1. Фотон (γ) — является элементарной частицей, квантом электромагнитного излучения.
Испуская и поглощая свет, ведет себя на подобии потока частиц с энергией, которая зависит от частоты v:
E = hv, где h — является постоянной Планка.
Эти свойства света назвали корпускулярными, а саму частицу назвали фотоном.
Энергию фотона зачастую выражают через циклическую частоту ω = 2kv, используя вместо h величину ћ (читается как «аш с чертой»), которая равна ћ = h/2π. Значит, энергию фотона можно выразить так:
Е = hv= ћω.
Исходя из теории относительности, энергия связана с массой соотношением Е = mс2.
Так как энергия фотона равняется hv, значит, его релятивистская масса mp равняется:
Фотон
не имеет массы покоя m, то есть он не существует в состоянии покоя и
при рождении сразу обладает скоростью с. Масса, которая определяется
при помощи формулы ,
является массой движущегося фотона.
Располагая значениями массы и скорости фотона, можно определить импульс фотона:
Импульс фотона направлен по световому лучу. Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем четче выражены корпускулярные свойства света. Энергия фотонов зеленого света составляет 4•10 -19 Дж. Тем не менее, в своих опытах С. И. Вавилов установил, что человеческий глаз (который является тончайшим из оптических приборов) чувствует освещенность, вызванную единицами квантов.
2. Опыт Вавилова С.И.
В 30-ых годах XX в. выдающийся советский ученый Сергей Иванович Вавилов провел опыты по исследованию чувствительности человеческого глаза к слабым световым потокам.
Вавилов предположил, что глаз человека реагирует на какое-то минимальное число фотонов, которое необходимо для возникновения светового ощущения. Для проверки данного предположения он использовал следующую установку.
Положение головы наблюдателя закреплялось с помощью подбородника таким образом, чтобы во время опыта глаз все время был фиксирован на красную сигнальную лампочку (1) и свет от основной электрической лампы (2) падал на периферию сетчатки.
Свет от лампы (2) проходил к глазу через зеленый фильтр (6), нейтральный оптический клин (7) при помощи которого можно было изменять интенсивность светового пучка.
Между глазом и лампой располагался вращающийся диск(5) с отверстием, размеры которого обеспечивали кратковременность световых вспышек (0.1 с).
Промежуток времени составлял 0,9 с, за который глаз полностью восстанавливал свою способность к восприятию новой вспышки.
Наблюдатель отмечал каждую видимую вспышку нажимом ключа. По числу вспышек и прохождений света через отверстия диска, автоматически фиксируемых на бумажной ленте, определяли вероятность видения вспышек.
Результаты эксперимента оказались следующими:
1. При интенсивностях светового пучка значительно превышающих пороговые, каждая вспышка регистрируется наблюдателем.
2. При интенсивности света сравнимой с пороговой наблюдатель то отмечал вспышку, то не замечал ее.
3. Большинство измерений в опытах было сделано в сине-зеленой области спектра 500-550 нм. В этой области, как следовало из опытов Вавилова и его сотрудников, значения n0, соответствующие порогу на сетчатке, для одного и того же наблюдателя достаточно постоянны, но у разных людей могут быть различны.
Число фотонов в отдельных вспышках отличается друг от друга. В результате в некоторых случаях число фотонов, достигающих глаза наблюдателя меньше порогового значения и наблюдатель не видит свет.
Эксперименты по наблюдению изменения интенсивности слабых световых потоков, выполненные С. И. Вавиловым, подтверждают квантовую структуру света.
3. Опыты Лебедева по доказательству существования давления света
Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана Иоганном Кеплером в XVII веке для объяснения явления хвостов комет при полете их вблизи Солнца.
Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствие.
Под действием электрического поля волны электроны в телах совершают колебания – образуется электрический ток. Этот ток направлен вдоль напряженности электрического поля. На упорядоченно движущиеся электроны действует сила Лоренца со стороны магнитного поля, направленная в сторону распространения волны – это и есть сила светового давления (Рис. 1).
Для доказательства теории Максвелла необходимо было измерить давление света. Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 году (Рис. 3).
Рис. 2. Петр Николаевич Лебедев
Рис. 3. Прибор Лебедева
Прибор Лебедева (Рис. 3) состоит из легкого стержня на тонкой стеклянной нити, по краям которой прикреплены легкие крылышки. Весь прибор помещался в стеклянный сосуд, откуда был выкачан воздух. Свет падает на крылышки, расположенные по одну сторону стерженька. О значении давления можно судить по углу закручивания нити.
