Какие явления доказывают квантовые свойства света
Задумывались ли вы о том, что собой представляют на самом деле многие световые явления? Для примера возьмем фотоэффект, тепловые волны, фотохимические процессы и тому подобное – все это квантовые свойства света. Если бы они не были открыты, труды ученых не двинулись бы с мертвой точки, собственно, как и научно-технический прогресс. Изучают их в разделе квантовой оптики, который неразрывно связан с одноименным разделом физики.
Квантовые свойства света: определение термина
До недавнего времени четкую и понятную трактовку данному оптическому явлению дать не могли. Им успешно пользовались в науке и повседневной жизни, на его основе строили не только формулы, но и целые задачи по физике. Сформулировать окончательное определение получилось лишь у современных ученых, которые подводили итоги деятельности своих предшественников. Итак, волновые и квантовые свойства света – это следствие особенностей его излучателей, которыми являются электроны атомов. Квант (или фотон) образуется за счет того, что электрон переходит на пониженный энергетический уровень, тем самым генерируя электро-магнитные импульсы.
Первые оптические наблюдения
Предположение о наличии у света квантовых свойств появилось в XIX столетии. Ученые открыли и усердно изучали такие явления, как дифракция, интерференция и поляризация. С их помощью была выведена электромагнитная волновая теория света. Она базировалась на ускорении движения электронов во время колебания тела. За счет этого происходило нагревание, а следом за ним появлялись световые волны. Первую авторскую гипотезу на сей счет сформировал англичанин Д. Рэлей. Он расценивал излучение как систему одинаковых и постоянных волн, причем в замкнутом пространстве. Согласно его выводам, при уменьшении длины волн мощность их должна была непрерывно возрастать, более того, требовалось наличие ультрафиолетовых и рентгеновских волн. На практике же все это не подтвердилось, и за дело взялся другой теоретик.
Формула Планка
В самом начале XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения – выдвинул интересную гипотезу. Согласно ей, излучение и поглощения света происходит не непрерывно, как думали ранее, а порционно – квантами, или, как их еще называют, фотонами. Была введена постоянная Планка – коэффициент пропорциональности, обозначаемый буквой h, и он был равен 6,63·10-34Дж·с. Дабы высчитать энергию каждого фотона, требовалась еще одна величина – v– частота света. Постоянная Планка умножалась на частоту, и в результате получали энергию отдельно взятого фотона. Так немецкий ученый точно и грамотно закрепил в одной простой формуле квантовые свойства света, которые ранее были обнаружены Г. Герцем и обозначены им как фотоэффект.
Открытие фотоэффекта
Как мы уже сказали, ученый Генрих Герц был первым, кто обратил внимание на незамечаемые ранее квантовые свойства света. Фотоэффект был открыт в 1887 году, когда ученый соединил освещенную цинковую пластину и стержень электрометра. В случае если до пластины доходит положительный заряд, электрометр не разряжается. Если излучается заряд отрицательный, то прибор начинает разряжаться, как только на пластину попадает луч ультрафиолета. В ходе данного практического опыта было доказано, что пластина под воздействием света может излучать отрицательные электрические заряды, которые впоследствии получили соответствующее название — электроны.
Практические опыты Столетова
Практические эксперименты с электронами проводил русский исследователь Александр Столетов. Для своих опытов он использовал вакуумный стеклянный баллон и два электрода. Один электрод использовался для передачи энергии, а второй был освещаемым, и к нему подводился отрицательный полюс батареи. В ходе данной операции начинала возрастать сила тока, но через некоторое время она становилась постоянной и прямо пропорциональной излучению светового потока. В результате было выявлено, что кинетическая энергия, а также задерживающие напряжения электронов не зависят от мощности светового излучения. Но увеличение частоты света заставляет расти данный показатель.
Новые квантовые свойства света: фотоэффект и его законы
В ходе развития теории Герца и практики Столетова были выведены три основные закономерности, по которым, как оказалась, функционируют фотоны:
1. Мощность светового излучения, которое падает на поверхность тела, прямо пропорциональна силе тока насыщения.
2. Мощность светового излучения никак не влияет кинетическую энергию фотоэлектронов, а вот частота света является причиной линейного роста последней.
