов вылетает из вещества. Объяснить 2-й и 3-й законы фотоэффекта в рамках классической теории излучения не удалось. Например, непонятно, почему максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения. Невозможно также объяснить существование красной границы фотоэффекта. Действительно, даже при малой частоте падающего излучения, но при длительном воздействии электронам можно сообщить энергию, необходимую для выхода из вещества. Следовательно, красная граница фотоэффекта не должна существовать. Все эти противоречия были сняты квантовой теорией.

Фотон

Электронвольт — энергия, которую приобретет частица с зарядом, равным элементарному, при перемещении между двумя точками с разностью потенциалов 1 В (1,0 эВ = Дж).

Изменение энергии системы связано с изменением ее массы уравнением Эйнштейна:

Длина волны связана с ее частотой v соотношением , где v — скорость волны.

После выдвижения гипотезы Планка началось интенсивное развитие квантовой физики, которая сравнительно быстро превратилась в стройную и законченную теорию, открывшую «новую эру» в развитии физики.

Развивая идеи Планка, Эйнштейн в 1905 г. для объяснения экспериментальных законов внешнего фотоэффекта выдвинул гипотезу, что свет не только излучается и поглощается, но и распространяется в виде отдельных порций (квантов). Таким образом, свет имеет квантовую структуру и является совокупностью движущихся элементарных частиц (корпускул).

Корпускула — от латинского corpusculum — маленькая частица.

Назвать эти частицы фотонами предложил в 1928 г. американский физик Артур Комптон.

По гипотезе Эйнштейна, монохроматическое электромагнитное излучение частотой v представляет собой поток фотонов. Каждый фотон движется со скоростью света с и несет квант энергии E = hv. При взаимодействии с веществом фотон ведет себя подобно частице и передает свою энергию не веществу в целом и даже не атому, а только отдельным электронам в веществе. Последний забирает всю энергию фотона, который с этого мгновения больше не существует. В этом случае говорят, что электрон в веществе поглотил фотон.

Энергия фотона может быть выражена через длину волны :

Из определения релятивистского импульса для фотона (v = с) следует, что модуль его импульса определяется выражениями

Оказывается, фотон — удивительная частица, которая обладает энергией E = hv, импульсом , но вследствие того, что скорость его движения всегда равна скорости света, его масса равна нулю (m = 0). Такие частицы называют безмассовыми. Энергия фотона связана с его импульсом соотношением Е = рс. Таким соотношением описываются частицы, масса которых равна нулю.

Таким образом, фотом является элементарной частицей, только в отличие от других элементарных частиц он не имеет массы, а потому «обречен» всегда двигаться со скоростью света.

Фотон обладает следующими свойствами:

• существует только в движении; является безмассовой частицей (m = 0);
• электрически нейтрален (q = 0), скорость его движения равна скорости света в вакууме (v = с) во всех ИСО;
• его энергия пропорциональна частоте соответствующего электромагнитного
• излучения модуль его импульса равен отношению его энергии к скорости движения

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Рассмотрим объяснение экспериментальных законов фотоэффекта на основе квантовых представлений, предложенное Эйнштейном. Электрон одного из атомов внутри металла после поглощения одного фотона получает квант энергии hv и стремится выйти за пределы кристаллической решетки, т. е. покинуть облучаемое твердое тело.

Электроны, покинувшие образец, имеют некоторую скорость, поэтому даже при отсутствии напряжения между электродами сила фототока не равна нулю. Именно поэтому вольт-амперная характеристика фотоэффекта при напряжении, ..равном нулю, не проходит через нуль (см. рис. 80, а).

Часть энергии, полученной при поглощении фотона, электрон расходует на совершение работы по преодолению сил притяжения, удерживающих его внутри вещества. Соответственно остаток энергии будет равен кинетической энергии электрона:

Здесь — кинетическая энергия электрона массой m, вылетевшего под действием света с поверхности металла и движущегося со скоростью v (). Величина > 0 представляет собой работу, которую необходимо совершить против сил электрического поля для того, чтобы электрон вылетел из вещества. Она называется работой выхода.

Для металлов эта работа связана с преодолением сил взаимодействия электронов с положительно заряженными ионами кристаллической решетки, которые удерживают электрон в веществе. Работа выхода для металлов обычно составляет несколько электронвольт (табл. 8).
Таблица 8

Фотоэлектрические характеристики некоторых веществ

С появлением мощных монохроматических источников света (лазеров) удалось наблюдать процессы многофотонного поглощения. В таких процессах прежде чем покинуть вещество, электрон поглощает не один, а несколько фотонов. В этом случае формула Эйнштейна для фотоэффекта записывается в виде

где N — число фотонов.

Таким образом, уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта является следствием закона сохранения и превращения энергии в этом процессе:

(1)

Отметим, что — это максимальная кинетическая энергия электрона (), которой он может обладать, вылетев из вещества. Из-за различных потерь энергия электрона может быть меньше расчетного значения.

В релятивистском случае () для кинетической энергии необходимо использовать выражение

Используя уравнение Эйнштейна, можно объяснить экспериментальные законы фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта: сила фототока насыщения пропорциональна общему числу фотоэлектронов, покидающих поверхность металла за единицу времени. Число таких фотоэлектронов пропорционально числу фотонов, падающих на поверхность за это же время. Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают из металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: при увеличении частоты v падающего света максимальная кинетическая энергия возрастает линейно согласно формуле

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, затрудняющее вылет электронов, то сила тока уменьшится, так как теперь фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

При некотором отрицательном напряжении электроны затормаживаются и, не достигнув поверхности анода, возвращаются на катод. Сила тока в цепи будет равна нулю (рис. 83). Величину называют задерживающим напряжением. Следовательно, вся кинетическая энергия электронов затрачивается на работу против сил электрического поля. При этом максимальная кинетичеcкая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение следующим образом:

(2)

Третий закон фотоэффекта: если частота падающего света v меньше граничной частоты , при которой , то испускания электронов не происходит.

Таким образом, красную границу фотоэффекта можно найти из соотношения

(3)

Ока зависит только от работы выхода электронов, т. е. определяется строением металла и состоянием его поверхности. Длина волны излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта, может быть определена из соотношения

Подставив в уравнение Эйнштейна (1) выражения (2) и (3), найдем зависимость задерживающего напряжения от частоты падающего света:

(4)

Построим графики зависимости задерживающего напряжения от частоты v падающего света для двух различных металлов. Получаются параллельные прямые (рис. 84).

По тангенсу угла наклона а этих прямых из соотношения (4) можно вычислить постоянную Планка, так как

а по точкам пересечения графиков с осями — найти работу выхода и красную границу

В качестве механической аналогии объяснения явления фотоэффекта рассмотрим шарик массой m, покоящийся на дне ямы глубиной Н (рис. 85). Если шарику сообщить достаточную начальную кинетическую энергию , он поднимется из ямы и покатится по поверхности земли с некоторой скоростью v. Закон сохранения и превращения энергии для такого процесса имеет вид

В этом выражении mgH является работой выхода шарика из ямы, а сообщенная ему кинетическая энергия аналогична энергии фотона. Иначе говоря: шарику необходимо преодолеть потенциальный барьер для того, чтобы оказаться на поверхности земли.

