§ 31. фотоны. давление света. корпускулярно-волновой дуализм

Излучение электромагнитных волн происходит определёнными порциями – квантами, и энергия этого излучения может принимать лишь дискретный ряд значений, кратных неделимой порции – кванту hn, где n – частота электромагнитной волны. Дискретность обусловлена не механизмом поглощения и испускания, а тем, что само излучение состоит из неделимых квантов энергии, поглощаемых или испускаемых только целиком. Свет, как и любое электромагнитное излучение, является потоком частиц - фотонов или квантов света. Эти свойства света называют корпускулярными (от лат. corpusculum - частица).  

Фотон – одна из элементарных (неделимых) частиц. Фотон движется со скоростью света, поэтому движение фотона можно рассматривать с позиций специальной теории относительности. Как и всякая движущая частица, фотон обладает импульсом. Согласно теории относительности импульс фотона p равен отношению его энергии к скорости света с:

 

Как известно, поток частиц, сталкивающихся с поверхностью тела, оказывает на него давление. По аналогии с этим поток света, т.е. поток фотонов, падающих на тело, должен создавать давление. Пусть свет падает перпендикулярно на зеркальную поверхность тела, полностью отражающую фотоны. При отражении модуль импульса фотона сохраняется, а направление его вектора изменяется на противоположное. Поэтому при отражении фотон передает зеркальной поверхности импульс, равный 2hn/c. Если на 1 м² зеркальной поверхности  перпендикулярно ей в течение 1 с падает n фотонов, то оказываемое этим потоком света давление составит 2nhn/c.

Если свет, падающий на поверхность тела, не отражается от него (абсолютно чёрное тело), то в результате неупругого соударения фотон отдаёт весь свой импульс телу. Поэтому давление потока света, перпендикулярно падающего на поверхность абсолютно чёрного тела, будет равно nhn/c, т.е. в два раза меньше, чем его давление на зеркальную поверхность.

Впервые давление света было измерено российским физиком П.Н. Лебедевым с помощью крутильных весов, схематически изображённых на рис. 31. В стеклянном сосуде, в котором создавали вакуум, на серебряной нити (Н) подвешивали тонкий стержень (С) с закрепленными на нём белыми и чёрными тонкими дисками-крылышками (К) толщиной 0,1 – 0,01 мм и диаметром 5 мм, сделанными из металла или слюды. Так как давление света на белые диски больше, чем на чёрные, то крутильные весы поворачивались, и по их углу поворота можно было судить о величине этого давления. Давление света в солнечный день составляет около 4^.10^-6 Па, что согласуется с величиной, которую можно вывести, исходя из теории электромагнитного поля Максвелла.

Таким образом, свет и любое электромагнитное излучение проявляет не только волновые, но и корпускулярные свойства. Эту способность света называют его корпускулярно-волновым дуализмом. Французский ученый Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными свойствами (энергией и импульсом) обладают также волновыми свойствами (частота волны). Поэтому движение любой частицы сопровождается распространением волн, длина которых l связана с импульсом частицы p соотношением (31.1).

Гипотеза де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма была впоследствии подтверждена экспериментально, когда оказалось, что поток электронов, проходя через кристалл, претерпевает дифракцию, аналогичную той, которая наблюдается для рентгеновских лучей. Именно в потенциальной возможности для частиц проявлять себя, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом, и состоит корпускулярно-волновой дуализм.

Вопросы для повторения:

·        Дайте определение импульса фотона.

·        Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

 

Рис. 31. Схема крутильных весов, использованных П.Н. Лебедевым для измерения давления света. Н – серебряная нить, С – стержень с укреплёнными на нём дисками-крылышками (К).