Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Невозможность классического объяснения фотоэффекта. Можно ли объяснить закономерности фотоэффекта исходя из волновых представлений о свете? Попробуем рассмотреть фотоэффект с классической точки зрения. Взаимодействуя с электроном, находящимся внутри атома, излучение передает ему свою энергию. Электрон будет поглощать энергию световой волны, пока он не освободится из атома. Объяснить уравнение (1) можно, предположив, что свойства атома таковы, что электрон будет сохранять полученную от света энергию и находиться в атоме до тех пор, пока не накопит ее до величины hv, после чего покидает атом. Если бы атом действительно обладал такими свойствами, то для света с очень маленькой интенсивностью фотоэффект не должен был бы наблюдаться в течение очень долгого времени, так как должно было бы пройти значительное время, чтобы накопилась необходимая порция энергии. Соответствующие опыты проводились с металлическими пылинками и очень слабым светом. Пылинки были настолько малы, что потребовалось бы много часов для накопления энергии hv. Однако немедленно после начала их освещения появлялось некоторое количество фотоэлектронов. Итак, эта попытка объяснения не удалась.
Такова же была судьба всех остальных подобных попыток объяснения закономерностей фотоэффекта на основе волновых представлений. Это означает, что волновая теория не способна объяснить внезапную локализацию конечных порций энергии на одной классической частице.
§ 6. СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ
49
Двойственная природа света. Обобщение данных различных опытов привело к следующим не известным ранее важным выводам: во-первых, к представлению о двойственном характере электромагнитного излучения, проявляющего то волновые, то корпускулярные свойства, и, во-вторых, к утверждению о существовании дискретных значений некоторых из тех физических величин, которые, по представлениям классической физики, могли меняться непрерывно.
Итак, одна группа опытов указывает, что свет — это частицы, которые могут быть локализованы; другая же группа не менее убедительных опытов доказывает, что свет — это волны. Какое же из этих утверждений правильно? Вопрос стоит так: можно ли найти единое представление, объясняющее все наши сведения о природе света? Позже мы вернемся к обсуждению этого вопроса, а пока будем просто считать, что свет существует в форме квантов-фотонов, которые при некоторых условиях проявляют себя подобно частицам, а при других — подобно волнам.
Фотоны. Мы уже подробно рассматривали волновые свойства света. Теперь рассмотрим более детально свет с корпускулярной точки зрения. В теории Планка энергия фотона Е связана с частотой света v соотношением
Согласно теории относительности энергия всегда связана с массой соотношением
Поскольку фотоны не существуют в состоянии покоя, то их масса покоя т0 = 0, а масса т, определяемая формулой (3), это масса фотона, движущегося в вакууме со скоростью с. Импульс фотона равен произведению его релятивистской массы на скорость:
Отметим, что формула (4), дающая связь между энергией фотона Е и его импульсом р, является частным случаем общего соотношения, связывающего энергию, импульс и массу покоя любой частицы:
Е= hv.
(2)
Е = тс2.
Поэтому релятивистская масса фотона
(3)
50
II. ЗАКОНЫ МИКРОМИРА. ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ
Эффект Комптона. Опыт показывает, что свет может взаимодействовать с веществом только путем дискретных процессов, при которых испускается или поглощается целый квант. С корпускулярной точки зрения взаимодействие между веществом и светом описывается как поглощение, испускание или рассеяние фотонов, сопровождающееся изменением их энергии и импульса. Экспериментально рассеяние фотонов на электронах было исследовано
А. Комптоном в 1923 г. В его опытах через вещество с легкими атомами (графит, парафин) пропускался пучок рентгеновских лучей частоты v. Измерения Комптона показали, что в рассеянном рентгеновском свете, наряду с излучением неизменной длины волны, появляется рентгеновское излучение с несколько большей длиной волны. Наблюдаемое изменение длины волны ДА. = к' — к зависит от угла 0 между направлением первичного пучка и направлением рассеянного света следующим образом:
ДА. = 2к sin21, (5)
причем постоянная к, найденная из эксперимента, равна 0,0024 нм.
Законы сохранения в эффекте Комптона. Для объяснения эффекта Комптона применим законы сохранения энергии и импульса к столкновению рентгеновского фотона с электроном, как если бы фотон представлял собой обычную частицу. В атомах легких элементов для удаления электрона нужна энергия порядка 10 эВ, что примерно в тысячу раз меньше энергии рентгеновского кванта hv ~ 10 кэВ. Поэтому электроны в этих опытах можно считать практически свободными. Энергия покоя электрона тос2 = 0,5МэВ и отношение hv/(m0c2) 1.
Рис. 18. к обьясне- Следовательно, покоившийся до столкновения с нию эффекта Комп- фотоном или двигавшийся в атоме с нерелятивистской скоростью электрон и после столкновения останется нерелятивистским. Закон сохранения энергии при столкновении в пренебрежении начальной энергией электрона записывается в виде
