Какие из явлений характеризуют корпускулярные свойства света
Многие кто начинает познавать физику как в школьные годы так и в высших учебных заведениях, рано или поздно сталкиваются с вопросами касательно света. Во-первых, что больше всего мне не нравиться в физике которая нам известна сегодня. Так это трактовка одних понятий, при абсолютно спокойном выражении лица и не обращении внимания на другие явления и эффекты. То есть с помощью одних законов или правил пытаются пояснить те или иные явления, но при этом стараются не замечать эффекты этому объяснению противоречащие. Это уже является своего рода правилом ведения трактовки — Ну а как же вот это и это? Дорогой, послушай мы сейчас говорим о другом, просто не обращай внимания. Ведь в рамках этого вопроса, все бьется? Ну и славно.
Очередным «Котом Шредингера» для любого познания, является КВД (корпускулярно волновой дуализм). Когда состояние фотона (частицы света) или же электрона может описываться как волновыми эффектами так и корпускулярными (частицы). Что касается явлений указывающих на волновые свойства материи, тут все более менее понятно, кроме одной вещи — среда в которых эта самая волна передается. Но касательно корпускулярных свойств и особенно наличия таких «частиц» света как фотоны, у меня есть масса сомнений.
Как люди узнали о том что свет имеет волновую природу? Ну тому способствовали открытые эффекты и проведенные эксперименты с дневным светом. К примеру такое понятие как спектр света, (видимый спектр света) где в зависимости от длинны волны и соответственно частоты, цвет спектра меняется от красного до фиолетового, его то мы и видим нашим несовершенным глазом. Все что находится позади него и перед, относиться к инфракрасному, радио излучению, ультрафиолетовому, гамма излучению и так далее.
Обратите внимание как картинку выше, где изображен спектр электромагнитного излучения. В зависимости от частоты волны электромагнитного проявления оно может быть как гамма излучением, так и видимым светом и не только, к примеру оно может быть даже радио волной. Но что самое удивительное во всем этом, только видимому спектру света, столь незначительному во всем диапазоне частот, почему-то, ВНЕЗАПНО и только исключительно ему, приписываются свойства частиц — фотонов. Только видимый спектр почему-то проявляет корпускулярные свойства. Вы никогда не услышите о корпускулярных свойствах радио волн или скажем гамма излучения, эти колебания корпускулярных свойств не проявляют. Лишь отчасти к гамма излучению применяют понятие «гамма-кванта» но об этом позже.
А какие собственно явления или эффекты подтверждают наличие пусть даже только у видимого спектра света корпускулярных свойств? И вот тут начинается самое удивительное.
Если верить официальной науке, корпускулярные свойства света подтверждаются двумя известными эффектами. За открытие и пояснение этих эффектов были выданы Нобелевские премии по физике Альберту Эйнштейну (фото-эффект), Артуру Комптону (эффект Компотна). Следует отметить вопросом — почему фото-эффект не носит имя Альберта Эйнштейна ведь именно за него он получил Нобелевскую премию? А все очень просто, данный эффект был открыт не им, а другим талантливым ученым (Александр Беккерель 1839), Эйнштейн лишь пояснил эффект.
Давайте начнем с фото-эффекта. Где же по мнению физиков в нем присутствует подтверждение того что свет имеет корпускулярные свойства?
Фото-эффектом называют явление благодаря которому происходит испускание электронов веществом при воздействии на него светом или же любым другим электромагнитным излучением. Иными словами, свет поглощается материей и а его энергия переходит электронам заставляя их двигаться упорядочено, переходя таким образом в электрическую энергию.
На самом деле не понятно как физики пришли к заключению что так называемый фотон является частицей, ведь в явлении фотоэффекта установлено что электроны вылетают на встречу фотонам. Этот факт дает представление о неверной трактовке явления фото-эффекта, так как является одним из условий протекания данного эффекта. Но по мнению физиков, данный эффект показывает что фотон является именно частицей только благодаря тому что поглощается полностью, а так же благодаря тому что выделение электронов не зависит от интенсивности облучения а исключительно от частоты так называемого фотона. Именно поэтому родилось понятие кванта света или корпускула. Но тут следует заострить внимание на том что такое «интенсивность» в данном конкретном случае. Ведь солнечные батареи выдают все же больше электричества при увеличении количества света попадающего на поверхность фотоэлемента. К примеру когда мы говорим о интенсивности звука мы подразумеваем амплитуду его колебаний. Чем больше амплитуда тем большую энергию несет акустическая волна и тем большую мощность необходимо что бы такую волну создать. В случае со светом такое понятие отсутствует напрочь. Согласно сегодняшним представлениям в физике, у света есть частота, но нет амплитуды. Что опять же вызывает массу вопросов. К примеру у радиоволны амплитудные характеристики имеются, а у видимого света, волны которого скажем чуть короче радиоволн — амплитуды нет. Все это описанное выше говорит только о том, что такое понятие как фотон является мягко говоря размытым, а все явления указывающие на его существование как их интерпретация, не выдерживают никакой критики. Либо попросту являются придуманными в рамках поддержки какой либо гипотезы, что скорее всего так и есть.
