Корпускулярные свойства света кратко

Обновлено: 03.07.2024

Согласно представлениям классической физики, свет — это электромагнитные волны в определенном диапазоне частот. Однако взаимодействие света с веществом происходит так, как если бы свет был потоком частиц.

Во времена ньютона имели место две гипотезы о природе света — корпускулярная, которой придерживался Ньютон, и волновая. Дальнейшее развитие экспериментальной техники и теории сделало выбор в пользу волновой теории.

Но в начале XX в. возникли новые проблемы: взаимодействие света с веществом не находило объяснения в рамках волновой теории.

При освещении куска металла светом из него вылетают электроны (фотоэффект). Следовало ожидать, что скорость вылетающих электронов (их кинетическая энергия) будет тем больше, чем больше энергия падающей волны (интенсивность света), но оказалось, что скорость электронов вообще не зависит от интенсивности света, а определяется его частотой (цветом).

Фотография основана на том, что некоторые материалы после освещения светом и последующей химической обработки темнеют, причем степень их почернения пропорциональна освещенности и времени освещения. Если слой такого материала (фотопластинка) освещать светом с определенной частотой, то после проявления однородная поверхность почернеет. При снижении интенсивности света будем получать однородные поверхности со все меньшими степенями почернения (различные оттенки серого цвета). А кончится все тем, что при очень малой освещенности мы получим не очень малую степень почернения поверхности, а хаотично рассеянные по поверхности черные точки! Как будто свет попал только в эти места.

Особенности взаимодействия света с веществом вынудили физиков вернуться к корпускулярной теории.

Взаимодействие света с веществом происходит так, как если бы свет был потоком частиц, энергия и импульс которых связаны с частотой света соотношениями

где h — постоянная Планка. Эти частицы получили название фотоны.

Фотоэффект мог быть понят, если стать на точку зрения корпускулярной теории и считать свет потоком частиц. Но тогда возникает проблема, как быть с другими свойствами света, которыми занимался обширный раздел физики — оптика, исходящая из того, что свет есть электромагнитные волны.

Ситуация, при которой отдельные явления объясняются с помощью специальных предположений, нестыкующихся друг с другом или даже противоречащих одно другому, считается неприемлемой, поскольку физика претендует на создание единой картины мира. И подтверждением обоснованности этой претензии служило как раз то, что незадолго до трудностей, возникших в связи с фотоэффектом, оптика была сведена к электродинамике. Явления интерференции и дифракции определенно не согласовывались с представлениями о частицах, но некоторые свойства света одинаково хорошо объясняются и с той и с другой точек зрения. Электромагнитная волна обладает энергией и импульсом, причем импульс пропорционален энергии. При поглощении света он передает свой импульс, т. е. на преграду действует сила давления, пропорциональная интенсивности света. Поток частиц также оказывает давление на преграду, и при подходящей связи между энергией и импульсом частицы давление будет пропорционально интенсивности потока. Важным достижением теории было объяснение рассеяния света в воздухе, в результате чего стало понятно, в частности, почему небо синее. Из теории следовало, что при рассеянии частота света не изменяется.

Однако если стать на точку зрения корпускулярной теории и считать, что та характеристика света, которая в волновой теории связывается с частотой (цвет), в корпускулярной связана с энергией частицы, то окажется, что при рассеянии (столкновении фотона с рассеивающей частицей) энергия рассеянного фотона должна уменьшиться. Специально проведенные эксперименты по рассеянию рентгеновских лучей, которым соответствуют частицы с энергией на три порядка больше, чем для видимого света, показали, что корпускулярная теория верна. Свет следует считать потоком частиц, а явления интерференции и дифракции получили объяснение в рамках квантовой теории. Но при этом изменилось и само понятие частицы как объекта исчезающе малого размера, движущегося по определенной траектории и имеющего в каждой точке определенную скорость.

Для света был проведен опыт с электронами (опыт Юнга). Освещенность экрана за щелями имела такой же вид, как для электронов, и эта картина интерференции света, попадающего на экран от двух щелей, служила доказательством волновой природы света.

Проблема, связанная с волновыми и корпускулярными свойствами частиц, имеет на самом деле долгую историю. Ньютон считал, что свет есть поток частиц. Но в то же время имела хождение гипотеза о волновой природе света, связанная, в частности, с именем Гюйгенса. Существовавшие в то время данные о поведении света (прямолинейное распространение, отражение, преломление и дисперсия) одинаково хорошо объяснялись и с той и с другой точек зрения. При этом, конечно, о природе световых волн или частиц ничего определенного сказать было нельзя.

Свет обладает корпускулярно-волновой двойственностью.
В зависимости от системы отсчета поток электромагнитного излучения можно рассматривать и как поток частиц (корпускул) , и как волну. В частности, свет — это и корпускулы (фотоны) , и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.

Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте. 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) .

Способность микрочастиц в небольшом объеме иметь свойства энергии и импульса определяется как корпускулярные свойства. Если подобные микрочастицы взаимодействуют друг с другом, то законы импульса и сохранения энергии соблюдаются. Корпускулярные свойства электрона заключаются в поведении электрона как частицы. Они также характерны для фотонов. Свет излучается и поглощается небольшими группами – корпускулами. Эйнштейн предполагал, что свет излучается потоками квантов. Эта идея легла в основу квантовой физики и объяснила механизм фотоэффекта.

Что такое корпускулярные свойства?

Частота волн света характеризуется числом выбитых электронов. Т.е. микрочастицы выходят с поверхности вне зависимости от яркости света, но при условии, что энергии достаточно. Это подтверждает формула:

Е – энергия кванта излучения,
h – постоянная Планка (6,6 * 10 -38 Дж*с),
ν – частота излучения.

Квант называют фотоном. Это реальная частица, которая не может находиться в состоянии покоя. Фотон не может существовать на одном месте, поэтому постоянно пребывает в движении.

Корпускулярно-волновой дуализм

Гипотеза де Бройля

Ученый де Бройль разработал гипотезу о том, что корпускулярно-волновая двойственность универсальна. С каждой микрочастицей связаны волновые (частота n и длина волны l) и корпускулярные свойства (энергия E и импульс p). Гипотеза для фотонов выражается через формулу:

λ – длина волны,
h – постоянная Планка (6,6 * 10 -38 Дж*с),
р – импульс тела,
m – масса частицы,
v – скорость частицы.

Чем меньше длина волны, тем выше энергия и импульс. У таких микрочастиц волновые характеристики выражены слабо. Дуализм свойственен электромагнитному полю и имеет универсальный характер.

Значение корпускулярных свойств

Корпускулярные свойства микрочастиц были доказаны давно. Их можно обнаружить с помощью эксперимента в специальной камере Вильсона. Микрочастицы ионизируют в насыщенной паром камере. Ионы становятся центрами конденсации, наличие которых можно определить по штрихообразным следам. Таким образом, микрочастицы двигаются по определенной траектории и по свойствам схожи с обычными корпускулами.

Позднее было доказано, что микрочастицы обладают корпускулярно-волновыми свойствами. Перед нахождением волновых характеристик микрочастиц квантовая механика уже была достаточно развита. Свойства волны у микрочастицы на тот момент были доказаны только на теоретическом уровне. Учение о двойственности микрочастиц позволило науке шагнуть далеко вперед и раскрыть окружающий мир по-новому.

Ряд экспериментальных фактов свидетельствует, что кроме волновых свойств свету (электромагнитному излучению) присущи корпускулярные свойства. На это указывают явления внешнего и внутреннего фотоэффектов, эффект Комптона (упругое рассеяние света на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины световой волны), законы излучения абсолютно черного тела (в частности, спектр излучения) и др. Элементарная частица (квант) электромагнитного излучения называется фотоном. В настоящее время существуют фотоприемники, способные регистрировать (считать) отдельные фотоны.

