Корпускулярно-волновой дуализм светового излучения

Корпускулярно-волновой дуализм – положение о том, что в поведении микрообъектов материи проявляются как корпускулярные, так и волновые черты.

По представлению классической (неквантовой) физики движение частиц и распро- странение волн различаются принципиально. Однако явление фотоэффекта и эффекта Комптона убедительно показывают, что свет – объект, имеющий (по классической тео- рии) волновую природу – ведет себя подобно потоку частиц (фотонов). Фотон - части- ца, обладающая энергией и импульсом. Энергия E и импульс p фотона связаны с часто- той n и длиной волны l электромагнитных колебаний следующими зависимостями:

E = hn; p = h /l.

Здесь h – постоянная Планка. h =1,054×10-34 Дж×с.

Рассмотрим эффекты, подтверждающие корпускулярную природу света.

Фотоэффект – испускание электронов веществом под действием фотонов. Он был открыт Г. Герцем в 1887 году и исследован А.Г.Столетовым в 1888 году. Он установил,

что в возникновении фототока в электрической цепи (рис. 2.4), содержащей металлические электроды (А и К) и источник напряжения Б, существенную роль играет освещение отрицательного электрода (А). Свет от источника (электрическая дуга), проходя через отверстия положительно заряженного сетчатого электрода (К) при соударении фотона с поверхностью электрода А выбивает из него электроны. Проскакивая через достаточно тонкий слой газового изолятора (воздушной прослойки), электроны вызывают возникно- вение фототока, сила которого пропорциональна интенсивности света.

Рис. 2.4.

Эффект Комптона – рассеяние света на свободных электронах, сопровождающее- ся увеличением длины волны света. При упругом столкновении налетающего фотона и покоящегося электрона соблюдаются законы сохранения энергии и импульса. Поэтому фотон, обладая энергией и импульсом, при соударении с электроном передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление своего движения (рассеивает- ся). Снижение энергии и импульса фотона приводит к снижению собственной частоты n и увеличению длины волны l (см. зависимости выше). Электрон, ранее покоящийся, при этом приходит в движение. Для реальных сред, где электроны связаны в атомах, при со-

ударении с фотоном они могут быть выбиты из атома (если энергия фотона превышает энергию связи электрона) или перейти на другие электронные оболочки, испуская или поглощаю полученную энергию. Анализируя полученный при этом спектр излучения, можно судить как о строении атома, так и о наличии того или иного химического элемен- та в контрольном веществе или материале. Изменяя энергию источника потока фотонов (напряжение электрической дуги или напряжение в рентгеновской трубке), можно опре- делить химический состав вещества, т.к. каждому отдельному химическому элементу свойственна оригинальная энергия связи электронов. Здесь следует отметить, что для выбивания электронов из атома требуется излучение с высокой энергией (обычно фото- ны рентгеновского и гамма-излучения).

Используя классический подход к электромагнитному излучению, можно описать та- кие явления, как дифракция, интерференция, полное внутреннее отражение и др.