Корпускулярно-волновой дуализм. Фотоны

Тема: Давление света

Урок: Корпускулярно-волновой дуализм. Фотоны

1. 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 E=h*ϑ. Порция света оказалась очень похожей на частицу.

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

световая частица = фотон = квант электромагнитного излучения (Рис. 1)

Рис. 1

Согласно теории относительности, энергия всегда связана с массой соотношением (Рис. 2):

Рис. 2

где m – масса фотона

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

Масса движущегося фотона (Рис. 3):

Рис. 3

По известной массе и скорости фотона можно найти его импульс (Рис. 4):

Рис. 4

Через длину волны, импульс фотона (Рис. 5):

Рис. 5

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 E=4*10^-19 Дж.

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 (Рис. 6):

Рис. 6

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. 7).

Рис. 7

Дифракция и интерференция электронов и других частиц наблюдается на кристаллах. Здесь мы видим картину, подобную той, что получается при дифракции рентгеновских лучей (Рис. 8).

Рис. 8

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 (Рис. 9).

m – масса электрона

c – скорость света

h – постоянная Планка

λ – длина волны фотона

 

Рис. 9

Задача №2

Каков импульс фотона, энергия которого равна 3 эВ (Рис. 10)?

Рис. 10

Задача №3

При какой скорости электроны будут иметь энергию, равную энергии фотонов ультрафиолетового света с длиной волны 200 нм (Рис. 11)?

Рис. 11

Ответ: скорость электрона равна 1480 км/c.

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 (Рис. 12).

Рис. 12

Ответ: длина волны излучения – 0,99 мкм.

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 0,5 мкм при мощности

2,1*10^-17 Вт. Верхний предел мощности, воспринимаемый безболезненно глазом, – 2*10^-5 Вт. Сколько фотонов попадет в каждом случае на сетчатку глаза за 1 с (Рис. 13–15)?

Рис. 13

Рис. 14

Рис. 15

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Фотон (Источник).