В 1921 г. при присуждении Альберту Эйнштейну Нобелевской премии в решении Нобелевского комитета указывалось, что «премией особенно отмечается объяснение законов фотоэлектрического эффекта».

Пример №1

Монохроматический свет длиной волны = 450 нм падает на поверхность натрия. Определите:

а) энергию Е фотона этого света;

б) модуль импульса р фотона падающего света;

в) красную границу фотоэффекта для натрия;

г) максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

Решение

а) Энергия фотона определяется из соотношения E = hv = $-.

б) Модуль импульса фотона падающего света определяется из соотношения

в) Красная граница связана с работой выхода соотношением

г) Согласно уравнению Эйнштейна электрон поглощает фотон и приобретает дополнительную энергию E = hv. Для того чтобы выйти за пределы металла, электрон должен отдать часть энергии на выполнение работы При этом его максимальная кинетическая энергия

Ответ:

Пример №2

Под действием света длиной волны = 400 нм с поверхности металла вылетают электроны, при этом их энергия равна половине энергии фотонов, вызывающих фотоэффект. Определите длину волны соответствующую красной границе фотоэффекта.

Ре ш е н и е

Запишем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Красную границу фотоэффекта определим из соотношения

По условию задачи

Тогда , откуда следует, что . Так как длина волны

Ответ: = 800 нм.

Давление света

Давлением называется скалярная физическая величина, численно равная отношению силы, действующей по нормали к площадке, к ее площади

В СИ единицей давления является паскаль (Па): 1 Па = .

Из законов механики следует, что тело при ударе о поверхность оказывает механическое на нее давление, обусловленное изменением импульса тела. Причем давление оказывается в случае как упругого удара, так и неупругого. А будет ли возникать подобный эффект при отражении и поглощении света некоторой поверхностью? Иными словами, оказывает ли свет давление на поверхность, с которой взаимодействует? После завершения построения волновой теории света Максвеллом ответы на эти вопросы стали очевидными. Свет как электромагнитная волна обладает энергией и импульсом и поэтому оказывает давление на поверхность, на которую он падает.

В 1873 г. Максвелл вычислил световое давление, используя разработанную им теорию электромагнитного поля. Он показал, что если за промежуток времени = 1 с перпендикулярно зеркальной площадке площадью S = 1 м2 падает свет с энергией то он оказывает на площадку давление р:

где с — скорость света.

Модуль силы давления, с которой солнечные лучи действуют на S= 1 м2 черной поверхности при нормальном падении:

Объяснить давление света можно следующим образом. Электрическое поле электромагнитной волны, падающей на поверхность проводника, вызывает движение электронов вещества в направлении, противоположном . Магнитное поле волны действует на уже движущиеся частицы с силой Лоренца которая в данном случае направлена внутрь вещества (рис. 87) и совпадает с направлением распространения света. Суммарная сила, действующая на все электроны со стороны электромагнитной волны, и есть сила давления света.

Это явление можно объяснить и с квантовой точки зрения. Рассмотрим свет как поток фотонов частотой v, падающих нормально на поверхность (рис. 88, а), и приносящий за промежуток времени =1 с на площадь S = 1 м2 энергию, равную W. Число n фотонов определяется из условия nhv = W т. е.

Так как каждый фотон обладает импульсом, модуль которого (рис. 88, б), то поглощающей поверхности (неупругий удар частицы) он сообщает импульс, модуль которого ||, а полностью отражающей поверхности (абсолютно упругий удар) — импульс, модуль которого 2 ||.

Следовательно, модуль импульса, сообщаемого абсолютно поглощающей (абсолютно черной) поверхности площадью S =1 м2 поверхности потоком фотонов за промежуток времени = 1 с, определяется по формуле:

Это и есть изменение модуля импульса потока фотонов:

Согласно второму закону Ньютона изменение импульса приводит к возникновению силы , которая по модулю равна силе давления , но противоположно направлена. По определению давление на поверхность площадью S равно . Это приводит к окончательному результату: В случае полностью отражающей поверхности , что находится в согласии с формулой Максвелла.

Пусть из полного числа n фотонов, падающих на единичную поверхность за = 1 с, отражается Rn фотонов (R — коэффициент отражения), а (1 -R)n фотонов поглощается. Тогда сообщаемый единице поверхности импульс, численно равный давлению, находится по формуле

Русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1899 г. впервые измерил световое давление. Он подвесил на тонкой нити коромысло с парой крылышек на концах (рис. 89): поверхность у одного из них была зачерненной, обеспечивая почти полное поглощение (R = 0), а у другого — зеркальной (/?=!)■

Свет практически полностью отражался от зеркальной поверхности, и его давление на зеркальное крылышко было вдвое больше, чем на зачерненное. Вследствие этого создавался момент сил, поворачивающий коромысло (см. рис. 89). Измеряя угол поворота коромысла, можно было судить о силе, действовавшей на крылышки, а следовательно, определить световое давление.

О сложности и тщательности подготовки и проведения измерений говорит тот факт, что при освещении крылышек светом в обычных условиях возникают силы, которые по величине превосходят силу давления света в тысячи раз. Одна из таких сил возникает в газе вследствие разности температур освещенной и неосвещенной сторон крылышка. Это действие Лебедеву удалось свести к минимуму, изготовив крылышки из тонкой, хорошо проводящей тепло фольги и поместив их в вакуум.

Измерения Лебедева дали величину светового давления, согласующуюся с теорией Максвелла с погрешностью до 20 %. В 1923 г. немецкий физик-экспериментатор Вальтер Герлах, используя более совершенные методы получения вакуума, повторил опыты Лебедева. Ему удалось получить результаты, согласующиеся с теоретическими значениями с погрешностью до 2%.

Факт существования светового давления имеет большое значение, так как доказывает наличие у света не только энергии, но и импульса. Это свидетельствует о материальности электромагнитных волн, представляющих собой еще одну форму существования материи — в виде поля.

Несмотря на сравнительно малое значение, световое давление играет существенную роль в природе: препятствует гравитационному сжатию звезд, ориентирует хвосты комет в сторону от Солнца, сокращает срок службы искусственных спутников Земли. Сегодня активно обсуждаются и реализуются проекты космических кораблей — «парусников», которые приводятся в движение «солнечным ветром».

В 1604 г. немецкий астроном Иоганн Кеплер объяснил изогнутую форму хвоста кометы действием сил светового давления со стороны Солнца (рис. 90), поскольку хвост всегда направлен от Солнца. Однако на доказательство этого факта потребовалось значительное время.

Корпускулярно-волновой дуализм

Когерентными называются волны одинаковой частоты, разность фаз колебаний которых в некоторой точке пространства остается постоянной с течением времени.

Интерференция — явление взаимодействия двух или более когерентных волн в пространстве, приводящее к увеличению или уменьшению амплитуды результирующего колебания в зависимости от разности хода волн. Дифракция — явление отклонения распространения волн от прямолинейного вблизи краев препятствий и огибания волнами препятствий.

Еще со времен Ньютона и Гюйгенса (XVII в.) представления о природе света были противоречивы. Одни ученые, во главе с Ньютоном, считали свет потоком частиц — корпускул, другие, вслед за Гюйгенсом, полагали, что свет представляет собой волны.

До начала XIX в. обе точки зрения отстаивались с переменным успехом. Так, исходя из гипотезы о корпускулах, можно было объяснить законы прямолинейного распространения и отражения света, а такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, объяснялись только его волновыми свойствами.

Однако в XX в. было установлено, что в целом ряде явлений, таких, как, например, фотоэффект, свет ведет себя как совокупность частиц с определенной энергией и импульсом. Одновременное наличие у объекта волновых и корпускулярных свойств получило название корпускулярно-волнового дуализма.

В одних процессах проявляются волновые свойства света, в других — корпускулярные. Долгое время природа этого дуализма была совершенно непонятна, и он казался искусственным объединением противоречивых свойств материи.

Для преодоления этого противоречия датский физик Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности, который утверждал, что для полного понимания природы света необходимо учитывать как волновые, так и корпускулярные свойства света: они взаимно дополняют друг друга.

Однако для объяснения конкретного эксперимента следует использовать либо волновые, либо корпускулярные представления о природе света, но не те и другие одновременно. Только после создания квантовой механики выяснилось, что «раздвоение личности» света закономерно и представляет собой проявление специфических свойств, присущих микромиру.

В 1923 г. французский физик Луи де Бройль свою диссертацию на соискание ученой степени доктора философии начал словами: «История оптических теорий показывает, что научные взгляды долгое время колебались между механической и волновой концепциями света, однако эти две точки зрения, вероятно, менее противоречат одна другой, чем думали раньше».

Далее он высказал смелое предположение: раз корпускулярно-волновой дуализм имеет место для световых квантов, он должен быть справедлив и для всех других частиц.

В частности движущемуся электрону должна соответствовать некоторая вол-
на, характеризуемая частотой v и длиной волны XR. Как и в случае фотона, частота v должна быть связана с энергией частицы Е соотношением E = hv. В настоящее время с каждой материальной частицей связывают волну, распространяющуюся в направлении движения частицы, которую называют волной де Бройля, а длину этой волны — дебройлевской длиной волны.

Дe Бройль определил, что модуль импульса частицы р должен выражаться через ее длину волны следующим образом:

(I)

По этому соотношению всякому объекту, имеющему импульс , независимо от его природы ставится в соответствие волновой процесс с длиной волны

(2)

Формула де Бройля позволяет определить, в каких явлениях существенны волновые свойства, а в каких — корпускулярные. Вспомним, что волновые свойства — интерференция и дифракция — проявляются только тогда, когда размеры предметов или щелей сравнимы с длиной волны. Для частицы массой m, движущейся со скоростью и, длина волны де Бройля обратно пропорциональна массе частицы и ее скорости Таким образом, чем меньше масса частицы, движущейся с фиксированной скоростью, тем больше соответствующая ей длина волны и тем более отчетливо обнаруживаются волновые свойства данной частицы. Следовательно, у электронов волновые свойства при движении проявляются наиболее отчетливо по сравнению с другими частицами.

Для большинства движущихся макроскопических объектов (например, песчинка, теннисный шарик, футбольный мяч, Луна и т. д.) модуль импульса р, как правило, очень велик. В этом случае длина волны намного меньше размеров окружающих тел, и, соответственно, волновые свойства подобных макрообъектов становятся несущественными.

Для подобных предметов эта длина волны не превышает величины м, поэтому обнаружить их волновые свойства не удается. При сравнении этой величины с размером атома ( м) или даже атомного ядра ( м) становится очевидной невозможность определения волн де Бройля такой длины.

Таким образом, соотношение де Бройля — особенно важно в следующих отношениях.

Во-первых, оно «узаконило» корпускулярно-волновой дуализм. Всякому телу, движущемуся с импульсом , сопоставляется теперь волновой процесс с длиной волны

Во-вторых, из него видно, в каких явлениях волновые свойства существенны, а в каких — нет. Для макроскопических объектов их импульс, как правило, очень велик. Соответственно, в этом случае длина волны мала — много меньше размеров самого тела, и волновые свойства становятся незаметными.

Гипотеза де Бройля о наличии волновых свойств у электрона и других микрочастиц была проверена экспериментально.

Поскольку дифракция света наблюдается на решетках, период d которых сравним с длиной волны , то для наблюдения дифракции электронов следует выбирать решетки с соответствующим периодом. Например, каждому из электронов в пучке, прошедшем между обкладками конденсатора, заряженного до напряжения U = 150 В, соответствует энергия W= 150 эВ и длина волны . Таким образом, в качестве дифракционной решетки следует выбрать кристалл какого-либо вещества, поскольку именно его кристаллическая решетка имеет период м, необходимый для обнаружения волновых свойств электронов.

На рисунке 91 представлена фотография дифракционной картины на двух щелях: дня пучка электронов (рис. 91, а) и для светового пучка (рис. 91, б).

Компьютерное моделирование позволяет «увидеть» процесс образования ; дифракционной картины при последовательном увеличении числа электронов, прошедших через щель (рис. 92).

Способность к интерференции и дифракции была обнаружена не только у электронов, но и у других частиц — протонов, нейтронов и а-частиц.

Волновые свойства частиц нашли свое применение в электронной оптике, занимающейся исследованием, построением и использованием в практических целях электронных пучков.

Так использование волновых свойств пучка электронов позволило создать новое поколение микроскопов — электронные микроскопы (рис. 93), значительно превосходящие по степени увеличения оптические микроскопы.

Уже первый электронный просвечивающий микроскоп (Э. Руска, 1933 г.) позволял изучать детали в десять раз меньшие, чем те, которые способны разрешать самые «мощные» оптические микроскопы. Дальнейшие исследования позволили сотрудникам лаборатории фирмы IBM в Цюрихе (Швейцария) Г. Биннингу и Г. Рореру в 1981 г. создать электронный сканирующе-туннельный микроскоп, позволяющий рассмотреть даже «отдельный» атом.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм относится не только к частицам, но и к любым материальным телам. На них также распространяется принцип дополнительности, и используются как волновое, так и корпускулярное представления, в зависимости от конкретной ситуации.

В 1929 г. Луи де Бройль за открытие волновой природы электрона был удостоен Нобелевской премии.

В 1986 г. Герду Биннингу и Генриху Рореру совместно с Эрнстом Руска была присуждена Нобелевская премия по физике за создание электронного микроскопа.

