Квантовые свойства света.

По квантовой теории – свет это поток особых частиц – фотонов, обладающих следующими характеристиками: энергия фотона (ν – частота, h – постоянная Планка, ω=2 - циклическая частота); масса фотона ; импульс фотона .

Квантовая природа света проявляется в таких явлениях как фотоэффект, давление света, рассеяние рентгеновских лучей также можно объяснить квантовой природой.

I. Фотоэффект – явление изменения энергии электронов вещества под действием света. При внешнем фотоэффекте электроны вылетают с поверхности металлов. Можно исследовать на таком о4пыте (рис.23.1). Свет проникает через кварцевое окошко и освещает катод К. На основе опытов были установлены законы внешнего фотоэффекта.

1. Максимальная скорость электронов прямо пропорциональна частоте падающего света (но не зависит от интенсивности света): .

2. Число вылетающих электронов пропорционально интенсивности падающего света (освещенности катода): .

3. Свет не любой частоты вызывает фотоэффект из данного вещества. Для каждого вещества существует минимальная частота света ν_min (максимальная длина волны λ_кр), при которой еще наблюдается фотоэффект. Эти частоты (или длина волны) называются красной границей фотоэффекта.

Падающие фотоны поглощаются электронами вещества.. Энергия фотона частично тратится на освобождение электрона из вещества (работу выхода), а частично превращается в кинетическую энергию электрона:

Это соотношение называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

Из этого соотношения вытекают все законы фотоэффекта. Работа выхода для данного металла постоянна, поэтому скорость электронов зависит от энергии фотона, т.е. от частоты света. Интенсивность света: , а каждый фотон может выбить один электрон. Поэтому число вылетающих электронов определяется интенсивностью падающего света. И, наконец, , тогда электрон не может покинуть вещество, фотоэффект не наблюдается. Поэтому из условия: можно определить, красную границу фотоэффекта. Т.к. , то: .

II. При падении света, согласно волновой теории, на поверхность оказывается давление: , где I –интенсивность света, R –коэффициент отражения. Для черной поверхности R=0 Þ . Для белой поверхности R=1 Þ . Экспериментально световое давление было обнаружено и измерено в опытах П.Н.Лебедева (рис. 23.2). Прибор Лебедева состоял из легкого коромысла, подвешенного на тонкой стеклянной нити. На концах коромысла крепились тонкие крылышки (одно светлое, другое темное). Весь прибор помещался в сосуд, из которого выкачивался воздух. При падении света на крылышки коромысло поворачивается, и о величине светового давления можно судить по углу закручивания нити. По квантовой теории давление света объясняется наличием импульса у фотонов.

III. При прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит их рассеяние, т.е. отклонение от первоначального направления. В 1923 г. Комптон, исследуя рассеяние рентгеновских лучей различными веществами, обнаружил, что в рассеянных лучах содержится излучение с длиной волны (падающее излучение) и с длиной волны . При этом разность зависит от угла рассеяния . Схема опыта представлена на рис.23.3. Особенности эффекта Комптона можно объяснить, рассматривая рассеяние как процесс упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества.

Таким образом, свету присущ дуализм (двойственность) свойств. В явлениях интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии ярче проявляются волновые свойства. Фотоэффект, давление света, эффект Комптона подтверждают квантовую природу излучения. Позже двойственность свойств была открыта у электронов и других элементарных частиц. Этот факт получил название корпускулярно-волнового дуализма.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: