10. Корпускулярно-хвильовий дуалізм. Тиск світла. Дослід Лебедєва. Хімічна дія світла.

Намагаючись подолати труднощі класичної фізики щодо пояснення випромінювання нагрітого твердого тіла німецький фізик Макс Планк 1900 року. висловив таку гіпотезу: запас енергії коливальної системи, яка знаходиться у рівновазі з електромагнітним випромінюванням, не може набувати довільних значень. Мінімальну кількість енергії, яку система може поглинати або випромінювати, називають квантом енергії , вона пропорційна частоті коливань n:

E = hν,                    (1)

де ν - частота коливань електромагнітного випромінювання; h = 6,625·10^-34 Дж·с - стала Планка. Її ще називають квантом дії.

Пропускаючи і поглинаючи енергію світло поводиться як потік частинок з енергією E = hν. Порція світла випадково почала бути схожою на те, що називають частинкою. Властивості світла, які виявляються під час поглинання і випромінювання, називають корпускулярними, а саму світлову частинку - фотоном чи квантом електромагнітного випромінювання.

У сучасній фізиці фотон розглядають як одну із елементарних частинок. Таблиця елементарних частинок уже декілька десятків років починається із фотона.

Енергію фотона можна також виразити через циклічну частоту коливань w:

E = hν = wħ           (2)

де - зведена стала Планка.

Відповідно до теорії відносності енергія завжди пов'язана з масою відношенням E = mc².

Прирівнявши обидва рівняння для енергії фотона отримаємо

hn = mc²        - маса фотона

Однак фотон має лише релятивіську масу і не має маси спокою. Фотон має масу доти, доки він рухається зі швидкістю світла. Якщо фотон зіштовхується з перешкодою, енергія фотона переходить до перешкоди і його маса зникає. За відомою масою і швидкістю можна визначити імпульс фотона:

.

Імпульс фотона направлений вздовж променя світла. Фотон має імпульс і якщо на його шляху виникає перешкода, він передає його їй.

За сучасними уявленнями світло випромінюється і поглинається порціями, а тому і поширюється порціями. Фотон зберігає свою індивідуальність протягом всього свого існування. Водночас світлу властиві явища інтерференції, дифракції, поляризації та інші хвильові властивості. Ці факти дозволили зробити припущення, що світлу властивий дуалізм (подвійність). Під час поширення світло виявляє електромагнітні властивості, а під час поглинання - корпускулярні.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм - це загальна властивість матерії, що виявляється особливо на мікроскопічному рівні. Тому мікрочастинці (електрона, протона, нейтрона тощо) з імпульсом p = mc відповідає хвиля завдовжки:

.

Такі хвилі називають хвилями де Бойля. Для них характерні явища інтерференції та дифракції, але вони не мають електромагнітної природи. Зміст корпускулярно-хвильового дуалізму світла полягає в тому, що світло має складну природу, яка залежно від умов досліду лише наближено можна описати із застосуванням звичних для нас уявлень про хвилі та частинки, так, в явищі фотоефекту світло взаємодіє з речовиною як потік дискретних частинок (фотонів), а під час проходження крізь вузькі отвори в перешкодах він поводиться як хвиля (дифракція). Зі зростанням частоти корпускулярні властивості фотонів виявляються дедалі сильніше.

Якщо для низькочастотного випромінювання або радіохвиль більш характерні хвильові властивості, то високочастотне випромінювання поводять себе здебільшого як потік частинок. Один із яскравих прикладів виявлення корпускулярних властивостей світла -тиск світла на різні тіла. На основі електромагнітної теорії світла Максвел передбачив існування тиску світла ще до того, як це явище було виявлено експериментальною. Світлові хвилі створюють тиск на перешкоду, з якою вони зіштовхуються, оскільки примушують електрони впорядковано рухатися в тілі. На них з боку магнітного поля світлової хвилі діє сила Лоренца, яка за правилом лівої руки напрямлена в бік поширення хвилі. Ця сила мала, тому навіть у сонячний день світло створює тиск .

Уперше тиск світла виміряв російський фізик П. М. Лебедєв (1866 - 1912) 1900 року. У його дослідах однакові світлові потоки спрямовували на легкі металеві крильця, прикріплені до легкого стрижня, підвішеного на тонкій скляній нитці в посудині з високим вакуумом (рис. 344). Один бік крилець зачорнювали, а другий полірували. Світло почергово направляли то на поліроване, то на зачорнене крильце, де воно відбивалося або поглиналося. Тиск світла вимірювали за різницею кутів закручування нитки під час попадання на зачорнену та дзеркальну поверхню. П. М. Лебедєв виміряв також тиск світла на гази. Досліди Лебедєва експериментально підтвердили наявність імпульсу фотонів.

