Корпускулярно-волновой дуализм  света. Энергия  и импульс фотона.  Давление света. Эффект Комптона

Как классический пример применения принципа корпускулярно-волнового дуализма, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства классических электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. Также явление поляризации света свидетельствует в пользу его волновой природы.

 

Количественное выражение принцип корпускулярно-волнового дуализма получает в идее волн де Бройля. Для любого объекта, проявляющего одновременно волновые и корпускулярные свойства, имеется связь между импульсом p и энергией E присущими этому объекту как частице, и его волновыми параметрами — волновым вектором k, длиной волны , частотой , циклической частотой .Эта связь задаётся соотношениями

где и редуцированная и обычная постоянная Планка, соответственно. Эти формулы верны для релятивистских энергии и импульса.

Энергия и импульс фотона

Каждый фотон переносит некоторое количество энергии. Именно это количество называется энергией фотона.

E = hv

h — постоянная Планка

h = 6,6 × 10-34 Дж × c

ν — частота фотона [Гц]

Импульс фотона связан с энергией следующим соотношением:

Соотношение импульса и энергии фотона

p = E/c

p — импульс фотона [(кг*м)/с]

E — энергия фотона [Дж]

с — скорость света [м/с]

c = 3 * 108 м/с

Подставляем вместо E формулу энергии фотона: p = hv/c

А вместо частоты формулу v = с/λ: p = hc/cλ

Сокращаем скорость света и получаем формулу импульса.

Импульс фотона

p = h/λ

h — постоянная Планка

h = 6,6 × 10-34 Дж × c

λ — длина волны [м]

Давление света

Сила Лоренца — это сила, действующая на частицу, движущуюся в магнитном поле.

Если рассматривать свет как совокупность фотонов, то можно предположить, что свет, как и любая другая электромагнитная волна, может оказывать давление. Именно такое предположение сделал Джеймс Максвелл в 1873 году и не прогадал.

Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов. Каждый фотон обладает импульсом p = hv/c.

Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен p = hv/c * N.

Из механики известно, что давление — это отношение силы к площади, на которую эта сила воздействует: p = F/S.

Не перепутайте: импульс и давление обозначаются одинаковой буквой, но величины разные!

Второй закон Ньютона в импульсной форме имеет вид F = p * Δt, где p — это импульс, а Δt — промежуток времени, за которое импульс меняется на значение p.

Тогда световое давление определяется так: p = F/S = (p * Δt)/S = hvN/Sc.

При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают абсолютно упругим, поэтому изменение импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (в этом случае удар неупругий, так как черный цвет поглощает фотон).

Предсказанное Максвеллом существование светового давления было экспериментально подтверждено физиком П. Н. Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали. Значение давления света составило ≈ 4.10-6 Па.

Опыты Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом.