Лекции 1 курс 2 семестр печать

1.Світлові кванти. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла

У різні часи, пояснюючи природу світла, учені дотримувалися різних поглядів. Одні вважали світло електромагнітною хвилею й обгрунтовано доводили це, посилаючись на явища інтерференції, дифракції і поляризація світла. Інші, прихильники корпускулярної теорії, уявляли світло як потік частинок і також мали вагомі аргументи на підтвердження цього. Так, на підставі корпускулярних уявлень І. Ньютон пояснював прямолінійне поширення і дисперсію світла.

Водночас наприкінці ХIХ ст. завдяки дослідженням Т. Юнга і О. Ж. Френеля, а також поясненню природи світла за допомогою електромагнітної теорії Дж. Максвелла у фізиці склалося переконання, що хвильова теорія спроможна пояснити будь-яке світлове явище. Тому, коли А. Ейнштейн поширив ідею квантування енергії, висловлену М. Планком стосовно теплового випромінювання, на світлові явища, це було сприйнято неоднозначно.

На той час обмежений характер хвильової теорії світла підтверджували також досліди Г. Герца і результати вивчення явища фотоефекту А. Г. Столєтовим. Пізніше, у 1922 р. квантова природа світлового випромінювання була експериментально доведена А. Комптоном під час спостереження розсіювання рентгенівського випромінювання в речовині.

Отже, численні дослідження світлових явищ демонструють неоднозначний прояв властивостей світла: в одних випадках вони засвідчують хвильову природу світла, в інших — виразніше проявляється його корпускулярна придода. Тобто світлу властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм— воно має як безперервні, хвильові-властивості, так і дискретні, корпускулярні. Гіпотезу про подвійну природу світла — корпускулярно-хвильовий дуалізм — уперше висловив А. Ейнштейн.

Загалом корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий не лише світлу, а й усім мікрочастинкам. Так, потік електронів, шо падає на кристал, утворює дифракційну картину, яку можна пояснити лише на основі хвильових уявлень. Тобто електрони, які є елементарними частинками, корпускулами, за певних умов виявляють хвильові властивості. Такі уявлення про матерію покладено в основу квантової теорії. Вона, зокрема, передбачає, що кожній рухомій мікрочастинці, відповідає хвиля де Бройля:

де р — імпульс тіла; h — стала Планка.

Корпускулярну природу світла в сучасній фізиці відтворює поняття світлового кванта, зміст якого окреслив А. Ейнштейн, поширивши гіпотезу Планка на світлове випро-мінювання. За його тлумаченням, світловий квант — це мінімальна порція світлової енергії, локалізована в частинці, яка названа фотоном. Отже, світло з погляду квантової теорії — це потік світлових квантів — фотонів, що рухаються зі швидкістю світла с(3 · 10⁸ ^м_с).

Фотону як кванту випромінювання за гіпотезою Планка відповідає енергія ε = h. Як елементарна частинка він має імпульс р = mс. З урахуванням формули взаємозв'язку маси та енергії ε = mс², його імпульс дорівнює: де — довжина світлової хвилі.

Довжина хвилі де Бройля електрона, що рухається зі швидкістю 500 ^м_с, дорівнює = 1,5 • 10^-6 м = 1,5 мкм.

Фотон — це елементарна частинка, що характеризує квант світла h. Фотон — особлива елементарна частинка. Він не має маси спокою (m_o= 0), тобто його не можна зупинити. Справді, якби була така система відліку, в якій він не рухався б, то в такій системі втрачає сенс саме поняття світла, адже не відбувається його поширення. Маса фотона залежить від довжини хилі електромагнітного випромінювання: .

Так, для видимого світла _с = 6 · 10^-7 м його маса дорівнює 3,7 · 10^-36 кг, а для рентгенівського випромінювання _р = 10^-9 м — 2,2 · 10^-33 кг. Маса фотона рентгенівського випромінювання менша за масу електрона (m_е = 9,1 · 10^-31 кг) майже в 500 разів.

Формула (6.2) відтворює наявність у світла одночасно і хвильових, і корпускулярних властивостей. Адже імпульс фотона як динамічний параметр мікрочастинки речовини виражається через частоту або довжину хвилі — величини, властиві випромінюванню. Як з'ясувалося згодом, такий корпускулярно-хвильовий дуалізм притаманний усім без винятку частинкам речовини, але найістотніше їхні хвильові властивості проявляються у мікросвіті, особливо в елементарних частинок.

Хвильова картина спостерігається, коли мають місце потужні потоки мікрочастинок протягом досить тривалого часу.

Коли ж відбувається окремий акт взаємодії мікрочастинки з речовиною, то до уваги беруться її корпускулярні властивості

Квантові уявлення про природу електромагнітного випромінювання дають змогу пояснити низку явищ, де хвильова теорія виявляється безпорадною. Зокрема, це стосується фотоефекту, люмінесценції, фотохімічних реакцій, розсіяння рентгенівського випромінювання в речовині тощо.

ЗАПИТАННЯ

1. Які два вчення про природу світла існують у фізиці? Які світлові явища підтверджують їх?

2. У чому полягає суть гіпотези Планка?

3. Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм світла?

4. У чому полягає суть квантування електромагнітного випромінювання?

5. Охарактеризуйте фотон як світловий квант.

РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ

Приклад. Чи відбудеться фотоефект у разі опромінення цинкової пластинки ультрафіолетовим світлом довжиною хвилі 200 нм? Яку максимальну швидкість можуть мати фотоелектрони при цьому? Робота виходу електрона для цинку дорівнює 4,24 еВ.

2.ХІМІЧНА ДІЯ СВІТЛА

Під дією електромагнітного випромінювання можуть відбуватися процеси, які викликають зміни властивостей речовин. Наприклад, багато органічних і неорганічних речовин під впливом світла змінюють свій колір, виявляючи фотохромізм. Це пояснюють тим, що, поглинувши квант світла, речовина переходить у новий стан, який характеризується іншим спектром поглинання або перебудовою валентних зв'язків у процесі фотодисоціації чи фотохімічної реакції.

Ґрунтуючись на квантовій гіпотезі світла, А. Ейнштейн сформулював два фотохімічні закони:

1) поглинутий речовиною фотон може викликати перетворення лише однієї молекули; 2) фотохімічна реакція відбувається за умови, що енергія фотона достатня для розриву молекулярних зв'язків, тобто не менша за енергію дисоціації.

Як відомо, хімічна дія світла є основою життя на Землі. Завдяки реакції фотосинтезу вуглеводів енергія сонячного проміння, яку несуть фотони, перетворюється на енергію життєдіяльності органічного світу, необхідну для поповнення його запасів. Цей процес досить складний і супроводжується численними вторинними біохімічними реакціями. Проте спрощено його фізичну суть можна подати так. Внаслідок поглинання фотонів зеленим листям молекула хлорофілу активізується, реагуючи з молекулою води, розкладає її на йони Гідрогену і кисень:

_світло

2H₂0 ———→ 2H⁺ + 2e^- + 2O₂ + H₂O.

^{фермент}

Реакція фотосинтезу вуглеводів відбувається під дією червоного проміння.

Під дією світла бромід срібла розпадається на енергетично збуджений атом Аргентуму Ад* і позитивний іон Брому Вг+:

AgBr + hv = Ag* + Br* + e^-

Врешті-решт кисень потрапляє в атмосферу, а Гідроген, вступаючи в реакцію з вуглекислим газом, утворює вуглеводи, завдяки яким формуються жири, білки та інші складові органічного світу, необхідні для життєвих циклів живої природи.

Властивість речовин реагувати на опромінення світлом покладено в основу виготовлення фотохромних матеріалів, які застосовують для реєстрування зображень, запису й обробки оптичних сигналів. Останнім часом широкого поширення набули полімерні матеріали і фотохромні світлочутливі плівки, що містять галогеніди Аргентуму (AgBr, AgCl), лужних металів (КСl, NaF) тощо. Зокрема, їх використовують в елементах оперативної пам'яті ЕОМ, для кольорового друку і фотографії, запису інформації на оптичних дисках тощо.

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ

1. Яку енергію та імпульс мають фотони видимої частини спектру у найкоротших ( = 400 нм) і найдовших ( = 760 нм) світлових хвиль? Чому дорівнює їхня маса?

2. Яку довжину хвилі, масу та імпульс має фотон енергією 1 МеВ?

3. Яку швидкість має електрон, кінетична енергія якого дорівнює енергії фотона довжиною хвилі 600 нм?

4. Людське око має найвищу чутливість до зеленого світла ( = 550 нм). Воно починає реагувати на нього при потужності світлового потоку 2 • 10^-17 Вт. Скільки фотонів за 1 с потрапляє при цьому на сітчатку ока?