Что касается Комптоновского рассеивания света (эффект Компотона) вообще не понятно каким образом на основании данного эффекта делается заключение что свет это частица а не волна.
В общем по сути сегодня у физики нет конкретного подтверждения того что частица фотон, является полноценной и существует в виде частицы в принципе. Есть некий квант который характеризуется частотным градиентом и не более. И что самое интересное размеры (длинна) этого фотона, согласно E=hv могут быть от нескольких десятков микрон до нескольких километров. И все это никого не смущает при употреблении слова «частица» к фотону.
К примеру, у фемтосекундного лазера с длинной импульса в 100 фемтосекунд длинна импульса (фотона) составляет 30 микрон. Для справки в прозрачном кристалле расстояние между атомами примерно 3 ангстрема. Ну как тут от атома к атому может лететь фотон величина которого в несколько раз больше этого расстояния?
Но сегодня физика не стесняется оперировать понятием квант, фотон или частица по отношению к свету. Просто не обращая внимания на то что не вписывается в стандартную модель описывающую материю и законы по которым она существует.
оригинал статьи
копия на хорде
Естествознание, 11 класс
Урок 18. Корпускулярные свойства света. Приборы, использующие корпускулярные свойства света
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- какова роль знаний о корпускулярных свойствах света для объяснения принципа действия оптических приборов;
Глоссарий по теме:
Внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения с поверхности металла.
Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.
Вакуумный фотоэлемент – прибор, преобразующий переменный световой поток в переменный электрический ток.
Фоторезистор – резистор с переменным под действием света сопротивлением.
Солнечные фотопреобразователи – приборы вырабатывающие электрический ток под действием света.
Фоточувствительные приборы с зарядовой связью – приборы в которых под действием света накапливается электрический заряд, который потом считывается и преобразуется в электрический сигнал.
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 98-99.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.
- https://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/Квантовая%20оптика.%20Атомная%20и%20ядерная%20физика.%20Физика%20элементарных%20частиц/02-1.htm
- https://mirznanii.com/a/322112/fotoeffekt
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Из курса физики вы знакомы с явлением фотоэффекта. Это явление было открыто немецким физиком Генрихом Герцем и независимо от него русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Также немаловажную роль в изучении фотоэффекта принадлежит Альберту Эйнштейну.
Выделяют внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.
Первый прибор, в основе работы которого лежит внешний фотоэффект – это вакуумный фотоэлемент, который исторически был первым фотодатчиком.
Вакуумный фотоэлемент представляет собой колбу с откаченным воздухом, внутри которой находятся два электрода. Анод – это петля или диск в центре колбы для улавливания фотоэлектронов, а катод – металлическое напыление тонким слоем на стенке колбы. В чём же заключается принцип действия?
В соответствии с фотоэффектом сила тока, создаваемая выбитыми из металла электронами, пропорциональна интенсивности падающего излучения, таким образом, переменный световой поток превращается в переменный электрический ток. Недостатком такого типа элемента являются большие габариты – из-за этого они почти не используются. Но выбрав материал катода с красной границей фотоэффекта в области UV-излучения можно получить прибор, реагирующий только на эти волны и создающий минимальный шум — датчики UV- излучения для пожарных извещателей.
Логическим продолжением вакуумных фотоэлементов являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Или квантовые усилители света. Они предназначены для регистрации очень слабого света, они могут регистрировать даже отдельные фотоны. Используются для регистрации элементарных частиц и в приборах ночного видения (1 ФЭУ – 1 пиксель).
Фотоэлементы используют в качестве датчиков в разных устройствах.
Комбинация фотоэлемента с реле используется в турникетах метро. Турникет закрывается, когда прерывается световой поток.
Подобные автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне. С помощью фотоэлементов воспроизводится звук, записанный на кинопленке. Длительное время применяли внешний фотоэффект в телевидении. Электронно-лучевая трубка или кинескоп телевизора преобразовывала изображение в электрический сигнал.
