Фотоны. Энергия и импульс фотона

Характер взаимодействия порции энергии — кванта – с веществом, оказался очень похожим на взаимодействие частиц с веществом. Свойства излучения, которые обнаруживаются при его испускании или поглощении, называют корпускулярными (корпускула — частица). Сама же порция электромагнитного излучения получила название частицы – фотон.

Так, например, тепловое излучение – это фотоны всех частот, но число фотонов имеющих энергию hv определяется по графику распределения P (v) для соответствующей температуры излучения.

Квантовая теория приписывает новой частице – фотону – следующие характеристики:

а) масса фотона равна нулю;

б) энергия фотона Е _ф = hv, где v – частота излучения;

в) импульс фотона равен и совпадает с направлением распространения излучения.

Равенство нулю массы фотона означает невозможность его нахождения в покоящемся состоянии. Фотон всегда движется и причем только со скоростью света.

Итак, электромагнитное излучение обладает волновыми (объяснение опытов по интерференции и дифракции света) и корпускулярными (объяснение фотоэффекта и спектра равновесного теплового излучения) свойствами. Такое сочетание свойств обозначается термином корпускулярно-волновой дуализм. При распространении света проявляются волновые свойства света, а при взаимодействии с веществом – корпускулярные. Однако это не означает, что свет излучается как поток частиц, затем превращается в волну и распространяется волной, а при поглощении превращается обратно в фотоны. Электромагнитное излучение одновременно обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами. Это справедливо и для любого излучения независимо от его частоты. Однако отметим, что при увеличении частоты излучения его корпускулярные свойства проявляются ярче.

1. Мы лишены возможности наглядно представлять себе в полной мере процессы в микромире, так как они совершенно отличны от макроскопических явлений, которые человечество наблюдало на протяжении многих тысяч лет и основные законы которых были сформулированы к концу XIX века.
2. Через некоторое время после того, как представления о двойственной структуре света утвердились в научных кругах, было высказано предположение, что и другие частицы, а точнее их движение, могут быть описаны волной. Другими словами, движение любых частиц, имеющих энергию Е и импульс р, можно рассчитать с помощью теории волн. При этом движущаяся частица представляется как волна с частотой и длиной волны . Впоследствии эти волны получили название волны де Бройля в честь ученого, высказавшего это предположение.
3. В дальнейшем это предположение было экспериментально проверено для электронов и подтвердилось. Волновые свойства были обнаружены и у более крупных частиц, вплоть до молекул.

Внешний фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна

Для фотоэффекта.

Еще одним из явлений, связанных с электромагнитным излучением и не поддающимся объяснению с точки зрения классической электродинамики, является фотоэффект.

Если направить мощный поток излучения (например, от электрической дуги) на металлическую пластинку, соединенную с электроскопом, то можно заметить появление на пластинке электрического заряда. Если пластинка была изначально заряжена положительно, то скорость ее разрядки, происходящей из-за утечки заряда уменьшается постепенно. Если же исходный заряд пластинки был отрицательным, то при освещении ее он исчезает практически моментально. Таким образом, можно сделать вывод, что фотоэффект — это явление вырывания электронов с поверхности тела под действием падающего на него электромагнитного излучения.

Явление фотоэффекта было открыто Г.Герцем, и тщательно исследовано А.Г.Столетовым. Схема современной установки по исследованию фотоэффекта представлена на рисунке 7.

Рис. 7

На один из электродов падает электромагнитное излучение, которое вырывает электроны из левого электрода, сообщая им некоторую кинетическую энергию. Благодаря этой энергии электроны улетают от левого электрода, а некоторые из них достигают правого электрода, и таким образом в цепи возникает электрический ток, называемый фототоком.