Перечислим основные свойства фотона:

1) энергия (Е) и импульс (Р) фотона связаны с частотой и волновым вектором (k) эквивалентной плоской монохроматической волны соотношениями:

P_фот = k,

где Дж·с – постоянная Планка;

2) масса покоя фотона равна нулю (экспериментально доказано, что у фотона, как элементарной частицы, масса покоя, по крайней мере, меньше , где – масса свободного электрона). Скорость фотона равна скорости света. Не существует системы отсчета, в которой фотон покоится;

3) фотон является электрически нейтральной частицей и не имеет электрического заряда;

4) спин фотона равен единице (в единицах постоянной Планка );

5) каждый фотон может находиться в некотором состоянии поляризации. Например, линейно поляризованное электромагнитное излучение можно рассматривать состоящим из фотонов, каждый из которых линейно поляризован в том же направлении.

Подчеркнем, что представления оптического излучения (света) в виде волн или корпускул не исключает одно другое. Это приближенное описание одних и тех же процессов. Квантово-волновой дуализм присущ природе в целом. Но в одних случаях в большей мере проявляются корпускулярные свойства вещества (микрочастиц) и удобнее пользоваться понятием частицы (или квазичастицы). В других случаях, наоборот, сильнее проявляются волновые свойства материи и целесообразнее пользоваться волновыми представлениями.

Иногда волновые и корпускулярные свойства проявляются в одинаковой мере (например, оптическое излучение). В области длинных радиоволн (см. рис. 1.1), где энергии квантов очень малы, корпускулярные свойства электромагнитного излучения практически не проявляются, так что в радиотехнике используют исключительно волновые представления. Наоборот, в области гамма-излучения, где длина волны менее 10 -10 м, а энергия кванта более 104 эВ, в основном проявляются корпускулярные свойства электромагнитного излучения.

Общий для квантовой механики принцип суперпозиции состояний, согласно которому любое состояние можно рассматривать как результат наложения двух или многих состояний, применим и к фотонам. Напомним, что представление состояния системы (или частицы) в виде результата суперпозиции некоторого числа других состояний является чисто математической процедурой и формально она возможна всегда. Будет ли такое разложение полезно, зависит от конкретной физической задачи. В частности, для фотона эта процедура может быть аналогична разложению волны на компоненты Фурье по плоским монохроматическим волнам.

Принцип суперпозиции позволяет объяснить такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация отдельных фотонов, и тем самым примирить противоречия между корпускулярными и волновыми свойствами света. Каждое из состояний фотона связывается с некоторой волновой функцией, подобно тому, как каждое из состояний электрона описывается электронной волновой функцией (волной де Бройля). В случае фотонов параметры волны де Бройля (частота, волновой вектор и поляризация) совпадают с соответствующими параметрами классической электромагнитной волны.

Квантовомеханическое описание электромагнитного излучения является более полным, чем классическое. Но во многих практически важных случаях проще и удобнее пользоваться понятием электромагнитной волны. Такое классическое описание является частным случаем квантовомеханического. При классическом описании энергия светового поля ( ) и его импульс (Р) изменяются непрерывно (см. формулы (1.1) и (1.3)), а при квантовомеханическом – скачками. Квантованием поля, т.е. его дискретностью, можно пренебречь, если полная энергия ( ) существенно больше энергии кванта ( ), т.е. если

Это условие называется условием классичности. Оно определяет условие перехода от квантовомеханического описания электромагнитного поля к классическому. Отметим, что для фермионов, в том числе для электронов, вследствие принципа запрета Паули всегда

поэтому с электронным коллективом никаких классических волн сопоставить нельзя.

Внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения с поверхности металла.

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

Вакуумный фотоэлемент – прибор, преобразующий переменный световой поток в переменный электрический ток.

Фоторезистор – резистор с переменным под действием света сопротивлением.

Солнечные фотопреобразователи – приборы вырабатывающие электрический ток под действием света.