Пример №3

Вычислите длину волны де Бройля для футбольного мяча массой m = 400 г, летящего со скоростью v = 20

Решение

Длина волны де Бройля определяется по формуле

Ответ:

Химическое действие света

В веществах под действием света могут происходить химические реакции, которые без освещения (если все остальные условия остаются неизменными) не происходят. Такие реакции называются фотохимическими.

Примерами фотохимических реакций являются реакции фотосинтеза и реакции разложения (диссоциации).

Реакция фотосинтеза заключается в том, что под действием света происходит образование углеводов и выделение кислорода в растениях:

Фотосинтез — основа жизни на Земле. Это единственный процесс, в результате которого «органический мир» за счет энергии излучения Солнца пополняет запасы кислорода, расходуемые в процессе жизнедеятельности. По современным представлениям, весь кислород в атмосфере Земли образовался и постоянно пополняется за счет фотосинтеза в листьях растений и зеленых водорослях. Кроме того, эта реакция обеспечивает круговорот углерода в природе, без которого было бы невозможно длительное существование органической жизни на Земле.

Реакция разложения приводит к образованию более простых молекул и атомов под действием света. Например: разложение бромистого серебра

Химическое действие света

диссоциация молекул хлора

разложение углекислого газа

(В реакциях разложения значком (*) обозначены энергетически возбужденные атомы, которые в химии называются активными радикалами.)

Классическая физика не могла объяснить экспериментально установленные закономерности фотохимических реакций. В квантовой физике они нашли четкое объяснение. В 1912 г. Эйнштейн, используя квантовые представления, дал объяснения фотохимических явлений и сформулировал два закона фотохимических реакций.

1. Каждый поглощенный веществом фотон вызывает превращение одной поглотившей свет молекулы (закон эквивалентности).
2. Молекула вступает в фотохимическую реакцию под действием фотона лишь в том случае, когда энергия фотона не меньше определенного значения (энергии активации D):

Атомы внутри молекулы удерживаются химическими связями, которые при поглощении молекулой фотона с энергией Е разрываются, и в результате молекула распадается. Однако если энергия фотона меньше энергии, необходимой для разрыва молекулярных связей, то фотохимическая реакция не произойдет. Вследствие этого для каждой фотохимической реакции существует «красная граница», т. е. минимальная частота, при которой свет еще химически активен.

Химическим действием света обусловлены реакции фотосинтеза хлоропласта в зеленых частях растений, появление загара у человека, выцветание тканей на солнце, разложение молекул бромистого серебра в светочувствительном слое фотопластинки и т. д. Большую роль играют фотохимические превращения, лежащие в основе зрительного восприятия человека и животных.

Фотохимические реакции лежат в основе фотографического процесса (фотография — светопись) — одного из величайших достижений нашей цивилизации. Он состоит из четырех основных этапов:

1. фотосъемка — распад молекул бромистого серебра в фотопленке под действием света;
2. проявление фотопленки — выделение серебра, образовавшегося при световом воздействии;
3. закрепление фотопленки — удаление бромистого серебра с фотослоя и таким образом предохранение фотослоя от дальнейших изменений под действием света;
4. копирование — перенос изображения с фотопленки на фотобумагу.

Самое первое упоминание о фотографии на стекле (медная гравюра с изображением папы Пия VII), снятой в Грасе (Франция), содержится в письме французского ученого Жозефа Нисефора Ньепса от 19 июля 1822 г. 7 января 1839 г. принято считать датой рождения фотографии. В этот день на заседании Парижской академии наук ее секретарь Доменик Франсуа Араго доложил об изобретении художника Луи Жака Дагера. «Благодаря стараниям Луи Дагера человечество вознаграждено за настойчивость: свет стал послушным рисовальщиком».

Самая первая фотография с воздуха выполнена в 1858 г. Гаспаром Феликсом Турнашоном с воздушного шара над окраиной Парижа. Самой маленькой является круглая японская камера «Petal» диаметром 2,9 см и толщиной 1,65 см. Ее фокусное расстояние равно 12 мм.

Итоги:

Начало квантовой теории было положено гипотезой Планка, согласно которой излучение и поглощение света веществом происходит не непрерывно, а порциями, или квантами.

Наименьшая порция энергии (квант энергии), которую несет излучение частотой v, определяется по формуле

где постоянная h — фундаментальная постоянная (постоянная Планка). Ее значение

Эйнштейн развил гипотезу Планка, представив, что свет является совокупностью движущихся фотонов.

Модуль импульса фотона определяется соотношением

Явление испускания электронов веществом под действием падающего на него света получило название внешнего фотоэффекта. Испускание веществом каких-либо частиц называется эмиссией. Поэтому внешний фотоэффект называют также фотоэлектронной эмиссией (фотоэмиссией), а вылетающие электроны — фотоэлектронами.

Экспериментально установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения определяемая максимальным числом фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, прямо пропорциональна интенсивности l падающего излучения.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности l падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты v падающего излучения.
3. Для каждого вещества существует граничная частота vmin такая, что излучение меньшей частоты не может вырывать электроны.

Формула, предложенная Эйнштейном для объяснения внешнего фотоэффекта, имеет вид:

Красная граница фотоэффекта — наименьшая частота излучения, при которой наблюдается фотоэффект:

зависит только от работы выхода электронов для данного вещества ( > 0), т. е. определяется химической природой вещества и состоянием его поверхности.

Под корпускулярно-волновым дуализмом понимают совокупность волновых и корпускулярных свойств, присущих всем объектам в природе.

Химическое действие света (фотохимические реакции) — химические превращения, происходящие в веществах в результате поглощения света.

Фотоны и действия света

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось. Законы механики и теория всемирного тяготения были известны более 200 лет. К этому времени была развита и стала общепризнанной теория электромагнитного поля, основы которой были заложены Дж. Максвеллом.

Однако к началу XX в. возникли проблемы, касающиеся физической природы излучения и вещества, а также их взаимодействия. В рамках классической физики возникали непреодолимые противоречия при объяснении экспериментальных данных для процессов поглощения и испускания света атомами, закономерностей испускания электромагнитного излучения нагретыми телами, фотоэффекта и т. п.

Анализ этих противоречий привел физиков в начале XX в. к научной революции, которая коренным образом изменила взгляды ученых на объекты микромира — атом, его ядро и элементарные частицы. В течение последующих 30 лет были заложены основы современной квантовой физики, пришедшей на смену классической физике при рассмотрении явлений на атомном и внутриатомном (субатомном) уровнях. В следующих двух главах (5-й и 6-й) рассматриваются основные вопросы квантовой физики.

Экспериментальные законы внешнего фотоэффекта и квантовая гипотеза Планка

Сила тока — скалярная физическая величина, равная отношению заряда прошедшего за промежуток времени через поперечное сечение проводника, к этому промежутку:

Наше зрительное восприятие физических явлений в окружающем мире определяется взаимодействием света с веществом. Воздействие света на вещество состоит в поглощении им световой энергии, приносимой излучением, т. е. первичным процессом является поглощение света. Такое взаимодействие, например в сетчатке глаза, приводит к зрительным ощущениям.

