Опыт Ботэ. Фотоны. Корпускулярно – волновой дуализм света.

А) Опыт Боте (1924 г.). В этом опыте тонкая металлическая фольга Ф освещалась рентгеновскими лучами малой интенсивности, вызывающими в фольге слабую рентгеновскую флюоресценцию (послесвечение). Рентгеновское излучение от фольги попадало на два счетчика ионизирующего излучения Сч1 и Сч2 (счетчики Гейгера). Чувствительность таких счетчиков настолько велика, что они могут регистрировать отдельные рентгеновские кванты. Срабатывая, счетчики приводили в действие механизмы самописцев М1 и М2, делающие отметки на движущейся ленте Л. В результате получено, что отметки на ленте от двух самописцев, связанные с моментами попадания в счетчики рентгеновских квантов, абсолютно случайны. Этот факт можно было объяснить лишь беспорядочным попаданием рентгеновских квантов, рассеиваемых фольгой то в одном, то в другом направлении, тогда как согласно волновым представлениям излучение от источника должно распространяться равномерно во все стороны.

Б) Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю.

В) Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм (или Ква́нтово-волново́й дуали́зм) — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярныесвойства. Как классический пример, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие черездвойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. Корпускулярные свойства света проявляются прифотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

Вопрос 27

Эффект Комптона.

Упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных (или слабо связанных) электронах, сопровождающееся изменением длины волны (или частоты) излучения, называется эффектом Комптона.
Эффект Комптона наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн, т.е. рентгеновского и гамма–излучения. Данное явление 1922 году открыл американский физик А. Комптон при рассеянии рентгеновских лучей в парафине. Схема опыта Комптона приведена на рисунке 6.7.4. Система узких диафрагм выделяет узкий пучок монохроматического рентгеновского излучения, полученного от источника «И». Пучок падает на рассеивающее вещество «В» и после рассеивания под углом попадает в рентгеновский спектрограф «С», который измеряет длину волны рассеянного излучения .
Изменение длины волны излучения при его рассеянии веществом определяется формулой Комптона:
,
где и – соответственно длины волн падающего и рассеянного излучения, – угол рассеяния. Постоянная называется комптоновской длиной волны микрочастицы: . Для электрона комптоновская длина волны равна .

 

Рисунок 6.7.4. – Схема установки опыта Комптона

Согласно квантовой теории эффект Комптона является результатом упругого столкновения рентгеновского фотона с практически свободным электроном вещества, через которое проходит электромагнитное излучение. Для объяснения эффекта Комптона используем закон сохранения импульса (ЗСИ), закон сохранения энергии (ЗСЭ) до и после соударения рентгеновского фотона со свободным покоящимся электроном, который после столкновения называют электроном отдачи. Учтем, что электрон, с которым сталкивается фотон, после столкновения будет двигаться со скоростью, близкой к скорости света, он будет релятивистским. На рисунке 6.7.5 представлена диаграмма импульсов, где приняты следующие обозначения:
– соответственно импульсы фотона до и после столкновения, – импульс электрона после столкновения (до столкновения электрон покоился, и импульс был равен нулю). ЗСИ требует векторной записи.

Рисунок 6.7.5 – Векторная диаграмма импульсов при эффекте Комптона.

Величины импульсов падающего и рассеянного фотонов равны , импульс рассеянного электрона . Энергия фотонов до столкновения , после столкновения , кинетическая энергия электрона отдачи .
ЗСИ имеет векторный вид: (см. векторную диаграмму импульсов на рисунке 6.7.5).
ЗСЭ при абсолютно упругом ударе фотона с покоящимся электроном имеет вид: .
Решая совместно уравнения, получим: ,
где – комптоновская длина волны для электрона.
Кинетическая энергия электрона отдачи равна:
.

Вопрос 28

Давление света.

Согласно теории электромагнитного поля, сформулированной Максвеллом, свет представляет электромагнитную волну, и, как всякая волна, переносит энергию. Падая на поверхность, свет должен оказывать на нее давление, что и было обнаружено профессором Московского университета П.Н.Лебедевым в 1901 году. Точно также, если считать свет потоком фотонов, то, падая на поверхность, они должны оказывать давление.
Зависимость давления р при нормальном падении света на поверхность определяется формулой: , где – энергетическая освещенность поверхности (световой поток, падающий на единицу площади), – коэффициент отражения, с – скорость света в вакууме. Для зачерненной поверхности коэффициент отражения =0, для блестящей – =1.
Теоретическое обоснование наличия светового давления может быть дано с точки зрения и волновой, и корпускулярной теории света.
Если счет падает на поверхность под углом , то давление света, оказываемое на поверхность светом, равно .