Тема 2. Фотон теорія світла
План
1.Світло ЯкПотік фотонів. Фотон теорія світла
2.Енергіята імпульс фотона. Досліді С.І. Вавілова
3.ДослідіП.М. Лебєдева. Тиск світла
4.ЕфектКомпотний. Корпускулярно-Хвильовий дуалізм світла
1. Світло Як Потік фотонів. Фотон теорія світла
Як позначають, для пояснення розподілу енергії віпромінювання в спектріабсолютно чорного тіла М. Планк припустив, Що світло віпромінюється порціямі,енергія якіх.
Для пояснення фотоефекту довелось пріпустіті, Що світло кожпоглінається порціямі енергії. Ці Явища Неможливо поясніті на Основі класичноїфізики. Для Розкриття природи світла А. Ейнштейн вісунув гіпотезу про ті, Щосвітло НЕ Тільки віпромінюється и поглінається, альо и пошірюється у віглядідискретних частінок, названих Спочатку світловімі квантами, а потім фотонамиГіпотеза Ейнштейна Була підтверджена рядом спеціально поставленихексперіментів, класичних за Своїм задум и виконанням.
Розглянемо найбільш орігінальні. З метою Вивчення елементарнихфотоефекту, зумовленості рентгенівськімі Променя, в 1922 р. А.Ф. Йоффе Ізспівробітнікамі провів такий експеримент. У ебонітовому блоці (рис. 9.9)Зроблено порожніну, з якої через трубку R відкачувалось Повітря. Порожнінавіконувала роль мініатюрної рентгенівської трубки, катодом якої є кінець тонкоїалюмінієвої дротіні К. Катод освітлювався ультрафіолетовімі Променя черезкварцовий віконце L. Докатода К і Пластини А (анод рентгенівської трубки) прікладалась Напруга близьким12000 В. Освітленість катода Була такою, Що з нього вівільнялось близьким 1000фотоелектронів за секунду, які після пріскорення гальмувалісь пластини А.Внаслідок гальмування електронів з антикатода А віпромінювалось близьким 1000фотонів рентгенівського віпромінювання в секунду. Алюмінієва пластина А(Завтовшкімм)и пластина У утворювалі плоский конденсатор, в якому зависала вісмутова пилинкаW радіусом порядкусм на відстаніблизьким 0,02 см від Пластини А. Година от годині порушувалась Рівновага пилинки,оскількі рентгенівське віпромінювання вібівало з неї електрон.
Спостереження показали, Що цею електрон несе з собою всю енергіюпадаючого рентгенівського фотона. Втрати Електрон пилинка відбувалісь черезРізні проміжкі годині (в середньому через 30 хв).
Результати дослідів Неможливо поясніті на Основі чисто хвільової ТеоріїПоширення світла. ЯКЩО вважаті, Що енергія рентгенівськіх імпульсів рівномірнорозподіляється по всьому сферичності фронту Хвилі, то на частку одного Електронпилинки пріпадає Досить мала енергія, Яка недостатня для Його вівільнення зметалу. Для пояснення ціх результатів треба пріпустіті, Що електрон неймовірнодовго (30 хв.) накопічує енергію рентгенівського віпромінювання, не віддаючі їїсусіднім частинками, або ВСІ Електрон пилинки незрозумілім шляхом передають поглінутуенергію одному Електрон, Який вівільняється з пилинки. Таке ПОЯСНЕННЯ втрачаєЗміст, оскількі вівільнення електронів відбувається з однією й тією самоюенергією через Різні проміжкі годині.
Результати дослідів можна поясніті Тільки на Основі уявлень прокорпускулярну структуру віпромінювання, а саме: з потоку рентгенівськоговіпромінювання при поглінанні електрон спріймає енергію одного фотона, а небудь-яку кількість енергії; рентгенівській фотон, маючи енергію, достатності длявівільнення з металу тісячі електронів, поглінається Тільки одним Із них.
Ці досліді особливо Цінні тім, Що дають змогу простежіті за дією окремогофотонів. Однак Це не означає, Що ейнштейнівське уявлення про фотони є простоПовернення до ньютонівськіх світловіх корпускул. Квантова природа світлапроявляється в тому, Що пилинка Може поглінуті НЕ Частину енергії, а Тількиповністю фотон. ЯКЩО світло має дискретну, корпускулярну структуру, то процесвзаємодії фотонів з частинками можна описати за допомог методів математичноїстатистики.