3. Существует некая «красная граница фотоэффекта». Суть заключается в том, что если частота меньше минимального показателя частоты света для данного вещества, то фотоэффекта не наблюдается.
Трудности столкновения двух теорий
После формулы, выведенной Максом Планком, наука столкнулась с дилеммой. Ранее выведенные волновые и квантовые свойства света, которые были открыты чуть позже, не могли существовать в рамках общепринятых физических законов. В соответствии с электромагнитной, старой теорией, все электроны тела, на которое попадает свет, должны приходить в вынужденное колебание на равных частотах. Это порождало бы бесконечно большую кинетическую энергию, что никак невозможно. Более того, для накопления необходимого количества энергии электронам нужно было пребывать в состоянии покоя десятки минут, в то время как явление фотоэффекта на практике наблюдается без малейшей задержки. Дополнительная путаница возникала также из-за того, что энергия фотоэлектронов не зависела от мощности светового излучения. Кроме того, еще не была открыта красная граница фотоэффекта, а также не была высчитана пропорциональность частоты света кинетической энергии электронов. Старая теория не смогла четко объяснить видимые глазу физические явления, а новая была еще не до конца отработанной.
Рационализм Альберта Эйнштейна
Лишь в 1905 году гениальный физик А. Эйнштейн выявил на практике и четко сформулировал в теории, какова она — истинная природа света. Волновые и квантовые свойства, открытые с помощью двух противоположных друг другу гипотез, в равных частях присущи фотонам. Для полноты картины не хватало лишь принципа дискретности, то есть точного местонахождения квантов в пространстве. Каждый квант – это частица, которая может поглощаться или излучаться как единое целое. Электрон, «проглатывая» внутрь себя фотон, увеличивает свой заряд на значение энергии поглощаемой частицы. Далее, внутри фотокатода электрон движется к его поверхности, сохраняя при этом «двойную порцию» энергии, которая на выходе превращается в кинетическую. Таким простым образом и осуществляется фотоэффект, в котором отсутствует запоздалая реакция. У самого финиша электрон выпускает из себя квант, который и падает на поверхность тела, излучая при этом еще больше энергии. Чем больше количество выпущенных фотонов – тем мощнее излучение, соответственно, и колебание световой волны растет.
Простейшие приборы, в основе которых лежит принцип фотоэффекта
После открытий, сделанных немецкими учеными на заре ХХ столетия, началось активное применение квантовых свойств света для изготовления различных приборов. Изобретения, принцип действия которых заключается в фотоэффекте, называют фотоэлементами, простейший представитель которых – вакуумный. В числе его недостатков можно назвать слабую проводимость тока, низкую чувствительность к излучению длинных волн, из-за чего он не может быть использован в цепях переменного тока. Вакуумный прибор широко используется в фотометрии, им измеряют силу яркости и качества света. Также он играет важную роль в фототелефонах и в процессе воспроизведения звука.
Фотоэлементы с проводниковыми функциями
Это уже совсем иной тип приборов, в основе которых лежат квантовые свойства света. Их назначение – изменение концентрации носителей тока. Данное явление иногда называют внутренним фотоэффектом, и он составляет основу работы фоторезисторов. Данные полупроводники играют очень важную роль в нашей повседневной жизни. Впервые их начали использовать в ретро-автомобилях. Тогда они обеспечивали работу электроники и аккумуляторов. В середине ХХ века подобные фотоэлементы стали применять для строительства космических кораблей. До сих пор за счет внутреннего фотоэффекта работают турникеты в метро, портативные калькуляторы и солнечные батареи.
Фотохимические реакции
Свет, природа которого стала лишь частично доступна науке в ХХ веке, на самом деле влияет на химические и биологические процессы. Под воздействием квантовых потоков начинается процесс диссоциации молекул и их слияние с атомами. В науке такое явление называется фотохимией, а в природе одним из его проявлений является фотосинтез. Именно за счет световых волн в клетках производятся процессы по выбросу определенных веществ в межклеточное пространство, за счет чего растение приобретает зеленый оттенок.
Влияют квантовые свойства света и на человеческое зрение. Попадая на сетчатку глаза, фотон провоцирует процесс разложение молекулы белка. Данная информация транспортируется по нейронам в мозг, и после ее обработки мы можем видеть все при свете. С наступлением темноты молекула белка восстанавливается, и зрение аккомодируется к новым условиям.