Поглинання світла речовиною супроводжується також хімічною дією світла. Хімічна дія світла виявляється в тому, що світло викликає такі хімічні перетворення, які без світла не відбуваються. Хімічні реакції, що перебігають внаслідок дії світла, називають фотохімічними. Наприклад, під дією ультрафіолетового випромінювання з молекул кисню утворюються молекули озону: 3O₂ + hν = 2O₃.

Найважливішою фотохімічною реакцією є фотосинтез - процес утворення під дією світла вуглеводнів із виділенням кисню у рослинах і деяких мікроорганізмах:

Завдяки фотосинтезу на Землі зберігається неперервний кругообіг Карбону і підтримується життя.

Учені встановили, що фотосинтез хлорофілу, що міститься у рослинах, під дією червоних променів спектра сонячного світла. Приєднуючи до вуглеводневого ланцюга атоми інших елементів, одержуваних із грунту, рослини будують молекули вуглеводнів, жирів і білків, створюючи їжу для людини і тварин.

Хімічну дію світла покладено в основу фотографії. Основу фотографії становить фотохімічна реакція розкладу бромистого срібла.

Фотоефект був відкритий 1887 року Г. Герцем, а потім досліджений експериментально російським ученим А. Г. Столєтовим.

Фотоефект — явище виривання електронів із твердих і рідких речовин під дією світла.

Якщо вирвані електрони вилітають за межі речовини, фотоефект називається зовнішнім.

Проробивши низку дослідів із фотоефекту (або переглянувши кадри відеофільму), можна дійти висновку: явище фотоефекту практично без-інерційне; інтенсивність фотоефекту залежить від виду металу, величини світлового потоку та спектрального складу випромінювання.

Закони фотоефекту. Закони фотоефекту були експериментально встановлені професором Московського університету А. Г. Столєтовим:

• сила фотоструму насичення прямо пропорційна інтенсивності світла, що падає на катод;

• максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою;

• для кожної речовини існує мінімальна частота світла, називана червоною межею фотоефекту, нижче за яку фотоефект неможливий.

Закони фотоефекту прості за формою, але залежність кінетичної енергії електронів від частоти має загадковий вигляд.

ТЕОРІЯ ФОТОЕФЕКТУ

1. Пояснення фотоефекту за допомогою хвильової теорії світла. Встановлені дослідним шляхом закони фотоефекту не вдалося пояснити на основі електромагнітної хвильової теорії світла. З точки зору цієї теорії електромагнітна хвиля, досягши поверхні металу, спричиняє вимушені Коливання електронів, відриваючи їх від металу. Але тоді потрібний час Для «розгойдання» електронів, і за малої освітленості металу має виникнути помітне запізнення між; початком освітлення і моментом вильоту електронів, а фотоефект практично безінерційний.

Крім того, кінетична енергія електронів, які залишають метал, має залежати від амплітуди змушуючої сили, а отже й від напруженості електричного поля в електромагнітній хвилі.

2. Квантове пояснення фотоефекту. У 1905 році А. Ейнштейн запропонував теорію, що давала пояснення відразу всій сукупності експериментальних фактів про фотоефект. Розвивши й поглибивши ідеї Планка Ейнштейн дійшов висновку, що світло має не тільки випромінюватися й поглинатися, а також і поширюватися у вигляді окремих порцій енергії — квантів електромагнітного поля. Ці кванти інакше називаються фотонами.

Ейнштейн вважав, що під час взаємодії з речовиною фотон поводиться подібно до частинки та передає свою енергію не речовині в цілому й навіть не атомові, а тільки окремим електронам. Під час поглинання фотона металом його енергія

передається вільному електрону. Вона витрача-

ється на звільнення електрона з металу — на роботу виходу й на надання йому кінетичної енергії. При цьому енергія фотона передасться електронові в металі тільки цілком, а сам фотон перестає існувати.

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту має вигляд:

, де — енергія поглиненого фотона; А — робота виходу електрона з металу;

- кінетична енергія, з якою електрон залишає поверхню металу.

Рівняння Ейнштейна можна розглядати як вираження закону збереження енергії для одиничного акту взаємодії фотона з електроном.

Воно дозволяє пояснити всі закони фотоефекту. Кінетична енергія фотона може бути виражена так: , а його швидкість —

Звідси випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектрона, а отже, і його максимальна початкова швидкість залежать від частоти світла й не залежать від інтенсивності світла.

При рівності кінетична енергія й швидкість фотоелектрона дорівнюють нулю. У цьому випадку електрон ніби «випадає» з металу з нульовою швидкістю. Має місце поріг фотоефекту:

або

Інтенсивність світла прямо пропорційна числу фотонів та енергії кожного з них

Кожний фотон поглинається повністю тільки одним електроном. Тому кількість вирваних світлом фотоелектронів, а отже, й фотострум насичення пропорційні , тобто інтенсивності світла (перший закон фотоефекту).