Фоточувствительные приборы с зарядовой связью – приборы в которых под действием света накапливается электрический заряд, который потом считывается и преобразуется в электрический сигнал.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Из курса физики вы знакомы с явлением фотоэффекта. Это явление было открыто немецким физиком Генрихом Герцем и независимо от него русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Также немаловажную роль в изучении фотоэффекта принадлежит Альберту Эйнштейну.

Выделяют внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.

Первый прибор, в основе работы которого лежит внешний фотоэффект – это вакуумный фотоэлемент, который исторически был первым фотодатчиком.

Вакуумный фотоэлемент представляет собой колбу с откаченным воздухом, внутри которой находятся два электрода. Анод – это петля или диск в центре колбы для улавливания фотоэлектронов, а катод – металлическое напыление тонким слоем на стенке колбы. В чём же заключается принцип действия?

В соответствии с фотоэффектом сила тока, создаваемая выбитыми из металла электронами, пропорциональна интенсивности падающего излучения, таким образом, переменный световой поток превращается в переменный электрический ток. Недостатком такого типа элемента являются большие габариты – из-за этого они почти не используются. Но выбрав материал катода с красной границей фотоэффекта в области UV-излучения можно получить прибор, реагирующий только на эти волны и создающий минимальный шум - датчики UV- излучения для пожарных извещателей.

Логическим продолжением вакуумных фотоэлементов являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Или квантовые усилители света. Они предназначены для регистрации очень слабого света, они могут регистрировать даже отдельные фотоны. Используются для регистрации элементарных частиц и в приборах ночного видения (1 ФЭУ – 1 пиксель).

Фотоэлементы используют в качестве датчиков в разных устройствах.

Комбинация фотоэлемента с реле используется в турникетах метро. Турникет закрывается, когда прерывается световой поток.

Подобные автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне. С помощью фотоэлементов воспроизводится звук, записанный на кинопленке. Длительное время применяли внешний фотоэффект в телевидении. Электронно-лучевая трубка или кинескоп телевизора преобразовывала изображение в электрический сигнал.

В отличие от металлов в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект. Под действием света электрон, поглотивший квант света не покидает кристаллическую решётку материала, а переходит в состояние с большей энергией, становится более свободным, и может двигаться по кристаллу, создавая электрический ток.

Внутренний фотоэффект нашёл ещё большее применение, чем внешний.

Во-первых, фоторезисторы, в которых под действием света происходит изменение электрического сопротивления, используются в качестве датчиков, так же, как и фотоэлементы, но имеют значительно меньший размер.

Во вторых, они имеют низкую стоимость и чаще применяются как датчики освещения.

Во-вторых, внутренний фотоэффект применяется в солнечных фотопреобразователях, вырабатывающих электрический ток под действием света. Эти устройства работают в солнечных батареях.

Также есть приборы, которые не только вырабатывают, но и накапливают электрический заряд. Такие приборы называются – фоточувствительные приборы с зарядовой связью.

Совокупность из таких приборов на одном кристалле образует ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрицу. Каждый из этого множества элементов отвечает за преобразование света в электрический сигнал. Прибор имеет малые размеры и малое потребление энергии. В настоящее время ПЗС-матрицы применяются в фотоаппаратах, видеокамерах, мобильных телефонах. В заключении урока остановимся ещё на одном устройстве, использующем квантовые свойства света.

Это оптический квантовый генератор или лазер. Вынужденное излучение происходит в результате квантового перехода с более высокого энергетического уровня на более низкий. Подробно о лазерном излучении и применении лазеров вы узнаете на следующем уроке.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Текст задания 1: К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

Тип фотоэффекта

Определение

Явление, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля).

испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

Правильный вариант:

Вид фотоэффекта

определение

испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

явление, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Текст задания 2.:

Вставьте пропущенные слова, выбирая из списка правильные ответы:

Вакуумный фотоэлемент – прибор, преобразующий переменный ___________ в переменный ____________.

Читайте также: