Тема: Фотоефект. Закони фотоефекту.

Гіпотеза Планка. Стала Планка. Кванти світла (фотони). Енергія, маса та імпульс фотона. Тиск світла. Досліди Лебедєва

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 = hn, (1)

де n - 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 = hn. 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 = hn = w (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 вотон 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 + hn = 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.