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
- Фотон (Источник).
