Фотонна теорія світла. Маса та імпульс фотона. Досліди Боте та Вавилова

1.3 Фотонна теорія світла. Маса та імпульс фотона. Досліди Боте та Вавилова

Фотоефект має не тільки широке технічне застосування, але й важливе теоретичне значення при з'ясуванні природи світла.

Як зазначалось, для пояснення розподілу енергії випромінювання в спектрі абсолютно чорного тіла М. Планк висунув гіпотезу, що світло випромінюється порціями, енергія яких . Для з'ясування законів фотоефекту довелось припустити, що світло поглинається порціями енергії.Ці явища неможливо пояснити на основі класичної фізики.

Оскільки у світловому потоці енергія розподілена не рівномірно у просторі, а переноситься окремими фотонами, то вона і в часі повинна сприйматися дискретними порціями. Проте концентрація фотонів за звичайних умов настільки велика, що світловий потік сприймається як неперервний потік енергії.

Мал.2

Якщо світло має корпускулярні властивості, то в слабких світлових потоках повинні мати місце флуктуації. Такі флуктуації спочатку були виявлені для короткохвильового випромінювання (рентгенівського і  -випромінювання). Одним із перших флуктуацію спостерігав В. Боте (1891-1957). У своїх дослідах він між двома газорозрядними лічильниками Л розташовував тонку металеву фольгу Ф (мал.2). Фольга опромінювалася слабким потоком рентгенівських, променів, піддією яких вона сама ставала джерелом цих променів. Оскільки інтенсивність падаючого на фольгу рентгенівського опромінювання була малою, то кількість квантів, які випромінювались нею, була невеликою. При потраплянні рентгенівських променів у лічильник він спрацьовував і приводив у дію механізм М, який робив мітку на рухомій стрічці С. Якби із джерела Ф в усі сторони поширювались хвилі, як цього вимагає теорія про хвильову природу світла, то обидва лічильники спрацьовували б одночасно й мітки на стрічці знаходились би одна навпроти другої. Якщо ж джерело Ф випускає рентгенівські кванти ліворуч і праворуч неузгоджено, тобто безладно, то відповідно і розташування міток на рухомій стрічці повинно бути безладним, що і спостерігалося в дійсності. Такий результат і повинен бути отриманий відповідно до квантових уявлень про світло.

Мал.3

Особливе значення має виявлення флуктуацій світлових потоків для видимого світла. Такі дослідження виконали С.І.Вавилов із співробітниками. Приймачем у цих дослідах було людське око.

Щоб зрозуміти ідею дослідів Вавилова, нагадаємо деякі відомості про око. В сітківці ока є два типи елементів, які сприймають світло, це колбочки і палички. Колбочки переважно знаходяться поблизу оптичної осі ока, і з ними зв'язаний апарат колірного зору. Палички переважають у периферійній частині сітківки, вони зумовлюють сірий, так званий присмерковий зір. їх чутливість значно переважає чутливість колбочок. Вони здатні реагувати на світловий потік, зумовлений падінням на рогівку до двохсот фотонів зеленого світла. Внаслідок відбивання і поглинання сітківки досягає декілька десятків фотонів. Ця кількість визначає так званий поріг зорового відчуття. У разі падіння меншої кількості фотонів зорове відчуття не виникає. Досліди Вавилова базувались на існуванні порогу зорового відчуття. Схема установки Вавилова для спостереження флуктуацій світлового потоку зображена на (мал.3)

Око фіксується на слабке червоне світло джерела S. У цьому разі головний світловий потік від лампи L, виділений діафрагмою D падає на периферійну частину сітківки ока. На шляху від дзеркала Z до ока розміщено диск В з отвором. Диск приводиться в рух синхронним електродвигуном М і робить один оберт за секунду. Розмір отвору такий, що світло проходить крізь нього протягом 0,1 с і спостерігач реєструє короткочасний спалах. Зелений світлофільтр F і нейтральний фотометричний клин К дають змогу виділити досліджувану ділянку спектра та ослабити потік, що попадає в око. Для абсолютних вимірювань енергії, яка і відповідає порогові зору, дзеркало Z приймають і діафрагму D освітлюють практичним повним випромінювачем Т. Спостерігач у момент спалаху на рухомій стрічці робив позначки. На ній же відмічався кожний оберт диска в момент, коли світло проходило крізь його отвір. Виявилось, що у випадку, коли світловий потік перевищує поріг зорового відчуття, спостерігач фіксує кожний спалах, а із зменшенням потоку до величини, що відповідає порогу зорового відчуття, не всі спалахи. Спостерігач реєстрував також спалахи і при середньому потоці, меншому, ніж поріг зорового відчуття. Це зумовлено флуктуаціями кількості фотонів в окремих потоках: в одних випадках їх проходила достатня кількість, щоб викликати зорове відчуття, а в інших недостатня.