5. Яку кінетичну енергію і швидкість матимуть фотоелектрони, що вилітають з поверхні оксиду барію (A₀ = 1,2 еВ), якщо її опромінювати зеленим світлом довжиною хвилі 550 нм?

6. Робота виходу електрона з цезію дорівнює 1,9 еВ. Обчислити червону межу фотоефекту для Цезію. Якому кольору видимого світла вона відповідає?

7. Обчислити роботу виходу електронів для срібла в джоулях і електрон-вольтах, якщо його червона межа фотоефекту становить 260 нм.

8. Чи відбуватиметься фотоефект, якщо поверхню ртуті опромінювати світлом видимого діапазону випромінювання? Робота виходу електронів із ртуті дорівнює 4,53 еВ.

9. Яку запірну напругу треба подати на анод фотоелемента з вольфрамовим катодом, щоб струм у колі припинився, якщо на катод падає випромінювання довжиною хвилі 0,1 мкм?

ЗАПИТАННЯ

1. У чому виявляється хімічна дія світла? Чим це зумовлено?

2. Чому один фотон може викликати перетворення лише однієї молекули?

3. Поясніть фізичну суть реакції фотосинтезу.

УЗАГАЬНЕННЯ ТА СИСТЕМАТИЗАЦІЯ ЗНАНЬ З ТЕМИ "СВІТЛОВІ КВАНТИ"

В основу квантової фізики покладено гіпотезу М. Планка, яку він висунув у 1900 році для пояснення теплового випромінювання тіл: випромінювання енергії здійснюється певними мінімальними порціями — квантами, енергія яких пропорційна частоті випромінювання:

є = h, де h — це стала Планка, — частота випромінювання.

Пізніше А. Ейнштейн поширив квантову гіпотезу на світлові явища, пояснивши таким чином явище фотоефекту. За його тлумаченням, світловий квант — це мінімальна порція світлової енергії, локалізована в частинці, що називається фотоном.

• Фотон — це елементарна частинка, що характеризує квант світла h; його імпульс дорівнює , а маса залежить від довжини хвилі електромагнітного випромінювання:

Фотон не має маси спокою (m₀ = 0) і його швидкість дорівнює швидкості світла с = 3 · 10⁸ ^м_с. Таким чином, з точки зору квантової теорії світло — це потік фотонів, що рухаються зі швидкістю світла.

• Загалом світлу властивий корпускулярно-хвильовии дуалізм — воно має як неперервні, хвильові властивості, так і дискретні, корпускулярні.

• Одним із проявів корпускулярної природи світла є явища фотоефекту. Фотоефект є результатом трьох послідовних процесів: поглинання фотона, внаслідок чого енергія одного електрона стає більшою за середню; руху цього електрона до поверхні тіла; виходу його за межі тіла в інше середовище через поверхню розділу.

• Вивчаючи це явище, О. Г. Столєтов сформулював три закони фотоефекту:

1) кількість електронів, що вилітає з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, пропорційна його інтенсивності;

2) для кожної речовини залежно від її температури і стану поверхні існує мінімальна частота світла v₀, так звана червона межа фотоефекту, за якої зовнішній фотоефект ще можливий;

3) максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти опромінення і не залежить від його інтенсивності.

• Пояснюючи явище фотоефекту, А. Ейнштейн встановив співвідношення яке називається рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.

• Червона межа фотоефекту визначається лише роботою виходу і залежить від хімічної природи металу, наявності домішок і стану його поверхні:

• Явище фотоефекту знайшло широке практичне застосування в техніці завдяки використанню фотопровідності і фотоЕРС напівпровідників (фотоелементи, фоторезистори, фотодіоди тощо).

• Грунтуючись на квантовій гіпотезі світла, А. Ейнштейн сформулював два фотохімічні закони: — поглинутий речовиною фотон може викликати перетворення лише однієї молекули; — фотохімічна реакція відбувається за умов, якщо енергія фотона достатня для розриву молекулярних зв'язків, тобто не менша енергії дисоціації.

• Хімічна дія світла є основою життя.на Землі: завдяки реакції фотосинтезу вуглеводів енергія сонячного проміння, яку несуть фотони, перетворюється в енергію життєдіяльності органічного світу, необхідну для поповнення його запасів.

Содержание