Итоги
В ходе данной статьи мы выяснили, что главным образом квантовые свойства света проявляются в явлении, называемом фотоэффектом. Каждый фотон имеет свой заряд и массу, и при столкновении с электроном попадает внутрь него. Квант и электрон становятся одним целым, и их совместная энергия превращается в кинетическую, что, собственного говоря, и требуется для осуществления фотоэффекта. Волновые колебания при этом могут увеличить производимую фотоном энергию, но лишь до определенного показателя.
Фотоэффект в наши дни является незаменимой составляющей большинства видов техники. На его основе строят космические лайнеры и спутники, разрабатывают солнечные батареи, используют как источник вспомогательной энергии. Кроме того, световые волны оказывают огромное влияние на химико-биологические процессы на Земле. За счет простых солнечных лучей растения становятся зелеными, земная атмосфера окрашивается во всю палитру синего цвета, и мы видим мир таким, каков он есть.
Фотоэлектрический эффект
Квантовая
гипотеза Планка привела к представлению о том, что свет атомами испускается и
поглощается отдельными порциями энергии – квантами, нуждалась в опытных
подтверждениях. Такими опытами явились фотоэлектрический эффект, химическое
действие света, тормозное рентгеновское излучение, эффект Комптона, флуктуация
светового потока и т д. Из этих эффектов наибольшее внимание будем уделять
фотоэффекту и эффекту Комптона.
Явление
фотоэлектрического эффекта открыто нем. уч. Г. Герцем (1887). Он установил, что
при освещении отрицательного электрода искрового разрядника ультрафиолетовым
светом разряд наступает при меньшем напряжении между электродами. В опытах,
проведенных далее В. Гальваксом и А. Г. Столетовым, было установлено, что это
явление обусловлено выбиванием под действием света зарядов из металлического
катода разрядника.
Мы
рассмотрим внешний фотоэффект – вырывание электронов из твердых и жидких
веществ под действием света. Исследования фотоэффекта на металлах показало, что
этот эффект зависит не только химической природы металла, но и от состояния его
поверхности. Поэтому изучение фотоэффекта проводят в вакуумной трубке (рис.43).
Рис.43
Освещение катода
выполняется через кварцевое окно, напряжение между катодом и анодом изменяется
с помощью потенциометра, фототок измеряется гальванометром. На рис.44
изображены кривые зависимости фототока I
от напряжения U, соответствующие
двум энергетическим освещенностям.
Рис.44
Частота света в
обоих экспериментах одинакова. Существование фототока в области отрицательных
напряжений от 0 до – U
свидетельствует о том, что вырванные светом электроны обладают кинетической
энергией, за счет которой они совершают работу по преодолению задерживающего
электрического поля и достигают анода. Максимальная начальная скорость
фотоэлектронов определяется соотношением
,
(42)
где e
и m
– заряд и масса электрона.
Максимальное
значение силы тока Iн называется
током насыщения и он равен
Iн =
еn,
где n
– число электронов, вырываемых из катода за 1с.
Опыт показывает, что фотоэффект практически безынерционен.
Законы
внешнего фотоэффекта
1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется
частотой света и не зависит от его интенсивности.
2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта
– минимальная частота ν света, при которой фотоэффект
перестает наблюдаться.
3. Число фотоэлектронов, вырванных из катода за единицу
времени пропорционально интенсивности падающего света.
Явление
фотоэффекта в течение значительного времени не находило объяснения, потому, что
его законы противоречили принципам классической физики. Например, согласно
первому закону начальная скорость вырванных светом электронов, т. е. их
кинетическая энергия, зависит от частоты, а не от амплитуды световой волны и
связанной с ней интенсивности света. Это относится в равной мере и к второму
закону.
В
1905 г. Эйнштейн показал, что основные закономерности фотоэффекта могут быть
легко объяснены, если считать, что свет поглощается такими же порциями ,
какими по предположению Планка, излучаются. Тогда энергия кванта света
передаваемая электрону идет на работу вырывания электрона из металла и
сообщение электрону кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует
.
