Принцип доповнюваності. Першим зрозумів важливість ідеї квантування А. Ейнштейн, який у 1905 р. з квантових позицій пояснив фотоелектричний ефект, за що йому було присуджено Нобелівську премію.
Фотоефект, ефект Комптона та інші експерименти (про які детально мова йтиме у наступних параграфах) міцно утвердили квантову (корпускулярну) теорію світла. Проте класичні досліди Юнга та інших дослідників із вивчення явищ інтерференції, дифракції доводять хвильову природу світла. Постає дилема: одні експерименти доводять, що світло поводить себе як хвиля, а інші -як потік частинок. Яку із теорій світла - хвильову чи корпускулярну - вважати визначальною? Для виходу із цієї ситуації датський фізик Нільс Бор (18851962) запропонував принцип доповнюваності, згідно з яким для пояснення природи світла слід використовувати і корпускулярні, і хвильові властивості світла - як дві складові його природи,-що доповнюють одна одну. Хвильові і квантові властивості світла не можна протиставляти. Властивості неперервності, характерні для електромагнітного поля світлової хвилі, не виключають властивостей дискретності, характерних для квантів світла - фотонів.
Квант світла - мінімальна порція світлової енергії, локалізована у частинці, яку називають фотоном.
Данепоняття ввів А. Ейнштейн, пояснюючи закони фотоефекту, механізм люмінесценції.
Таким чином, світло має електромагнітну природу і йому притаманні двоїсті квантово-хвильові властивості. Саме цю двоїстість мають на увазі, коли говорять про корпускулярно-хвильовий дуалізм світла. У видимого світла квантові та хвильові властивості виявляють себе однаковою мірою.
Хвильові властивості світла проявляються у процесах його поширення, інтерференції, дифракції, поляризації, а корпускулярні - у процесах взаємодії світла з речовиною.
Для інших видів випромінювання спостерігається важлива закономірність: на малих частотах більшою мірою проявляються хвильові властивості (наприклад, для радіовипромінювання), а на великих частотах - квантові (наприклад, рентгенівське випромінювання).
Властивості фотона, у сучасній фізиці фотон розглядають як одну з елементарних частинок, проте на відміну від частинок речовини він має специфічні властивості.
Оскільки фотони рухаються зі швидкістю світла с, і згідно з основними положеннями спеціальної теорії відносності в усіх інерціальних системах відліку швидкість світла є сталою, то не існує таких систем відліку, відносно яких фотони можуть перебувати у стані спокою. Іншими словами, фотон існує тільки в русі. Зупинити чи загальмувати фотон неможливо, він або рухається зі швидкістю світла, або не існує. На відміну від частинок речовини (електронів, атомів) фотони можуть порівняно легко випромінюватись або поглинатись.
Враховуючи те, що фотон - це квант світла, його енергія визначається за формулою E-hv. Повну енергію фотона можна визначити і за законом взаємозв’язку маси-енергії Е = тс2. Прирівнюючи ці формули, можна визначити масу фотона
Підставляючи у формулу Е = Лу значення граничних частот діапазону видимого світла, можна обчислити діапазон енергій фотонів: від 2 еВ (червоний колір) до 3 еВ (фіолетовий колір). Цієї енергії фотонів буває достатньо для того, щоб збудити електрони всередині атомів речовини або навіть вирвати їх за межі атома (явище виривання електронів з поверхні металу носить назву фотоефекту).
Співвідношення між енергією фотона та довжиною хвилі можна записати у такому вигляді:
Враховуючи, що
читається ангстрем
Е = Лу , отримуємо
За енергією одного фотона можна визначити число фотонів у пучку, якщо відомий його повний потік енергії. Наприклад, для світла довжиною хвилі к = 500 нм межа зорового відчуття дорівнює W = 2,1-10 13 Дж/(м2 • с). Розрахуємо кількість фотонів, які сприймає око на межі зорового відчуття.
Для цього визначимо енергію одного фотона
Тоді кількість фотонів дорівнює
= 53-104 фотон/(м2*с).
Фотон масою т, рухаючись зі швидкістю с, має імпульс
Імпульс фотона було виявлено експериментально А. Комптоном, за цю роботу він отримав Нобелівську премію у 1927 р.
Таким чином, під час взаємодії фотона з атомом він передає речовині не лише енергію, а й імпульс. Цим, зокрема, пояснюється тиск світла: потік фотонів, ударяючись об перешкоду, передає їй імпульс подібно до того, як молекули газу, ударяючись об стінки посудини, чинять тиск на них.
Отже, ґрунтуючись на квантовій природі світла, можна пояснити такі фізичні явища, як тиск світла, виривання електронів з поверхні металу під дією світла (фотоелектричний ефект) та інші. Водночас світлу властиві хвильові явища. Дуалізм властивостей світла проявляється у формулах, з яких
визначають характеристики фотонів:
У цих форму
лах квантові характеристики фотонів (енергія, імпульс, маса) зв’язані з хвильовою характеристикою світла - його частотою v.
Дайте відповіді на запитання
1. Назвіть основні властивості фотона.
2. Як визначити масу та імпульс фотона? Як напрямлений імпульс фотона?
3. У чому полягає корпускулярно-хвильовий дуалізм світла?
4. До якого виду треба віднести промені, енергія фотонів яких становить 2-10‘17 Дж,
4-Ю"19 Дж, З*10-23 Дж?
5. Співвідношення між частотами двох фотонів таке: V1 = kV2. Порівняйте їх енергії та імпульси.