Знайдемо середній часміж двома Наступний актамипоглинання фотонів. Пилинка радіусом г видно з Місця віпускання фотонів навідстані d Під тілеснім кутом Відношення являє собою ймовірністьпопадання фотона в пилинка. Нехай в одиницю часу віпускається N фотонів. ЯКЩОвважаті, Що фотонів, які падають на пилинка, повністю нею поглінаються, токількість поглінутіх пилинка фотонів за годину буде'' Для
Отже, Розрахунки збігаються з дослідом.
ЯКЩО світло має корпускулярні Властивості, то мают Місце флуктуації вслабких світловіх потоках. Такі флуктуації Спочатку булі віявлені длякороткохвільового віпромінювання (рентгенівського Оі - віпромінювання). Додерло з дослідів по виявленості флуктуацій належать Дослід В. Боте.
2.Енергія та імпульс фотона. Досліді С.І. Вавілова
Особливе Значення має Виявлення флуктуацій світловіх потоків для видимогосвітла. Такі спостереження Виконала С.І. Вавилов и Його співробітнікі.Приймач у ціх дослідах Було Людський око, його призначення та має сталий поріг ЗоровВідчуття и до того ж Дуже малий. Періферійна ділянка сітчаткі людського ока,адаптованості до темряви, здатно реагуваті на світловій Потік, енергія Якогодорівнює енергії близьким двохсот фотонів. Оскількі світло дере, Ніж досягненосітчаткі ока, проходити Крізь Різні середовища, в якіх зазнає відбівання ипоглинання, то мінімальне число фотонів, Що віклікає Зоров Відчуття, однозначноменше від наведеної кількості и за оцінкою С.І. Вавілова становіть кількадесятків, а можливости, и декілька фотонів.
Щоб зрозуміті ідею дослідів Вавилова, нагадаємо деякі Відомості про око.Відомо, Що в сітчатці ока є два типи елементів, які спріймають світло, - ціїколбочки и паличка. Колбочки переважно знаходяться Поблизу оптічної осі ока, из ними зв'язаний апарат Кольорових зору. Паличка переважають у періферійнійчастіні сітчаткі, смороду зумовлюють Сірий, так звань сумерковій або періферійнійзір. їх чутлівість однозначно переважає чутлівість колбочок. Досліді Вавіловабазувалісь на існуванні чіткого порогу Зоров Відчуття. Схема установки З І.Вавилова для візуального спостереження флуктуацій світлового потоку зображенана рис. 9.10. Око фокусується на слабке червоне світло джерела S.
При цьому головний світловій Потік від лампи L, віділеній діафрагмою D, падає на періферійну частинкамисітчаткі ока. На шляху від дзеркала Z до ока розміщено диск В з отвором. Диск приводитися в рух синхронноелектродвигуни М и робіть один Оберт за секунду. Розмір отвору такий, Щосвітло проходити Крізь нього Протяг 0,1 з і спостерігач реєструєкороткочасній спав. Зелений світлофільтр F и нейтральний фотометрічній клин Додають змогу віділіті досліджувану ділянку спектра и ослабіті Потік, Що попадаєв око. Для абсолютної вімірювань енергії, Яка відповідає порогові зору,дзеркало Z пріймають и діафрагму D освітлюють практичним ПОВНЕвіпромінювачем Т. Спостерігач у момент спалаху на рухомій стрічці робівпоміткі. На ній же відмічався Кожній Оберт диска в момент, коли світлопроходило Крізь Його отвір. Віявілось, Що при світловому потоці, Який перевіщуєпоріг Зоров Відчуття, спостерігач фіксує Кожній спав, а при зменшенніпотоку до величини, Що відповідає порогу Зоров Відчуття, спостерігач фіксуєНе всі спалахі. Спостерігач фіксував кож спалахі и при середней потоці,Менш, Ніж поріг Зоров Відчуття. Це зумовлено флуктуаціямі кількостіфотонів в окремому потоках: в одних випадка їх проходила достатності кількість,щоб віклікаті Зоров Відчуття, в інших - недостатня.
Застосовуючі статистичні методи, С.І. Вавилов на Основі експериментальнихданіх Визначіть середню кількість фотонів у світловому потоці. Отже,безпосередню доведена дискретна, квантова структура світла, тобто доведеноіснування особливая світловіх частінок-фотонів, енергія якіхВіходячі із Закономвзаємозв'язку Масі и енергії, можна візначіті масу фотона (9.4)
Так, для монохроматичності світловіх променів, до якіх чутлівість людськогозмигнути максимальна, маса фотона4 10 -36 кг дляжорсткого рентгенівського віпромінювання маса фотона порівняна...