Застосовуючи статистичні методи, С.І.Вавилов на основі експериментальних даних визначив середню кількість фотонів у світловому потоці. Отже, безпосередньо доведена дискретна, квантова структура світла, тобто підтверджено існування світлових частинок – фотонів, енергія яких h. Виходячи Із закону взаємозв'язку маси і енергії, можна визначити масу фотона

 (14)

Так, для монохроматичних світлових променів, до яких чутливість людського ока максимальна ( = 0,555 мкм), маса фотона =4*10 кг, для жорсткого рентгенівського випромінювання маса фотона порівняна з масою електрона, а для  -випромінювання - більша за масу електрона. Частинка, яка рухається зі швидкістю V і має масу спокою , матиме масу

 (15)

Оскільки фотон рухається у вакуумі зі швидкістю с, то знаменник у формулі (15) перетворюється в нуль. З рівності (14) випливає, що маса фотона скінченна. Це можливо за умови, коли маса спокою фотона дорівнює нулю. Отже, фотон - це особлива частинка, яка істотно відрізняється від таких частинок, як електрон, протон, нейтрон, що мають відмінну від нуля масу спокою. Фотон не має маси спокою і може існувати тільки в русі зі швидкістю c. Імпульс фотона

 (16)

де =,  - модуль хвильового вектора k. У векторній формі співвідношення(16) набуває вигляду

 (17)

Ряд явищ вказує на те, що світло поводить себе як потік частинок (фотонів). Але не слід забувати, що такі явища, як інтерференція і дифракція світла, можуть бути пояснені тільки на основі хвильових уявлень.

Отже, світло має корпускулярно-хвильові властивості (двоїстість): в одних явищах проявляється хвильова природа світла, і воно поводить себе як електромагнітна хвиля, в інших – його корпускулярна природа, і воно поводить себе як потік фотонів.

1.4Тиск світла. Досліди Лебедєва

Серед різних дій світла тиск займає особливе місце. Ідея про те, що світло повинно тиснути на освітлювані ним поверхні, була висловлена ще Й. Кеплером (1571-1630), який вбачав у ній пояснення напрямів хвостів комет.

Двоїста природа світла значно утруднює наочну інтерпретацію властивостей випромінювання. З іншого боку, нерозривна єдність хвильових і корпускулярних властивостей світла дає змогу глибше зрозуміти і пояснити ряд явищ, зумовлених взаємодією випромінювання з речовиною.

З погляду квантової теорії тиск світла зумовлений зміною імпульсу фотонів при поглинанні та відбиванні їх поверхнею тіл.

Виведемо формулу тиску світла на основі квантової теорії. Нехай на поверхню площею  падає потік фотонів концентрації п під кутом  (мал.4). Визначимо число фотонів , яке падає на площадку  за час . Для цього потрібно концентрацію фотонів п помножити на об'єм похилого паралелепіпеда, висота якого . Тоді

.

Мал.4

Імпульс одного фотона частоти V дорівнює , його напрям визначається напрямом руху фотонів. Тиск спричиняє зміна нормальної складової імпульсу К_п, яка дорівнює . Тоді нормальна складова імпульсу фотонів, які падають на площадку  за час ,

 (18)

Якщо поверхня непрозора, а коефіцієнт дзеркального відбивання нею світла , то повна зміна нормальної складової імпульсу відбитих і поглинутих фотонів

Враховуючи, що зміна імпульсу дорівнює імпульсу сили, можна записати

.