В отличие от металлов в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект. Под действием света электрон, поглотивший квант света не покидает кристаллическую решётку материала, а переходит в состояние с большей энергией, становится более свободным, и может двигаться по кристаллу, создавая электрический ток.
Внутренний фотоэффект нашёл ещё большее применение, чем внешний.
Во-первых, фоторезисторы, в которых под действием света происходит изменение электрического сопротивления, используются в качестве датчиков, так же, как и фотоэлементы, но имеют значительно меньший размер.
Во вторых, они имеют низкую стоимость и чаще применяются как датчики освещения.
Во-вторых, внутренний фотоэффект применяется в солнечных фотопреобразователях, вырабатывающих электрический ток под действием света. Эти устройства работают в солнечных батареях.
Также есть приборы, которые не только вырабатывают, но и накапливают электрический заряд. Такие приборы называются – фоточувствительные приборы с зарядовой связью.
Совокупность из таких приборов на одном кристалле образует ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрицу. Каждый из этого множества элементов отвечает за преобразование света в электрический сигнал. Прибор имеет малые размеры и малое потребление энергии. В настоящее время ПЗС-матрицы применяются в фотоаппаратах, видеокамерах, мобильных телефонах. В заключении урока остановимся ещё на одном устройстве, использующем квантовые свойства света.
Это оптический квантовый генератор или лазер. Вынужденное излучение происходит в результате квантового перехода с более высокого энергетического уровня на более низкий. Подробно о лазерном излучении и применении лазеров вы узнаете на следующем уроке.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Текст задания 1: К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.
Тип фотоэффекта | Определение |
Внешний | Явление, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов. |
Внутренний | возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). |
Вентильный | испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. |
Многофотонный | это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. |
Правильный вариант:
Вид фотоэффекта | определение |
Внешний | испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. |
Внутренний | это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. |
Вентильный | возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). |
Многофотонный | явление, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов. |
Текст задания 2.:
Вставьте пропущенные слова, выбирая из списка правильные ответы:
Вакуумный фотоэлемент – прибор, преобразующий переменный ___________ в переменный ____________.
Варианты ответов:
Импульс; электрический ток; световой поток; поток интенсивности.
Правильный вариант: световой поток; электрический ток.
Фотоны Эйнштейна и доказательство их реальности
Когда утвердилась теория электромагнитного поля Максвелла, обнаружились световые явления, которые не могли быть объяснены с ее помощью. Трудности, возникшие в распределении энергии по спектру теплового излучения и получившие название «ультрафиолетовой катастрофы», были устранены только введением дискретности излучаемой энергии: Е = hv, гипотезы квантов света. Для объяснения законов фотоэффекта пришлось расширить гипотезу Планка.
Явление фотоэффекта впервые наблюдал Г. Герц (1887) и исследовали А. Г. Столетов, В.Галльвакс и Ф.Ленард. В 1902 г. был обнаружен нижний предел частоты света, до которого ток не появляется и начиная с которого возрастала с увеличением частоты энергия освобожденных электронов. Законы фотоэффекта, полученные из опытов, показывали, что между пластинами возникает электрический ток, который сначала быстро растет, затем переходит к насыщению, причем фототок насыщения зависит только от мощности светового потока, падающего на пластину. Энергия испускаемых электронов определялась частотой падающего света и природой вещества, а не зависела от интенсивности поглощаемого излучения (от нее зависело лишь полное число электронов). Эти законы не соответствовали представлениям волновой теории света — волна не может выбивать электроны из катода. А. Эйнштейн приспособил идею Планка к объяснению этих законов.
Фотоэффект указывает на дискретное строение света, связанное с существованием квантов, — решил Эйнштейн. Назвав кванты электромагнитного излучения фотонами, он стал рассматривать световой поток как поток квантов с энергией Е = hv, падающих на пластинку. Энергия порции света затрачивается на совершение работы по вырыванию электрона и сообщению ему кинетической энергии. Если величина Е = hv меньше, чем работа выхода А, эффект не наступает; значит, со стороны больших волн существует предел, зависящий от облучаемого тела. Если же величина Е = hv больше этого предела, то энергия освобожденного электрона равна энергии кванта, уменьшенной на работу выхода. При этом скорость фотоэлектронов увеличивается с частотой падающего излучения и не зависит от его плотности. Красная граница фотоэффекта — определенная длина волны излучения, начиная с которой наблюдается ток, — связана с разной работой выхода фотоэлектрона из разных металлов. Частицы света в отличие от частиц электричества — электронов не одинаковы, а отличаются энергией, равной hv. Они рождаются при испускании света и исчезают при поглощении, т. е. в отличие от корпускул Ньютона обладают материальной сущностью.
