Фотон, как частица

На основе представлений о фотоне как частице, которая может излучаться или поглощаться лишь как целое, явление фото¬эффекта получает простое объяснение: поглощая один фотон, электрон внутри фотокатода увеличивает свою энергию на значение энергии фотона hv. При условии hv>A электрон может покинуть фотокатод. Если на пути к поверхности фотокатода этот электрон не растратит часть получен¬ной от фотона энергии во взаимодействиях с электронами других атомов, то он выйдет из фотокатода с кинетической энергией:
Это соотношение называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.
Таким образом, фотонная теория света объяснила наблюдаемую экспериментально линейную зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света, вызывающего фотоэффект. Красная граница фотоэффекта в фотонной теории определяется из уравнения Эйнштейна условием равенства энергии фотона работе выхода электрона А:


Отсутствие запаздывания возникновения фототока после начала освещения объясняется тем, что фотон, достигший фотокатода, практически может освободить из него один электрон. Пропорциональность силы фототока мощности излучения также становится очевидной — чем больше фотонов падает на поверхность тела, тем больше электронов они освобождают.
В 1923 году Артуром Комптоном было обнаружено,
что при прохождении пучка рентгеновских лучей через слой вещества возникает рассеянное рентгеновское излучение с частотой V , меньшей частоты V первичного пучка, т.е. происходило упругое рассеяние электромагнитного излучения малых длин волн (рентгеновского и гамма-из¬лучения) на свободных электронах, которое сопровождалось увеличением длины волны. Согласно классической теории, при таком рассеянии длина волны не должна меняться. Эффект Комптона подтвердил правильность квантовых представлений об электромагнитном излучении как о потоке фотонов — он может рассматриваться как упругое столкновение фотона и электрона, при котором фотон передает электрону часть своей энергии, а потому его частота уменьшается, а длина волны увеличивается.
Кроме частоты и длины волны, свет, как поток частиц, имеет и такую характеристику, как вес — каждую минуту на квадратный сантиметр поверхности Земли падает 2-10~15 г света, что за год составляет более 80 тысяч тонн солнечных лучей.
В 1873 году знакомый нам Джемс Клерк Максвелл (1831—1879) теоретически предсказал, что свет, падая на поверхность тел, должен оказывать на них давление. Экспериментально это давление было обнаружено нашим соотечественником Петром Николаевичем Лебедевым (1866—1912) в 1899 году.
Если частица света обладает массой m, то при столкновении ее с поверхностью твердого тела может произойти либо поглощение частицы, либо ее отражение. В первом случае изменение импульса Ар частицы равно:
Ар = mv,
где V — скорость частицы. Во втором оно в два раза больше:
Ар = 2mv.
Поэтому при одинаковой плотности потока светового излучения давление света на зеркальную поверхность должно быть в два раза больше давления на черную поверхность, поглощающую свет. В опытах П.Н. Лебедева одинаковые световые потоки направлялись на два легких металлических диска, подвешенных на тонкой нити. Один диск был зеркальным и отражал падающий на него свет, второй был черным и поглощал падающий свет. При одновременном освещении двух дисков происходил их поворот вокруг вертикальной оси. По углу закручивания упругой нити подвеса можно было измерить момент сил, вызывающих этот поворот. Закручивание нити подвеса происходило в таком на¬правлении, которое соответствует большей силе давления света на зеркально отражающий диск.
По сути дела, произошло возрождение корпускулярной концепции света.
Но, как мы помним, свет имеет способность к дифракции, интерференции, преломлению, отражению, дисперсии, поляризации, и все эти явления полностью объясняются на основе представлений о нем как об электромагнитной волне.
Проявление светом как волновых, так и корпускулярных свойств называется корпускулярно-волновым дуализмом свойств света. Смысл корпускулярно-волнового дуализма свойства света заключается в том, что свет имеет сложную природу, которая в зависимости от условий опыта лишь приближенно может быть описана с применением привычных представлений о волнах или частицах.
Невозможно понимание квантовых свойств света без рассмотрения, по¬жалуй, величайшего открытия XX века — теории относительности Альберта Эйнштейна. Ее появление было обусловлено кризисом, наступившим в физике в конце XIX столетия.
Дело в том, что в то время потерпела провал попытка связать теорию эфира, заполняющего все пространство и проникающего во все тела, в котором распространялись световые волны (концепция Френеля), и электромагнитную теорию Максвелла, которая сделала понятие эфира ненужным.
В Классической Механике, исходившей из признания существования абсолютного времени, единого для всех систем отсчета и любых наблюдателей, существовало положение о том, что в любых инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково при одинаковых начальных условиях (принцип относительности Галилея). Но уравнения электродинамики Максвелла были справедливыми только в одной системе координат и несправедливыми в другой, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой. Например, если мы рассмотрим движение космического корабля в космическом пространстве со скоростью V относительно Земли, то с какой скоростью относительно космонавтов будет распространяться свет от источника, находящегося на Земле? Согласно классическому закону сложения скоростей, скорость света в системе отсчета «космический корабль» будет равна:
где С — скорость света относительно системы отсчета Земля, и — скорость движения космического корабля относительно Земли. Таким образом, скорость распространения света в вакууме зависит от выбора системы отсчета и означает, что распространение света в вакууме происходит неодинаково в разных инерциальных системах отсчета, т.е. принцип относительности неприменим для электродинамических явлений.