Физика. Теория. Методика. Задачи - Демков В.П.
Скачать (прямая ссылка):
отличать его от внутреннего, наблюдаемого в диэлектриках и
полупроводниках. Физика и закономерности внутреннего эффекта другие, и их
изучение выходит за рамки этого параграфа.
Фотоны
Чтобы объяснить распределение энергии в спектре теплового излучения,
достаточно, как показал Планк, допустить, что свет испускается квантами
величиной hv. Для объяснения фотоэффекта достаточно предположить, что
свет поглощается такими же порциями. Однако Эйнштейн
603
источник рентгеновских лучей
-C1D-Е$]-[жь
м
л
м
пошел дальше, предположив, что свет и распространяется в виде дискретных
частиц, названных первоначально световыми квантами, а позже фотонами.
Наибольшее подтверждение гипотеза Эйнштейна получила в опыте Боте, суть
которого состояла в следующем. Тонкая металлическая фольга Ф помещалась
между двумя газоразрядными счетчиками Сч (рис. 17.4). Фольга ос-Рис 17 4
вещалась пучком рентгеновских лучей
малой интенсивности, под действием которых она сама становилась
источником рентгеновских лучей. При попадании лучей от фольги на счетчик
он срабатывал и приводил в действие механизм М, делающий отметку на
движущейся ленте Л. Если бы излучаемая фольгой энергия распространялась
во все стороны, как это следует из волновой теории, то оба счетчика
срабатывали бы одновременно и отметки на ленте приходились бы одна против
другой. В действительности же наблюдалось совершенно беспорядочное
расположение отметок. Это можно объяснить только тем, что в отдельных
актах испускания возникают световые частицы, летящие то в одном, то в
другом направлении. Это доказывало наличие световых частиц - фотонов.
Согласно Эйнштейну, энергия фотона определяется его частотой:
е = A v. (17.8)
Фотон - подлинно релятивистская частица; он всегда движется со скоростью
света. Следовательно, массу и импульс фотона мы должны вычислять по
формулам специальной теории относительности. Масса т любой частицы
определяется выражением т = /n0/V 1 _ о2/с2 • Так как у фотона о = с, то
знаменатель в правой части обращается в нуль. Следовательно, либо масса
покоя т0 фотона также равна нулю, либо его энергия е = /ис2 бесконечна,
но это противоречит формуле (17.8). Сказанное означает, что фотон
представляет собой частицу особого рода, отличную от таких частиц, как
электрон, протон и т.п., которые могут существовать, двигаясь со
скоростями, меньшими скорости света, и даже покоясь. Масса движущегося
фотона равна
г hv h
т=7'7'Гс- (|7-9)
Из специальной теории относительности следует, что импульс релятивистской
частицы связан с ее энергией соотношением (см. §16, формулу (16.20))
е2 - ml с4
=pV.
Поскольку покоящихся фотонов не существует, то, полагая /п0 = 0,
получим
604
р = -
или
р=-
Av
h
X
(17.10)
Фотонная теория света была неоднократно подтверждена во многих
экспериментах: опытах Комптона по рассеянию рентгеновских лучей
различными веществами, при изучении характеристического рентгеновского
излучения и др. При этом возникает дилемма: одни эксперименты
свидетельствуют о том, что свет ведет себя как волна (см. §15), другие -
что свет ведет себя так, как поток частиц. На первый взгляд, кажется, что
волновая и корпускулярная (фотонная) теории света несовместимы, но обе
теории подтверждаются экспериментами. В конце концов физики пришли к
заключению, что двойственную природу света следует принять как
непреложный факт. Именно эту двойственность света имеют в виду, когда
говорят о корпускулярно-волновом дуализме. Наглядно представить
корпускулярно-волновой дуализм невозможно. Следует осознать и
согласиться, что двойственность поведения света - это различные стороны
его природы. Нильс Бор выдвинул так называемый принцип дополнительности,
который утверждает, что для объяснения данного эксперимента следует
использовать либо волновые, либо корпускулярные представления о природе
света, но не те и другие одновременно. Однако не всегда вопрос
о природе света стоит так категорично. Существует ряд явлений,
допускающих корректное объяснение с любой из этих точек зрения, например,
давление света.
Исходя из электромагнитной теории света Максвелл показал, что при падении
света перпендикулярно на поверхность тела с коэффициентом отражения р (он
равен отношению интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей)
свет оказывает давление
Рд = 0 + Р) "> (17Л0
где J - энергия, переносимая в единицу времени через единицу площади,
т.е. интенсивность волны (см. §15), а индекс "д" у давления поставлен для
того, чтобы отличать обозначения давления и импульса. Эта формула позже
была экспериментально подтверждена в опытах П.Н. Лебедева.
Формулу (17.11) достаточно просто получить, если использовать фотонную
теорию света. Наличие у фотона импульса позволяет объяснить причину
светового давления по аналогии с давлением потока частиц. Пусть на
поверхность какого-либо тела перпендикулярно к ней падает свет с частотой
v. Если за время At на поверхность площадью S тела падает п фотонов, то р