Трудность точного измерения давления света была связана с тем, что из сосуда невозможно было выкачать весь воздух.
При проведении эксперимента начиналось движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда. Крылышки невозможно повесить абсолютно вертикально. Нагретые потоки воздуха поднимаются наверх, действуют на крылышки, что приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов. Также на закручивание нити влияет неоднородный нагрев сторон крылышек.
Сторона, обращенная к источнику света, нагревается больше, чем противоположная. Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс.
Рис. 4. Прибор Лебедева Рис. 5. Прибор Лебедева
Лебедев сумел преодолеть все трудности, несмотря на низкий уровень экспериментальной техники в те времена. Он взял очень большой сосуд и очень тонкие крылышки. Крылышко состояло из двух пар тонких платиновых кружочков. Один из кружочков каждой пары был блестящим с обеих сторон. У других сторон одна сторона была покрыта платиновой чернью. При этом обе пары кружочков различались толщиной.
Для исключения конвекционных потоков, Лебедев направлял пучки света на крылышки то с одной, то с другой стороны. Таким образом, силы, действующие на крылышки, уравновешивались (Рис. 4–5).
Рис. 6. Прибор Лебедева Рис. 7. Прибор Лебедева
Так давление света на твердые тела было доказано и измерено (Рис. 6–7).
Значение этого давление совпало с предсказанным давлением Максвелла.
Через три года Лебедеву удалось совершить еще один эксперимент – измерить давление света на газы (Рис. 8).
Рис. 8. Установка для измерения давления света на газы
4. Объяснение давления света с точки зрения квантовой теории
Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить причину давления света.
Фотоны обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Такое взаимодействие можно рассматривать как абсолютно неупругий удар.
На поверхность со стороны каждого фотона действует сила:
Давление света на поверхность:
если S=1м2, t =1с, то давление Р = импульсу р
Световые частицы – фотоны, попадая на вещество, передают ему свой импульс и тем самым, действуют на него с силой, которую и называют силой светового давления.
5. Величина светового давления и его оценка
Квантовая и электромагнитная теории света позволили вычислить величину давления света
Эта величина очень мала, но телу малой массы она может сообщить огромную скорость
F ∙∆t = N∙mc
k - Солнечная постоянная
k = 0,14∙104 Вт/м
Р ≈ 4,7∙10 -6 Па
6. Взаимодействие фотона с зеркальной поверхностью
В случае данного взаимодействия получается абсолютно упругое взаимодействие. При падении фотона на поверхность он отражается от нее с той же скоростью и импульсом, с которыми упал на эту поверхность. Изменение импульса будет в два раза больше, чем при падении фотона на черную поверхность, давление света увеличится в два раза.
В природе не существует веществ, поверхность которых полностью бы поглощала или отражала фотоны. Поэтому для расчета давления света на реальные тела необходимо учитывать, что часть фотонов поглотится этим телом, а часть отразится.
Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом. Хотя в обычных условиях световое давление очень мало, его действие может оказаться существенным.
На основе давления Солнца был разработан парус для космических кораблей, который позволит перемещаться в космосе под давлением света.
Давление света, согласно теории Максвелла, возникает в результате действия силы Лоренца на электроны, совершающие колебательные движения под действием электрического поля электромагнитной волны.
С точки зрения квантовой теории давление света возникает в результате взаимодействия фотонов с поверхностью, на которую они падают.
Вычисления, которые были проведены Максвеллом, совпали с теми результатами, которые произвел Лебедев. Это ярко доказывает квантово-волновой дуализм света.
Опыты Крукса
Лебедев впервые обнаружил давление света экспериментально и смог его измерить. Опыт был невероятно сложным, но существует научная игрушка – опыт Крукса (Рис. 12).
Рис. 12. Опыт Крукса
Маленький пропеллер, состоящий из четырех лепестков, расположен на игле, которая накрыта стеклянным колпаком. Если осветить этот пропеллер светом, то он начинает вращаться. Если посмотреть на этот пропеллер в открытом воздухе, когда на него дует ветер, его вращение никого бы не удивило, но в данном случае стеклянный колпак не позволяет потокам воздуха действовать на пропеллер. Поэтому причиной его движения является свет.
