Тема 2. Фотонна теорія світла
План
1. Світло як потік фотонів. Фотонна теорія світла
2. Енергія та імпульс фотона. Досліди С.І. Вавилова
3. Досліди П.М. Лебєдева. Тиск світла
4. Ефект Компотна. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла
1. Світло як потік фотонів. Фотонна теорія світла
Як зазначалось, для пояснення розподілу енергії випромінювання в спектрі абсолютно чорного тіла М. Планк припустив, що світло випромінюється порціями, енергія яких .
Для пояснення фотоефекту довелось припустити, що світло також поглинається порціями енергії. Ці явища неможливо пояснити на основі класичної фізики. Для розкриття природи світла А. Ейнштейн висунув гіпотезу про те, що світло не тільки випромінюється і поглинається, але і поширюється у вигляді дискретних частинок, названих спочатку світловими квантами, а потім фотонами Гіпотеза Ейнштейна була підтверджена рядом спеціально поставлених експериментів, класичних за своїм задумом і виконанням.
Розглянемо найбільш оригінальні. З метою вивчення елементарного фотоефекту, зумовленого рентгенівськими променями, в 1922 р. А.Ф. Йоффе із співробітниками провів такий експеримент. В ебонітовому блоці (рис. 9.9) зроблено порожнину, з якої через трубку R відкачувалось повітря. Порожнина виконувала роль мініатюрної рентгенівської трубки, катодом якої є кінець тонкої алюмінієвої дротини К. Катод освітлювався ультрафіолетовими променями через кварцеве віконце L. До катода К і пластини А (анод рентгенівської трубки) прикладалась напруга близько 12000 В. Освітленість катода була такою, що з нього вивільнялось близько 1000 фотоелектронів за секунду, які після прискорення гальмувались пластиною А. Внаслідок гальмування електронів з антикатода А випромінювалось близько 1000 фотонів рентгенівського випромінювання в секунду. Алюмінієва пластина А (завтовшкимм) і пластина В утворювали плоский конденсатор, в якому зависала вісмутова пилинка W радіусом порядкусм на відстані близько 0,02 см від пластини А. Час від часу порушувалась рівновага пилинки, оскільки рентгенівське випромінювання вибивало з неї електрон.
Спостереження показали, що цей електрон несе з собою всю енергію падаючого рентгенівського фотона. Втрати електрона пилинкою відбувались через різні проміжки часу (в середньому через 30 хв).
Результати дослідів неможливо пояснити на основі чисто хвильової теорії поширення світла. Якщо вважати, що енергія рентгенівських імпульсів рівномірно розподіляється по всьому сферичному фронту хвилі, то на долю одного електрона пилинки припадає досить мала енергія, яка недостатня для його вивільнення з металу. Для пояснення цих результатів треба припустити, що електрон неймовірно довго (30 хв.) накопичує енергію рентгенівського випромінювання, не віддаючи її сусіднім частинкам, або всі електрони пилинки незрозумілим шляхом передають поглинуту енергію одному електрону, який вивільняється з пилинки. Таке пояснення втрачає зміст, оскільки вивільнення електронів відбувається з однією й тією самою енергією через різні проміжки часу.
Результати дослідів можна пояснити тільки на основі уявлень про корпускулярну структуру випромінювання, а саме: з потоку рентгенівського випромінювання при поглинанні електрон сприймає енергію одного фотона, а не будь-яку кількість енергії; рентгенівський фотон, маючи енергію, достатню для вивільнення з металу тисячі електронів, поглинається тільки одним із них.
Ці досліди особливо цінні тим, що дають змогу простежити за дією окремих фотонів. ............