При падении света на поверхность непрозрачного предмета часть излучения проникает в него и поглощается, другая часть отражается от поверхности, и мы видим предмет в отраженном свете. Более темные поверхности поглощают свет сильнее, чем более светлые. Доля отраженного от поверхности света зависит от длины волны.

Для прозрачной среды, например стекла, при падении на него световой волны главным результатом взаимодействия является ее отражение и преломление, а поглощением электромагнитной энергии в видимом диапазоне можно пренебречь. Именно поэтому среда и воспринимается зрительно как прозрачная.

Мы видим не только тела, которые отражают или рассеивают свет, но и тела, которые светятся сами, например Солнце, другие звезды, пламя. Электромагнитное излучение испускают все тела, причем его интенсивность зависит от температуры их поверхности. В видимом диапазоне спектра излучение достаточной интенсивности, позволяющее видеть предмет, возникает, если температура поверхности предмета намного больше комнатной.

Взаимодействие электромагнитных волн с веществом приводит и к другим физическим явлениям, изучение которых помогло выяснить природу света.

В 1887 г. Генрих Герц обнаружил, что пробой воздушного промежутка между электродами искрового разрядника происходит при меньшем напряжении, если освещать отрицательно заряженный электрод ультрафиолетовым излучением. Дальнейшие эксперименты показали, что отрицательно заряженная цинковая пластинка при облучении ультрафиолетовым излучением (рис. 107, а) разряжается. Оба эти явления можно объяснить, предполагая, что под действием падающего излучения из металла вылетают отрицательно заряженные частицы — электроны (рис. 107, б). Это явление получило название фотоэффекта.

Фотоэффектом (фотоэлектрическим эффектом) называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества, что приводит к разрыву связей электронов и ядер в атомах.

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом, а вылетающие электроны — фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним фотоэффектом. При внутреннем фотоэффекте часть электронов, находящихся в веществе в связанном состоянии, переходят в свободное состояние, увеличивая концентрацию носителей тока.

Испускание веществом каких-либо частиц называется эмиссией. Поэтому внешний фотоэффект называют также фотоэлектронной эмиссией (фотоэмиссией).

(фотос) по-гречески означает «свет».

Систематическое изучение фотоэффекта было проведено в 1888—1889 гг. русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым.

Установка для изучения внешнего фотоэффекта представлена на рисунке 108, а. В экспериментах Столетова в электрическую цепь был включен конденсатор, одна из обкладок которого была изготовлена из медной сетки, а вторая — представляла собой цинковую пластинку. Медная сетка была заряжена положительно, а цинковая пластинка — отрицательно. Наблюдения показали, что под действием падающего ультрафиолетового излучения в цепи возникает электрический ток. Этот ток называется фототоком.

Изменяя напряжение между пластинами с помощью реостата (рис. 108,6), Столетов исследовал зависимость силы фототока от напряжения (вольт-амперную характеристику). Как видно из представленной на рисунке 108, в зависимости, даже при отсутствии разности потенциалов между пластинами в цепи проходит фототок. Так как скорости электронов, испускаемых катодом, различны как по модулю, так и по направлению, то не все они при малых значениях напряжения могут достигнуть анода.

При увеличении напряжения сила фототока растет до некоторого максимального значения которое называется фототоком насыщения. Оно определяется при таком значении напряжения, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту силы фототока. Изменение полярности напряжения приводит к исчезновению фототока при напряжении которое называется задерживающим напряжением.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового излучения. Однако некоторые металлы, например литий, натрий и калий, испускают электроны и при их облучении видимым светом.

Экспериментально установлены следующие законы внешнего фотоэффекта.

1. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения (первый закон фотоэффекта).

Вольт-амперная характеристика фотоэффекта показана на рисунке 108, в и 109, а, а зависимость силы фототока насыщения от интенсивности падающего излучения — на рисунке 109, б.

Из графика зависимости (график выходит из начала координат), приведенного на рисунке 109, б, видно, что сила фототока насыщения равна нулю только при отсутствии излучения. Иными словами, фотоэффект наблюдается даже при малых значениях интенсивности падающего излучения.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты v падающего излучения (второй закон фотоэффекта).

Подчеркнем, что кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетающих из фотокатода, изменяется в некотором диапазоне от нуля до так как фотоэлектроны часть своей энергии, полученной от падающего излучения, передают частицам вещества до вылета с его поверхности.

На рисунке 110 представлена зависимость от частоты падающего излучения.

3. Для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не может вырывать электроны из его поверхности (третий закон фотоэффекта).

Эта минимальная частота называется красной границей фотоэффекта. Такое название связано с тем, что минимальной частотой излучения в видимом диапазоне обладает излучение, соответствующее красному цвету.

Красная граница фотоэффекта для различных веществ совсем не обязательно соответствует красному цвету. Например, для рубидия она соответствует желтому цвету, для кальция — синему, а для некоторых веществ может вообще находиться в инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра.

На рисунке 111 приведены экспериментальные зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего излучения для цезия, рубидия, магния и серебра. Как видно из рисунка 111, экспериментальные прямые параллельны друг другу, причем точки пересечения графиков с осью абсцисс (частот) определяют красные границы фотоэффекта для каждого из них.

При частотах, больших излучение даже очень малой интенсивности вызывает фотоэффект. Кроме того, между

моментом включения источника излучения и вылетом электронов фактически нет задержки во времени: электроны вылетают из вещества через промежуток времени порядка с после начала облучения.

Следует заметить, что к моменту открытия фотоэффекта в 1887 г. еще ничего не было известно об электронах, открытых Дж. Томсоном только в 1897 г.

В 1898 г. Филиппом Ленардом и Джозефом Джоном Томсоном было определено отношение заряда частицы, вылетающей с поверхности металла при фотоэффекте, к ее массе (так называемый удельный заряд — по ее отклонению в электрическом и магнитном полях. Эти измерения дали то же

значение, что и отношение заряда электрона к его массе

Таким образом, было доказано, что выбиваемые светом заряженные частицы — электроны.

За работы по определению удельного заряда электрона приведшие к открытию первой элементарной частицы — электрона, Дж. Томсон в 1906 г. был удостоен Нобелевской премии по физике.

Установленные экспериментально законы фотоэффекта невозможно объяснить на основе представлений о том, что свет — это электромагнитная волна. На основе этих представлений можно объяснить только первый из приведенных экспериментальных законов фотоэффекта: чем больше энергия падающего света, тем больше электронов вылетает из вещества. Объяснить 2-й и 3-й законы фотоэффекта в рамках классической теории излучения невозможно.

Так, например, непонятно, почему максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения. Невозможно также объяснить существование красной границы фотоэффекта. Действительно, даже при малой частоте падающего излучения, но при длительном воздействии электромагнитной волны на электрон ему можно сообщить энергию, необходимую для выхода из вещества. Следовательно, красная граница фотоэффекта не должна существовать. Все эти противоречия были сняты квантовой теорией.