Тоді тиск світла

.(19)

Добуток концентрації фотонів п на енергію фотона  дорівнює об'ємній густині  світлової енергії. Тоді

.(20)

У разі нормального падіння світла (= 0) його тиск виражається формулою

.(21)

Якщо користуватись густиною потоку світлової енергії и =, то формулу (9.10) можна записати так:

.(22)

Мал.5

На основі електромагнітної теорії виникнення тиску пояснюється так. Нехай на тіло А перпендикулярно до його поверхні падає електромагнітна хвиля (мал.5). Електричний E і магнітний H вектори світлової хвилі лежать у площині поверхні тіла А. Під дією сили  додатні електричні заряди тіла зазнаватимуть зміщення в напрямі E, а від'ємні – у протилежному напрямі. Зміщення зарядів створюють поверхневий струм, паралельний вектору Е. У металах та інших провідниках це струм провідності, а в діелектриках – поляризаційний струм зміщення. Магнітне поле світлової хвилі діятиме на цей струм за законом Ампера із силою , напрям дії якої збігається з напрямом поширення падаючої хвилі. Сила, що діє на одиницю площі поверхні, являє собою тиск світла. На основі електромагнітної теорії Дж.Максвелл одержав формулу для обчислення тиску світла на тіло, яка збігається з формулою (20).

Отже, результати, одержані на основі квантової і хвильової теорій світла, однакові.

У 1900 р. П.М.Лебедєв вперше експериментально виміряв тиск світла на тверді тіла. На основі дослідів він дійшов висновку, що тиск світла на дзеркальну поверхню у два рази більший за тиск на поверхню, що майже повністю поглинає світло. Значення тиску світла, одержане експериментально, узгоджувалося з теоретичними розрахунками з точністю ±20 %. У 1923 р. В.Герлах (1889-1979) повторив дослід Лебедєва і його результати узгоджувалися з теоретичними величинами і точністю ± 2 %. У 1908 р. П.М.Лебедєв виміряв тиск світла на гази.

Світловий тиск досить малий. Так, за межами атмосфери Землі інтенсивність сонячного випромінювання дорівнює 1400 Вт/м². Відповідний тиск при нормальному падінні світла на поверхню, для якої р = 0,5, дорівнює  Па. Ця величина у 10¹⁰ менша від атмосферного тиску. Незважаючи на те, що тиск світла малий, його необхідно враховувати у ряді випадків. Так, сила гравітаційної взаємодії частинок пропорційна кубу їх радіуса, а сила світлового тиску пропорційна квадрату радіуса частинки. Для частинок досить малих розмірів ці сили можуть бути однакових порядків. Це дає підставу зробити припущення, що хвости комет зумовлені світловим тиском.

Нерівномірність освітлення поверхонь штучних супутників Землі викликає небажане їх обертання навколо деякої осі.

Фокусування лазерного пучка у "пляму" досить малого радіуса дас змогу одержати великі тиски. За їх допомогою можна мікроскопічним частинкам надати прискорення, які в мільйони разів більші за прискорення вільного падіння, а це набуває широкого практичного застосування.

Похожие работы

Психолого-педагогічні аспекти комп’ютерного моделювання при вивченні розділу "Геометричної оптики"

Скачать

135809

1

21

... зичної освіти, а й важливий чинник загального розвитку школяра та професійного становлення у будь-якій галузі. Перша проблема, яку потрібно вирішити, упроваджую чи елементи комп'ютерного моделювання при вивченні фізики – вибір інструментальних засобів його реалізації. У час зародження сучасних інформаційних технологій єдиним способом було використання мов програмування високого рівня. За останні ...

Фізичні основи роботи комп’ютера

Скачать

191192

6

39

... принтера також містить різні мови опису даних (Adobe PostScript, PCL і тощо.). Ці мови знову ж таки призначені для того, щоб забрати частину роботи у комп'ютера і передати її принтеру. Розглянемо фізичний принцип дії окремих компонентів лазерного принтера. 2.5.29 Фотобарабан Як вже писалося вище, найважливішим конструктивним елементом лазерного принтера є фотобарабан, що обертається, за ...

Культурологічний підхід як основа модернізації змісту астрономічної освіти у загальноосвітніх навчальних закладах

Скачать

174575

5

3

... для фахівців в області філософії, історії науки, религиоведения, соціології, соціальної психології, мистецтвознавства і інших наукових дисциплін. 2.3 Модернізація змісту астрономічної освіти на основі культурологічного підходу Модернізація освіти, що базується на інформаційно-комунікаційних технологіях, припускає формування нових моделей учбової діяльності, що використовують інформаційні і ...

Математичний більярд

Скачать

51067

7

34

... многокутнику існують періодичні траєкторії. Тепер перейдемо до наступного розділу курсової роботи, де продемонстровано, як викладені теоретичні відомості застосовуються на практиці. Практичне застосування теорії математичних більярдів   Практичні задачі, що розв’язуються застосуванням правил побудови більярдних траєкторій Ось деякі олімпіадні задачі, що дуже витончено розв’язуються за ...