Тема 6. Корпускулярная оптика

Соглас­но квантовой гипотезе Планка-Эйнштейна свет частотой  испускается, распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых _о=h (h – постоянная Планка). Эти локализованные в пространстве дискретные световые кванты, движущиеся со скоростью с рас­пространения света в вакууме, получили назва­ние фотонов. Таким образом, распространение света можно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток частиц – фотонов. Доказательством этих квантовых (корпускулярных) представлений о свете, как о потоке частиц, являются фотоэффект и эффект Комптона.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Явление внешнего фотоэффекта и его закономерности объяснены на основе квантовой теории фотоэффекта, согласно которой каждый квант света поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов пропорционально интенсивности света.

Энергия h падающего на металл фотона расходуется на совершение электроном работы вы­хода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетичес­кой энергии, то есть по закону сохранения энергии:

(уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта).

Из этого уравнения следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона ли­нейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности, то есть от числа фотонов. Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, то при некоторой частоте=₀кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и в этом случае энергия фотона hn₀ равна работе выхода А, из чего следует, чтоn₀=А/h (частотаn₀носит название красной границы фотоэффекта). При частоте n<n₀ фотоэффекта не будет.

Масса и импульс фотона. Согласно квантовой гипотезе Планка-Эйнштейна, распространение света можно рассматривать как поток частиц – фотонов, энергия которых ₀=h . Тогда из уравнения Эйнштейна взаимосвязи массы и энергии E=mc² следует, что масса фотона:

.

Поскольку фотон движется со скоро­стью света с, то импульс фотона р :

.

Следовательно, фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом. Полученные выражения связывают корпускулярные характеристики фотона – массу, импульс и энергию – с волновой характеристикой света – его частотой  (или длиной волны ).

Корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Компто­на.

Эффектом Комптона называется увеличение длины волны коротковолнового электромаг­нитного излучения при его упругом рассеянии на свободных электронах вещества. Опыты Комптона показали, что разность длин волн рассеянного (') и падающего () электромаг­нитного излучения, то есть величина ='– не зависит от длины волны  падающего излучения и природы рассеивающего вещества (РВ), а определяется только углом рассея­ния , то есть углом между направлениями лучей до и после рассеяния (рис. 11):

,

где – комптоновская длина волны.

(При рассеянии фотона на электроне = 2,426 пм).

Эффект Комптона не укладывается в рамки волновой теории света, и его объяснение дано на основе квантовых (корпускулярных) представлений о природе света. Если считать, что излучение имеет кор­пускулярную природу, то есть представляет собой поток фотонов, то эффект Комп­тона – это результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными элек­тронами вещества. В процессе этого столкновения фотон переда­ет электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с законами их сохранения, что ведет к уменьшению энергии (или увеличению длины волны) фотона при его соударении с электроном (эффект Комп­тона).

Исходя из законов сохранения импульса и энергии, для упругого столкновения двух частиц (рис. 11) – налетающего фотона, обладающего импульсоми энергией = h, с покоящимся свободным

электро­ном, было получено следующее выражение для увеличения длины волны фотона при его рассеянии на свободных электронах:

.

(На рисунке 11 введены следующие обозначения: p и p' – импульсы фотона до и после рассеяния; p_e – импульс электрона после рассеяния на нем фотона).

Полученное на основе корпускулярных свойств света, выражение для величины  оказалось аналогично приведенному выше выражению для величины , полученному Комптоном экспериментально. Следовательно, эффект Комптона является экспериментальным доказательством проявления корпускулярных свойств света как потока частиц – фотонов.

Единство корпускулярных и волновых свойств света и вещества. С одной стороны, рассмотренные явления фотоэффекта и эффекта Комптона служат доказательством квантовых (корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов, а, с другойстороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света подтверждают волновую природу света. Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, проявляет так называемый корпускулярно-волновой дуализм.

Развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой приро­де света, Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами.

Cогласно гипотезе де Бройля с каждым микрообъектом связываются, с одной сторо­ны, корпускулярные характеристики, такие как энергия  и импульс p , а с другой стороны – волновые характеристики, такие как частота  и длина волны  . Количественные соотношения, связыва­ющие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как и для фотонов:

, .

Согласно гипотезе де Бройля любой частице, обладающей импульсом p, ставится в соответствие волновой процесс с длиной волны, определяемой по формуле де Бройля: .