Эйнштейн распространил дискретность не только на испускание и поглощение, но и на само излучение: «Мы должны предположить, что однородный свет состоит из зерен энергии… «световых квантов», т. е. небольших порций энергии, несущихся в пустом пространстве со скоростью света». Правоту выводов подтвердил Милликен, определив постоянную Планка h (1916).
В 1912 г. Эйнштейн, исходя из тех же соображений, установил основной фотохимический закон, согласно которому при всякой фотохимической реакции происходит сначала поглощение одного кванта света, а затем вызванное им превращение (возбуждение или ионизация с испусканием электрона) в одном атоме или молекуле.
Наблюдается явление, обратное явлению фотоэффекта, — возникает излучение из-за захвата электрона атомом или молекулой. Захват происходит в одном акте, появляется фотон, энергия которого равна кинетической энергии электрона (сложенной с работой выхода). В трубке Рентгена торможение электронов происходит на антикатоде во многих элементарных актах. Но наибольшая возможная частота всегда соответствует кинетической энергии электронов. Это утверждается в законе Дюане и Гунта (1915).
Эйнштейн, анализируя статистические закономерности излучения, кроме энергии фотона Е = hv, упоминал импульс фотона и подчеркивал, что он важен, несмотря на свою малую величину. В 1923 г. американский физик А.Комптон показал, что при рассеянии легкими элементами жестких рентгеновских лучей в рассеянном излучении появляются лучи с измененной длиной волны, которая зависит от угла рассеяния (рис. 5.9). Этот эффект (разница частот излучения) не мог быть объяснен в классической теории и легко объяснялся в квантовой, построенной независимо П. Дебаем и А. Комптоном. Она является по существу применением законов сохранения энергии и импульса к взаимодействию между квантом света и свободным электроном. После удара часть энергии и импульса кванта переходит к электрону, а фотон летит дальше с другой частотой (уменьшенной энергией) и в другом направлении. Эти представления подтвердились опытами.
Закон сохранения энергии
закон сохранения импульса — частота падающих
рентгеновских лучей, — энергия покоящегося электрона, v — частота
рассеянных рентгеновских лучей, — отношение скорости электрона
после соударения с фотон рентгеновского излучения к скорости света с.
Из этих уравнений можно определить Угол
есть угол между направлениями первоначального и рассеянного рентгеновского излучений. Эффект Комптона являлся прямым подтверждением гипотезы световых квантов.
Из трех констант можно составить комбинацию, имеющую
размерность длины , называемую комптоновской длиной волны,
которая равна 2,42 • 10-12 м. Зависимость изменения длины волны фотона от угла рассеяния можно записать так:
Итак, квантовые свойства фотона проявляются в фотоэффекте, основном фотохимическом законе, в эффекте Комптона (в первых главную роль играет энергия фотона, в третьем — его импульс). Комптон и Дебай независимо указали, что основные особенности этих явлений объяснены, если рассматривать взаимодействие между электроном и электромагнитной волной как соударение электрона с фотоном. Тем самым была доказана справедливость квантовой теории света.
Открытие комбинационного рассеяния света (вжид-костях и кристаллах) подтвердило гипотезу световых квантов. Суть явления состоит в следующем. Кванты оптического диапазона поглощаются молекулами вещества и вызывают их возбуждение. Возбужденная молекула излучает квант с меньшей энергией, и вторичное излучение оказывается смещенным в красную сторону спектра. Но при поглощении фотона молекулой, которая в этот момент уже находится в возбужденном состоянии, вторичное излучение может иметь и большую энергию, т.е. будет смещено в фиолетовую сторону спектра. Комбинационное излучение объясняет многие природные явления и широко используется для изучения строения молекул, межмолекулярных взаимодействий, протекания химических реакций, поверхностных явлений, фазовых переходов.
В последние 30 лет в качестве источников света стали широко применять лазеры, и были получены просто фантастические по точности результаты. Если раньше нужно было подбирать случаи, когда линия комбинационного рассеяния приходилась на край полосы электронного поглощения, что удавалось редко, то с использованием лазерных источников, перестраиваемых по частоте, можно получить узкую спектральную линию в разных областях спектра: можно изучать резонансное рассеяние, ранее недоступную колебательно-вращательную тонкую структуру линий, которая весьма информативна.