Квантовые представления были впервые введены немецким физиком Максом Планком при разработке теории теплового излучения. Планк сделал фундаментальное предположение, что энергия любой колебательной системы, совершающей гармонические колебания с частотой (осциллятора), может принимать лишь определенные дискретные значения, отличающиеся на целое число элементарных порций — квантов энергии:

где — целое положительное число, — коэффициент пропорциональности, который называют постоянной Планка. Это фундаментальная постоянная. Ее значение:

Приближенное значение постоянной Планка, применяемое при решении задач:

Слово квант происходит от латинского слова «quantum» — «сколько» или «как много». Это слово, вообще, обозначает часть, долю или неделимую порцию. Планк поэтически назвал новую фундаментальную постоянную «таинственным послом из реального мира».

Следовательно, отдельный осциллятор может обладать не любой энергией, а лишь энергией, кратной Таким образом впервые появилась идея о квантовании энергии.

14 декабря 1900 г. Планк доложил свои результаты на заседании Немецкого физического общества. Этот день и считают днем рождения квантовых представлений. Появился квант энергии как дискретная порция энергии. Планк относил дискретность энергии к свойствам вещества, а излучение рассматривалось как электромагнитные волны.

После выдвижения гипотезы Планком (1900 г.) началось интенсивное развитие квантовых представлений в физике, которые к 1925—1928 гг. превратились в стройную и логичную квантовую теорию, открывшую «новую эру» в развитии физики.

Фотон и уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Электронвольт — энергия, которую приобретет частица с зарядом, равным элементарному, при перемещении между двумя точками с ускоряющей разностью потенциалов

Развивая идеи М. Планка, А. Эйнштейн в 1905 г. для объяснения экспериментальных законов внешнего фотоэффекта выдвинул гипотезу о дискретности самого электромагнитного излучения — свет излучается, поглощается и распространяется в виде отдельных порций (квантов). Он рассмотрел элементарные процессы поглощения и испускания этих квантов.

По гипотезе Эйнштейна, монохроматическое электромагнитное излучение частотой обладает не только волновыми свойствами, но и свойствами, характерными для потока частиц. Каждая такая частица движется со скоростью света и несет квант энергии Назвать эти частицы фотонами предложил в 1928 г. американский физик Артур Комптон.

Энергия фотона может быть выражена через длину волны

Как следует из формул (2) § 25, Тогда модуль импульса фотона определяется выражением:

Следовательно, для фотона:

Но согласно СТО (см. § 25) энергия и импульс любой частицы связаны соотношением:

При подстановке в эту формулу энергии фотона находим, что масса фотона равна нулю

Оказывается, что фотон — это удивительная частица, которая обладает энергией импульсом но вследствие того, что скорость его движения всегда равна скорости распространения света, его масса равна нулю Такие частицы называют безмассовыми.

Фотон является элементарной частицей, только в отличие от других элементарных частиц он не имеет массы, а потому «обречен» всегда двигаться со скоростью распространения света.

Таким образом, фотон обладает следующими свойствами:

существует только в движении;

• является без массовой частицей
• электрически нейтрален
• модуль его скорости движения равен модулю скорости распространения света в вакууме во всех ИСО;
• его энергия пропорциональна частоте соответствующего электромагнитного излучения
• модуль импульса фотона равен отношению его энергии к модулю скорости движения

Рассмотрим объяснение экспериментальных законов фотоэффекта, предложенное Эйнштейном на основе квантовых представлений. При освещении электрода электромагнитным излучением (см. рис. 109) происходит взаимодействие фотонов с электронами вещества. Если энергия фотона достаточно велика, то какой-либо из электронов после поглощения фотона может получить энергию, достаточную для того, чтобы покинуть облучаемое тело. Электроны, покинувшие образец, имеют некоторую скорость, поэтому даже при отсутствии напряжения между электродами сила фототока не равна нулю. Именно поэтому вольт-амперная характеристика фотоэффекта при напряжении, равном нулю, не проходит через нуль (см. рис. 109, а).

Для того чтобы покинуть вещество, электрон должен совершить работу против сил связи электрона с атомами вещества. Она называется работой выхода и обозначается Для металлов эта работа связана с преодолением сил взаимодействия электронов с положительно заряженными ионами кристаллической решетки, которые удерживают электрон в веществе. Работа выхода для металлов обычно составляет несколько электронвольт (табл. 8).

Оставшаяся часть энергии поглощенного кванта составляет кинетическую энергию освободившегося электрона. Наибольшей кинетической энергией

будут обладать те электроны, которые поглотят кванты света вблизи поверхности металла и вылетят из него, не успев потерять энергию при столкновениях с другими частицами в металле.

На основе закона сохранения энергии можно записать следующее уравнение для фотоэлектрона:

Это соотношение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Отметим, что — это максимальная кинетическая энергия электрона которой он может обладать, вылетев из вещества. Из-за различных потерь энергия электрона может быть меньше расчетного значения.

Если энергия фотонов очень велика (для рентгеновского или -излучения), то скорости фотоэлектронов сравнимы со скоростью света В этом случае для кинетической энергии фотоэлектрона необходимо использовать релятивистское выражение:

Используя уравнение Эйнштейна, можно объяснить экспериментальные законы фотоэффекта.

Объяснение первого закона фотоэффекта

Сила фототока насыщения пропорциональна общему числу фотоэлектронов, покидающих поверхность металла за единицу времени. Число таких фотоэлектронов пропорционально числу фотонов, падающих на поверхность за это же время. Именно пропорционально, а не равно, так как часть квантов света поглощается кристаллической решеткой, и их энергия переходит во внутреннюю энергию металла. Увеличение интенсивности падающего света приводит к росту числа фотоэлектронов, покидающих поверхность металла.

Объяснение второго закона фотоэффекта

Фотоэлектрон вырывается из катода за счет действия одного кванта падающего излучения. Поэтому кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от полной энергии волны, а от энергии одного кванта, т. е. частоты При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов возрастает линейно, как следует из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта (3), согласно соотношению:

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то сила тока уменьшится, так как теперь фотоэлектронам, кроме работа выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

При некотором отрицательном значении напряжения электроны затормаживаются и, не достигнув поверхности анода, возвращаются на катод. Сила тока в цепи при этом будет равна нулю (рис. 112). Величину при которой сила тока в цепи равна нулю, называют задерживающим напряжением. Следовательно, вся кинетическая энергия электронов затрачивается на работу против сил электрического поля. При этом максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение следующим образом:

Объяснение третьего закона фотоэффекта

Если частота падающего излучения меньше граничной частоты при которой то испускания электронов не происходит. Таким образом, фотоэффект отсутствует, если частота излучения оказывается меньше некоторой характерной для данного вещества величины

Следовательно, красную границу фотоэффекта можно найти из условия:

Она зависит только от работы выхода электронов, т. е. определяется строением металла и состоянием его поверхности.

