Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
§ 209. Квантовые и волновые свойства фотонов
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| § 209. Квантовые и волновые свойства фотонов. Как отме-
чалось в § 184, законы фотоэффекта были объяснены в 1905 г. А. Эйнштейном с помощью представления о световых квантах (фотонах). Согласно этим представлениям энергия электромаг- нитного поля не может делиться на произвольные части, а из- лучается и поглощается всегда определенными порциями, рав- ными hν. Здесь ν — частота колебаний для излучения, а h — постоянная Планка. Именно эти порции энергии электромаг- нитного поля и получили название световых квантов или фо- тонов.
Квантовый характер электромагнитного излучения обычно проявляется в таких опытах, когда энергия каждого фотона достаточно велика, а число фотонов не слишком большое. Но во многих оптических экспериментах, в которых отчетливо наблю- даются волновые свойства света, мы встречаемся с противопо- ложной ситуацией, когда энергии фотонов малы, а их число очень велико (см. пример в § 184). Именно поэтому кванто-
Гл. XXII. Строение атома 501
вая природа света долго ускользала от внимания исследова- телей.
Как уже говорилось ранее, в опытах по фотоэффекту на проводниках было обнаружено, что максимальная кинетическая энергия электронов, вылетающих под действием света (так назы- ваемых фотоэлектронов), связана с работой выхода A и частотой облучающих проводник электромагнитных волн соотношением hν = A +
mv 2 2 . (209.1)
Это соотношение в 1916 г. было подтверждено американским физиком Р. Милликеном. Тонкие и тщательные измерения Мил- ликена, выполненные по схеме опытов, описанных в § 183, поз- волили установить линейную зависимость между максимальной энергией, получаемой электроном от света, и частотой этого света, определить универсальный характер постоянной Планка h и измерить эту величину (h = 6,6 · 10
− 34 Дж · с). В дальнейших опытах частота падающего на поверхность металла излучения изменялась в широких пределах — от видимого света до рентге- новского и во всем исследованном интервале частот результаты измерений оказались в превосходном согласии с теорией. В экспериментах с рентгеновским излучением представления о квантах были подвергнуты особенно тщательной и разносто- ронней проверке. Действительно, кванты видимого света (фото- ны) обладают очень малой энергией — так, для желтого света ν ≈ 5 · 10 14 с − 1 и hν
≈ 3,31 · 10 − 19 Дж. Поэтому для регистра- ции такого света в большинстве опытов приходится иметь дело с большим числом фотонов в единицу времени. В соответствии с этим, действие, производимое летящими по всем направлени- ям световыми квантами, распределенными случайным образом, трудно отличить от действия волны, равномерно распространяю- щейся во все стороны. Чем больше энергия квантов, тем легче наблюдать действие отдельного кванта и легче, следовательно, осуществить опыт по наблюдению распространения энергии из- лучения не во все стороны равномерно, а вспышками то по од- ному, то по другому направлению. Энергия фотонов в рентгенов- ской области спектра значительно превышает энергию фотонов видимого света. Кроме того, в опытах с рентгеновским излучени- ем легче осуществить условия для испускания небольшого числа квантов в единицу времени. Для получения рентгеновского излучения нужно бомбарди- ровать электронами анод рентгеновской трубки (см. §§ 151, 153). Всякая остановка (торможение) электронов в веществе анода |