(43)
Это равенство
называется формулой Эйнштейна. На основе соотношения (42) оно может быть
переписано в виде
,
где hν
– квант световой энергии,
соответствующий красной границе фотоэффекта. В таком виде формула Эйнштейна
многократно подверглась экспериментальной проверке. Эта формула содержит
пропорциональность между кинетической энергией вырванных фотоэлектронов и
частотой падающего света. Она указывает наличие красной границы фотоэффекта и
позволяет оценить работу выхода электронов из металла.
В
развитие взглядов о квантовом характере излучения и его взаимодействия с
веществом ввели свой вклад и российские ученые. А.Ф. Иоффе и Н.И Добронравов
(1922) изучали изменение заряда небольшой пылинки, взвешенной в электрическом
поле под действием слабого потока света, Опыт показал, что пылинка в
электрическом поле «вздрагивала» в среднем через каждые 30 минут, показывая
попадание отдельного фотона на пылинку.
С.И.
Вавилов с сотрудниками визуально наблюдал флуктуации интенсивности слабого
светового потока в виде вспышек. Наблюдение велось на пороге светового
восприятия человеческого глаза. Наблюдатель часть вспышек видел, часть из них не
видел. Опыт свидетельствовал о том, что в разные промежутки времени источник
света испускает разное число фотонов.
Внешний
фотоэффект не является единственным видом фотоэффекта, существует также внутренний фотоэффект, наблюдаемый в
диэлектриках и полупроводниках, Он заключается в возбуждении переходов
электронов, поглотивших квант света, из валентной зоны в зону проводимости. В
результате этого появляется пара носителей тока и увеличивается проводимость
вещества.
В области
р—n-перехода
и на границе металла с полупроводником наблюдается вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под
действием света электродвижущей силы в области р—n-перехода.
На
основе фотоэффекта построены различные устройства, широко применяемые в технике.
Это фотоэлементы, фотоумножители, фотосопротивления и т. д.
Фотон и его свойства
Стало очевидным,
что свет испускается, поглощается и распространяется в виде отдельных квантов,
что позволило Эйнштейну рассматривать квант света как частицу, а именно,
световую частицу, которую он назвал фотоном.
Энергия фотона равна .
Из соотношения связи массы и энергии следует, что фотон обладает массой
.
(44)
Фотон в любой
среде движется, как и в вакууме со скоростью с.
Это утверждение не противоречит опытному факту, что скорость света в среде всегда
меньше, чем в вакууме, потому что движение фотона в среде связано с
переизлучением. В отличие от других элементарных частиц, масса покоя фотона
равна нулю. Этот вывод следует из соотношения (скорость
фотона = с). Импульс фотона рф
и энергия фотона ε,
в соответствии с общей формулой специальной теории относительности связаны
соотношением
для фотона m = 0 и
рф
=,
где
— приведенная
постоянная Планка. Направление импульса совпадает с направлением
распространения света, характеризуемому волновым вектором ,
численно равным волновому числу. Таким образом,
фотон подобно любой частице обладает массой, импульсом и энергией, эти
корпускулярные свойства света связаны с его волновой характеристикой – его
частотой ν.
Давление света
Экспериментальным
доказательством импульса фотона является существование давления света. С
квантовой точки зрения давление света вызвано передачей фотоном импульса
поверхности, с которой фотон соударяется. Пусть на единицу поверхности падает
за единицу времени N
фотонов. Если все фотоны поглощаются поверхностью, то давление оказываемое на
поверхность равно . Если все фотоны
отражаются от поверхности, давление удвоится за счет отдачи фотонов .Если
отражается только доля ρ
фотонов, то давление выразится в виде
,
(45)
где ρ
– коэффициент отражения. –
интенсивность света тогда
.
(46)
Эта
формула совпадает с формулой для давления электромагнитной волны. Формула (46)
была подтверждена опытами П. Н. Лебедева.
Эффект Комптона
Квантовые
свойства света наиболее отчетливо проявляются в эффекте обнаруженном (1923) А.
Комптоном (1892-1962) при наблюдении рассеяния монохроматического
рентгеновского излучения веществами из легких атомов (графит, парафин, бор и
т.д.). Схема его опыта изображена на рис.45.
Рис.45
Узкий
диафрагмированный пучок падает на рассеивающее вещество РВ и после рассеяния на
угол q попадает на
рентгеновский спектрограф, состоящий из кристалла Кр и приемника Пр. Комптон
установил, что в рассеянных лучах наряду с излучением первоначальной длины
волны l присутствует
также излучение большей длины волны l’.
Разность Δl
= l’-l
оказалась независящей от l
и природы рассеивающего вещества. Экспериментально была установлена следующая
зависимость
(47)
где q
— угол, образуемый направлением рассеянного пучка с направлением первичного
пучка, lС
– постоянная, равная 2,42 пм, называется комптонов-ской длиной волны.
Все
особенности эффекта Комптона можно объяснить, рассматривая рассеяние как
процесс упругого соударения фотонов с практически свободными электронами.
Свободными можно считать наиболее слабо связанные с атомом валентные
электроны, энергия связи которых много меньше энергии, передаваемой
рентгеновским фотоном при соударении. При соударении с фотоном электрон
приобретает импульс и энергию и его называют электроном отдачи.
Пусть
на покоящийся свободный электрон падает фотон с энергией и
импульсом . Энергия
электрона и его импульс равны нулю. После соударения электрон будет обладать
кинетической энергией и импульсом ,
импульс фотона и его энергия тоже изменятся и станут равными и
. В векторной
форме закон сохранения импульса выражается в виде .
Исходя из рис.46,
это соотношение перепишем в скалярной форме
Рис.46
или
(48)
и напишем закон
сохранения энергии
,
(49)
откуда
.
(50)
Приравнивая
выражения (48) и (50), получаем
,
приведя выражение
в скобке в левой части равенства к общему знаменателю, получим
.
Теперь учтем, что l’
мало отличается от l
и, переписав это выражение в виде
и,
сократив на l2, получим выражение
по
форме совпадающее с эмпирической формулой Комптона. Приобретает физический
смысл и комптоновская длина волны .
Ее значение, вычисленное по этой формуле очень хорошо согласуется с
эксперименталь-ным значением 2,42 пм. Понятно, что эффект Комптона подтверждает
квантовую природу излучения.
Корпускулярно-волновая двойственность природы света
Ряд опытных
фактов – фотоэффект, тормозное рентгеновское излучение, эффект Комптона и др.
свидетельствует о справедливости квантовых (корпускулярных) представлений на
природу света, в то же время большая группа явлений – интерференция,
дифракция, поляризация и др. свидетельствует о волновой природе света. А какова
же, на самом деле, природа света? Свет это непрерывный ряд электромагнитных
волн или же поток дискретных фотонов беспорядочно испускаемых источником света?
Приписывание свету двух взаимоисключающих свойств может создать впечатление о
несовершенстве знаний о природе света. Однако важным достижением современной
физики является понимание ошибочности противопоставления дискретных и
непрерывно-волновых свойств. В проявлении этих свойств есть определенная
закономерность. С уменьшением длины волны или увеличением частоты световой
волны становятся более выраженными квантовые свойства света, для световых волн
рентгеновского диапазона или гамма излучения становится труднее обнаруживать
волновые свойства, а в длинноволновом диапазоне квантовые свойства проявляются
весьма слабо. Именно поэтому большинство оптических явлений в области видимого
света – интерференция, дифракция, поляризация и др. нашли, в первую очередь,
свое объяснение в волновой оптике.
Одновременное
проявление корпускулярных и волновых свойств света ставит задачу об
установлении взаимосвязи между квантовыми и волновыми свойствами света. Такая
связь выявляется при статистическом подходе к распространению света. С одной
стороны, фотон это частица в которой заключены импульс и энергия частиц. При
взаимодействии с веществом, например, с дифракционной решеткой происходит
перераспределение потока фотонов и освещенности дифракционной картины на
экране, Чем больше освещенность дифракционной картины на данном участке
экрана, тем больше вероятность попадания фотонов в эту область. С другой
стороны, распределение освещенности в дифракционной картине с волновой точки
зрения связано с амплитудой световой волныI ~ E2:
чем больше освещенность в данной области картины тем больше квадрат амплитуды
волн в этой области. Вывод: квадрат амплитуды световой волны в какой-либо
области пространства является мерой вероятности попадания фотона в эту область
пространства.
Таким
образом, корпускулярные и волновые свойства света не исключают, наоборот,
взаимно дополняют друг друга. Корпускулярные свойства света – импульс и энергия
– заключены в фотонах, а волновые – в распределении фотонов в пространстве.