Английский физик Уильям Крукс случайно создал первую световую вертушку.
В 1873 году Крукс решил определить атомный вес элемента Таллия и взвесить его на очень точных весах. Чтобы случайные воздушные потоки не исказили картины взвешивания, Крукс решил подвесить коромысла в вакууме. Сделал и поразился, так как его тончайшие весы были чувствительны к теплу. Если источник тепла находился под предметом, он уменьшал его вес, если над – увеличивал.
Усовершенствовав этот свой нечаянный опыт, Крукс придумал игрушку – радиометр (световая мельничка). Радиометр Крукса – это четырехлопастная крыльчатка, уравновешенная на игле внутри стеклянной колбы с небольшим разряжением. При попадании на лопасть светового луча, крыльчатка начинает вращаться, что иногда неправильно объясняют давлением света. На самом деле причиной кручения служит радиометрический эффект. Возникновение силы отталкивания за счет разницы кинетических энергий молекул газа, налетающих на освященную (нагретую) сторону лопасти и на противоположную неосвещенную (более холодную).
7. Значение опытов П.Н. Лебедева
Доказали справедливость теории электромагнитного поля Д. К. Максвелла;
Явились одним из краеугольных камней квантовой теории света и теории относительности;
Доказали наличие у света импульса, а значит, и массы, то есть существование фотонов (световых частиц);
Доказали, что свет - один из видов материи, а не механические волны в эфире.
8. Химическое действие света
Химическое действие света проявляется в том, что существует целый ряд химических превращений, происходящих только под действием света.
Химические реакции, протекающие под действием света, называют фотохимическими.
- Отбеливание и выцветание, загар
Фотосинтез
- Химические реакции под действием света происходят в зелёных листьях деревьев и травы, в иглах хвои, во многих микроорганизмах. В зелёном листе под действием Солнца происходят необходимый для всей жизни на Земле процесс фотосинтеза. Он даёт нам пищу и кислород для дыхания.
Фотография
В основе фотографии лежит химическое действие света.
Слово «фотография» происходит от греческого «фото» – свет, «графо» – рисую, пишу.
Фотография – рисование светом, светопись – была открыта не сразу и не одним человеком. Люди давно стремились найти способ получения изображений, который не требовал бы долгого и утомительного труда художника.
В основе фотографии лежит использование специальных материалов, в светочувствительном слое которых в результате действия излучения и последующей химико-фотографической обработки происходят фотохимические реакции.
Фотографирование, столь распространенное в нашей жизни, основано на светочувствительных свойствах некоторых солей серебра. Из таких солей в настоящее время чаще всего применяется бромистое серебро.
Снимок Ньепса
В 1826 г. Ньепс с помощью камеры-обскуры получил на металлической пластинке, покрытой тонким слоем асфальта, вид из окна своей мастерской. Снимок он так и назвал– гелиография (солнечный рисунок).
Экспозиция длилась восемь часов. Изображение было весьма низкого качества, и местность была едва различима. Но с этого снимка началась фотография.
9. Световое давление в астрономии
Световое давление обеспечивает стабильность звезд, противодействуя силам гравитационного сжатия
Действием давления света объясняются некоторые формы кометных хвостов
Давление солнечного света на мельчайшие частицы уносит их на огромные расстояния
Решение задач:
Задача 1. Определить энергию Е, массу m и импульс р фотона, которому соответствует длина волны λ=380 нм (фиолетовая граница видимого спектра).
Дано: Решение
Задача 2. Определить длину волны λ, массу m и импульс p фотона с энергией Е =1 МэВ. Сравнить массу этого фотона с массой покоящегося электрона
Задача 3. Определить длину волны λ фотона, импульс которого равен импульсу электрона, обладающего скоростью v=10 Мм/с.
Задача 4. Определить длину волны λ фотона, масса которого равна массе покоя: 1) электрона; 2) протона.
Контрольные вопросы:
1. Как определить энергию, массу и импульс фотона, зная частоту световой волны?
2. Что понимается под словами корпускулярно-волновой дуализм?
3. Как в опыте Вавилова С.И. доказывается квантовая природа света?
4. Какие трудности испытывал Лебедев при проведении опытов по обнаружению давления света?
5. Как с квантовой точки зрения объясняется причина появления давления света?
6. Какого химического действие давления света, где оно применяется?