02. Корпускулярно-волновой дуализм. Фотоны

Введение

Законы фотоэффекта Столетова и уравнение Эйнштейна для фотоэффекта не оставляли сомнений в прерывистом характере излучения и поглощения света веществом.

При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией Порция света оказалась очень похожей на частицу.

Свойства света, обнаруженные при излучении и поглощении, – корпускулярные.

световая частица = фотон = квант электромагнитного излучения

Согласно теории относительности, энергия всегда связана с массой соотношением:

где – масса фотона

Фотон лишен массы покоя, то есть он не существует в состоянии покоя и при рождении сразу имеет скорость света.

Масса движущегося фотона:

По известной массе и скорости фотона можно найти его импульс:

Через длину волны, импульс фотона:

Импульс фотона направлен по световому лучу.

В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц. Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона, тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света.

Энергия фотонов видимого излучения очень незначительна. Например, фотоны, соответствующие зеленому цвету, обладают энергией

Сергей Иванович Вавилов установил, что человеческий глаз – это тончайший из приборов, он способен реагировать на различия освещенности, измеряемые единичными квантами.

Ученые были вынуждены ввести представления о свете как о потоке частиц. Но интерференция и дифракция света определенно говорят о наличии у света волновых свойств.

Свет обладает дуализмом.

Дуализм – двойственность свойств.

Встал вопрос о том, что, может быть, все элементарные частицы обладают не только корпускулярными свойствами, но и волновыми. Эту мысль высказал французский ученый Луи де Бройль.

Предположив, что с распространением частиц связано распространение некоторых волн, де Бройль сумел найти длину этих волн. Связь длины волны с импульсом частицы оказалась точно такой же, как и у фотонов.

Длина волны де Бройля:

Предсказанные де Бройлем волновые свойства частиц впоследствии были обнаружены экспериментально.

Наблюдается дифракция и интерференция электронов и других частиц. Картина, которая получается при дифракции и интерференции электронов, полностью совпадает с картиной световых волн (рис. 1).

Дифракция и интерференция электронов и других частиц наблюдается на кристаллах. Здесь мы видим картину, подобную той, что получается при дифракции рентгеновских лучей (рис. 2.1, 2.2.).

Все эти свойства микрообъектов описываются квантовой механикой, так как механика Ньютона в большинстве случаев здесь оказывается неприменимой.

Квантовая физика позволяет определять различные характеристики элементарных частиц.

Рассмотрим несколько задач.

Задача №1

Определите длину волны излучения, энергия фотонов которого равна энергии покоя электрона.

– масса электрона
– скорость света
– постоянная Планка
– длина волны фотона

Задача №2

Каков импульс фотона, энергия которого равна ?

Задача №3

При какой скорости электроны будут иметь энергию, равную энергии фотонов ультрафиолетового света с длиной волны ?

Ответ: скорость электрона равна.

Фотоны – частицы, которые испускаются источниками света.

Задача №4

Определить среднюю длину волны излучения, если источник света мощностью 100 Вт испускает 5*1020 фотонов каждую секунду.

Ответ: длина волны излучения –

В опытах Сергея Ивановича Вавилова было установлено, что человеческий глаз способен реагировать на различие освещенностей, измеряемое единичными фотонами.

Задача №5

Тренированный глаз, длительно находящийся в темноте, воспринимает свет с длиной волны при мощности Верхний предел мощности, воспринимаемый безболезненно глазом, Сколько фотонов попадет в каждом случае на сетчатку глаза за ?