Длина волны излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта, может быть определена из соотношения:

Подставляя в уравнение (3) выражения (5) и (6), найдем зависимость задерживающего напряжения от частоты падающего света:

Находя тангенс угла наклона прямых линий на рисунке 111, можно из соотношения (8) с учетом (5) вычислить постоянную Планка:

а по точкам пересечения продолжения графиков с осями — найти работу выхода и красную границу

В 1921 г. при присуждении Альберту Эйнштейну Нобелевской премии в решении Нобелевского комитета указывалось, что «премией особенно отмечается объяснение законов фотоэлектрического эффекта».

Пример №4

Монохроматический свет длиной волны падает на поверхность натрия. Определите: а) энергию фотона этого света; б) модуль импульса фотона падающего света; в) красную границу фотоэффекта для натрия; г) максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

Решение а) Энергия фотона:

б) Модуль импульса фотона:

в) Красная граница связана с работой выхода соотношением:

г) Из уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта находим, что максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона:

Ответ:

Давление света и корпускулярно-волновой дуализм

Словечко громкое всегда Из затрудненья вас выводит! И. Гете «Фауст»

Давлением называется скалярная физическая величина, численно равная отношению модуля силы, действующей по нормали к площадке, к ее площади В СИ единицей давления является 1 паскаль (Па):

Из законов механики следует, что тело при ударе о некоторую поверхность оказывает на нее механическое давление, обусловленное изменением импульса тела. Причем давление тела на поверхность оказывается в случае как упругого, так и не упругого удара. А будет ли возникать подобный эффект при отражении и поглощении света некоторой поверхностью? Иными словами, оказывает ли свет давление на поверхность, с которой взаимодействует? После завершения построения Дж. Максвеллом волновой теории света ответы на эти вопросы стали очевидными. Свет как электромагнитная волна обладает энергией и импульсом и поэтому оказывает давление на поверхность, на которую он падает.

Объяснить давление света можно следующим образом. Электрическое поле напряженностью электромагнитной волны, падающей на поверхность проводника, вызывает движение электронов вещества под действием электрической силы в направлении, противоположном Магнитное поле волны индукцией действует на движущиеся частицы с силой Лоренца которая в данном случае будет направлена внутрь вещества (рис. 114) и совпадает с направлением распространения света. Суммарная сила, действующая на все электроны со стороны электромагнитной волны, и есть сила давления света.

В 1873 г. Максвелл вычислил световое давление, используя разработанную им теорию электромагнитного поля. Он показал, что если свет, падающий перпендикулярно на зеркальную поверхность площадью приносит за промежуток времени с энергию то он оказывает на данную поверхность давление:

где — модуль скорости распространения света. Поскольку для солнечного излучения то модуль силы давления, с которой солнечное излучение действует при нормальном падении на зеркальную поверхность площадью равен

При нормальном падении света на черную (поглощающую) поверхность модуль соответствующей силы давления Следовательно, сила, с которой солнечное излучение действует на черную поверхность площадью в два раза меньше, чем на зеркальную, и составляет

Давление света можно объяснить и с квантовой точки зрения. Рассмотрим свет как поток фотонов энергией падающих нормально на зеркальную поверхность (рис. 115, а) и приносящих за промежуток времени с на площадь энергию, равную

Число этих фотонов определяется из условия

При отражении от зеркала фотон испытывает «упругий» удар, при котором происходит изменение направления импульса фотона на противоположное (рис. 115, б). Модуль этого изменения:

Соответственно, модуль изменения импульса потока фотонов, падающих на зеркало площадью за промежуток времени

Изменение импульса потока фотонов вызвано силой действующей на фотоны со стороны зеркала. Модуль этой силы и модуль силы, действующей со стороны потока фотонов (т. е. света) на зеркало, находится из закона изменения импульса:

Следовательно, давление света на зеркало:

что совпадает с результатом, полученным Максвеллом.

При падении света на полностью поглощающую (черную) поверхность изменение импульса фотона будет в 2 раза меньше, так как

Соответственно, и давление света в этом случае будет в 2 раза меньше:

Пусть из полного числа фотонов, падающих на единичную поверхность за отражается фотонов называется коэффициентом отражения), а фотонов поглощается. Тогда сообщаемый ими единице поверхности импульс, численно равный давлению, находится по формуле:

Русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1899 г. впервые измерил световое давление. Он подвесил на тонкой нити коромысло с парой крылышек на концах (рис. 116), поверхность у одного из которых была зачерненной, обеспечивая почти полное поглощение а у другого — зеркальной Подвес с крылышками образовал чувствительные крутильные весы, которые помещались в сосуд, воздух из которого был откачан.

В опытах свет поочередно направлялся на каждое из крылышек коромысла. При этом он практически полностью отражался от зеркальной поверхности и практически полностью поглощался зачерненной поверхностью. Вследствие этого, давление света на зеркальное крылышко было примерно вдвое больше, чем на зачерненное. Соответственно, больше был и момент сил, поворачивающий коромысло при падении света на зеркальную поверхность (см. рис. 116). Измеряя угол поворота коромысла под действием света в обоих случаях, можно было судить о силе, действовавшей на крылышки, а следовательно, определить световое давление.

О сложности и тщательности подготовки и проведения измерений говорит тот факт, что при освещении крылышек светом в обычных условиях возникают силы, которые по величине превосходят силу давления света в тысячи раз. Основными являются силы, возникающие вследствие действия конвекционных потоков газа, и радиометрического действия.

Радиометрическое действие возникает вследствие разности температур освещенной и неосвещенной сторон крылышка в разреженном газе. Молекулы газа, остающиеся в баллоне, отражаются от более нагретой стороны с большей скоростью, и вследствие отдачи крылышки стремятся повернуться в том же направлении, что и под действием светового давления. Радиометрическое действие уменьшается, если применять очень тонкие металлические крылышки для уменьшения разности температур и увеличить разрежение газа в баллоне.

Измерения Лебедева дали величин>’ светового давления, согласующуюся с теорией Максвелла с погрешностью до 20 %. В 1923 г. немецкий физик Вальтер Герлах, используя более совершенные методы получения вакуума, повторил опыты Лебедева. Ему удалось получить результаты, согласующиеся с теоретическими значениями с погрешностью до 2 %.

Факт существования светового давления имеет большое значение, так как доказывает наличие у света не только энергии, но и импульса. Это свидетельствует о материальности электромагнитного излучения, представляющего собой еще одну форму существования материи — в виде электромагнитного поля.

Несмотря на сравнительно малое значение в обычных условиях, световое давление играет существенную роль в природе: препятствует гравитационному сжатию звезд, ориентирует хвосты комет в сторону от Солнца (рис. I 17), сокращает срок службы искусственных спутников Земли вследствие постепенного уменьшения радиуса их орбиты. Еще в 1604 г. немецкий астроном Иоганн Кеплер объяснил изогнутую форму хвоста кометы действием сил светового давления со стороны Солнца.

В настоящее время активно обсуждаются и реализуются проекты космических кораблей — «парусников», которые приводятся в движение «солнечным ветром».
Еще со времен Исаака Ньютона и Христиана Гюйгенса (XVII в.) представления о природе света были противоречивы. Одни ученые, во главе с Ньютоном, считали свет потоком частиц — корпускул, другие, вслед за Гюйгенсом, полагали, что свет представляет собой не что иное, как волны.

«Корпускула» от латинского слова corpusculum — маленькая частица.

До начала XIX в. обе точки зрения отстаивались с переменным успехом. Так, исходя из гипотезы о корпускулах, можно было объяснить законы прямолинейного распространения и отражения света, а такие явления, как интерференция и дифракция, объяснялись только его волновыми свойствами.

Однако в XX в. было установлено, что в целом ряде явлений, таких как, например, фотоэффект, свет ведет себя как совокупность частиц с определенной энергией и импульсом. Одновременное наличие у объекта волновых и корпускулярных свойств получило название корпускулярно-волнового дуализма.

В одних процессах в большей мере проявляются волновые свойства света, в других — корпускулярные. Долгое время природа этого дуализма была совершенно непонятна, и он казался искусственным объединением противоречивых свойств материи.

Только после создания квантовой механики выяснилось, что «раздвоение личности» света закономерно и представляет собой проявление специфических свойств, присущих микромиру в целом.

Французский физик Луи де Бройль в 1923 г. высказал смелое предположение, что корпускулярно-волновой дуализм должен иметь место для всех микрообъектов.

В своей теоретической статье «Кванта света, дифракция и интерференция» (1923 г.) де Бройль уверенно предсказал, что «Дифракционные явления обнаружатся и в потоке электронов, проходящих сквозь достаточно малое отверстие».

В квантовой физике с каждой материальной частицей связывают волну, распространяющуюся в направлении движения частицы, которую называют волной де Бройля, а длину этой волны называют дебройлевской длиной волны. Частота связана с энергией частицы соотношением Де Бройль нашел, что модуль импульса частицы должен выражаться через ее длину волны так же, как у света:

Это соотношение «узаконивает» корпускулярно-волновой дуализм, поскольку всякому объекту, имеющему импульс независимо от его природы ставят в соответствие волновой процесс с длиной волны

Оно также позволяет определить, в каких явлениях волновые свойства существенны, а в каких — нет. Для макроскопических объектов их модуль импульса как правило очень велик. Соответственно, в этом случае длина волны мала — много меньше размеров самого тела, и волновые свойства становятся незаметными.

Гипотеза де Бройля о наличии волновых свойств у электрона и других микрочастиц была проверена экспериментально.

Поскольку дифракция света наблюдается на решетках, период которых сравним с длиной волны то для наблюдения дифракции электронов следует выбирать решетки с соответствующим периодом. Например, каждому из электронов в пучке, прошедшем между обкладками конденсатора, заряженного до напряжения соответствует энергия и его дебройлевская длина волны Поэтому для обнаружения волновых свойств электронов необходимо в качестве дифракционной решетки использовать кристаллы, представляющие собой упорядоченные структуры, расстояния между атомами которых

В 1927 г. американские физики Клинтон Дэвиссон и Люстер Джермер впервые наблюдали дифракцию электронов на кристалле никеля. На рисунке 118 представлена фотография дифракционной картины электронов на слюде.

Современные эксперименты позволяют наблюдать процесс образования дифракционной картины при последовательном увеличении числа электронов, проходящих через щель, а компьютерное моделирование этого процесса представлено на рисунке 119.

Способность к интерференции и дифракции была обнаружена не только у электронов, но и у других частиц — протонов, нейтронов и альфа-частиц.

Волновые свойства частиц нашли свое применение в электронной оптике, занимающейся исследованием, построением и использованием электронных пучков для получения изображений.

Так, использование волновых свойств пучка электронов позволило создать новое поколение микроскопов — электронные микроскопы (рис. 120), значительно превосходящие по степени увеличения оптические микроскопы вследствие того, что дебройлевская длина волны электронов гораздо меньше длины волны видимого света.

Уже первый электронный просвечивающий микроскоп (Э. Руска, 1933 г.) позволял изучать детали в десять раз меньшие, чем те, которые способны разрешать самые «мощные» оптические микроскопы. Дальнейшие исследования позволили сотрудникам лаборатории фирмы IBM в Цюрихе (Швейцария) Г. Биннингу и Г. Рореру в 1981 г. создать электронный сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий рассмотреть даже «отдельный» атом.

В мае 2013 г. международная группа ученых (Германия, Греция, Нидерланды, США, Франция) с помощью фотоионизационного микроскопа сумела «сфотографировать» отдельный атом водорода. Ученым удалось получить прямое изображение самого легкого и самого маленького из всех атомов (рис. 121).

Датский физик Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности, который утверждал, что для описания свойств материи (как поля, так и вещества) необходим учет как волновых, так и корпускулярных свойств.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм присущ не только электромагнитному излучению, но и элементарным частицам. На них также распространяется и принцип дополнительности, в соответствии с которым используются как волновые, так и корпускулярные представления в зависимости от конкретной ситуации.

В 1929 г. Луи де Бройль за открытие волновой природы электрона был удостоен Нобелевской премии.

В 1986 г. Герду Биннингу и Гейнриху Рореру совместно с Эрнстом Руска была присуждена Нобелевская премия по физике за создание электронного микроскопа.

Итоги:

Раздел физики, описывающий физические явления на атомном и внутриатомном (субатомном) уровнях, называется квантовой физикой.

Энергия колебательной системы (осциллятора), совершающей гармонические колебания с частотой может, согласно гипотезе Планка, принимать лишь определенные дискретные значения, отличающиеся на целое число элементарных порций — квантов энергии.

Эйнштейн развил гипотезу Планка, представив, что свет излучается, поглощается и распространяется в виде отдельных порций (квантов).

Наименьшая порция (квант) энергии, которую несет излучение частотой определяется по формуле:

где постоянная — фундаментальная постоянная — постоянная Планка. Ее. приближенное значение:

Модуль импульса фотона определяется соотношением:

Явление испускания электронов веществом под действием падающего на него света получило название внешнего фотоэффекта. Испускание веществом каких-либо частиц называется эмиссией. Поэтому внешний фотоэффект называют также фотоэлектронной эмиссией (фотоэмиссией), а вылетающие электроны — фотоэлектронами.

Экспериментально установлены следующие законы внешнего фотоэффекта.

1. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.
3. Для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не может вырывать электроны из его поверхности.

Формула Эйнштейна дня внешнего фотоэффекта:

Красная граница фотоэффекта — наименьшая частота излучения, при которой наблюдается фотоэффект зависит только от работы выхода электронов для данного вещества т. е. определяется химической природой вещества и состоянием его поверхности.

Под корпускулярно-волновым дуализмом понимают тот факт, что всем объектам в природе присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. В одних условиях в большей мере проявляются волновые, в других — корпускулярные свойства объектов.

Принцип дополнительности утверждает, что для описания свойств материи (как поля, так и вещества) необходим учет как волновых, так и корпускулярных свойств.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.