Класична і квантова теорії світла і фотоефект.

К ласична хвильова теорія світла, пояснюючи безліч явищ — від поширення світла аж до його дифракції та інтерференції, не пояснила перший і другий закони фотоефекту. Рис. 363 допоможе уявити хід міркувань, які базувалися на класичних уявленнях про світло як електромагнітні хвилі. Вважалося, що світло випромінювалося джерелами безперервно, причому світло з малою енергією (від свічки) мало значно меншу амплітуду напруженості електричного поля Еи ніж світло від потужного джерела (електрична дуга). Фокусування світла дуги лінзою Л

дуже збільшує густину енергії і вектор Е світла. Виривання електронів з металу незалежно від довжини хвилі k має розпочинатись тоді, коли сила F = —е£ф стає досить великою. Отже, якщо уявлення, які по­казано на рисунку, правильні, то неможливе існування червоної границі фотоефекту.

Оскільки дослід незаперечно свідчить, що будь-яке фокусування червоного світла на поверхню цинку не веде до вильоту фотоелектронів, а найменші порції ультрафіолетового проміння виривають електрони, то в класичних уявленнях про світло присутній якийсь істотний дефект, якась принципова помилка.

Цей дефект — у припущенні безперервності випромінювання світлової хвилі її джерелом. Насправді світло випромінюється нагрітими тілами невеликими порціями — квантами чи фотонами. Правильне уявлення про розподіл векторів електричного поля фотонів у світловому потоці. З останнього випливає, що фокусування світла зводить разом більшу кількість фотонів, але не посилює напруженості результуючого поля Е внаслідок хаотичності напрямів їхніх полів Е_і.

Отже, процес поглинання світла у металі з вильотом електрона — процес індивідуального поглинання енергії окремих квантів, а решта їх не бере участі в цьому процесі.

Припущення про випромінювання світла порціями висловив у 1900 р. німецький фізик М. Планк, запропонувавши для енергії окремої порції світла формулу

Тут v — частота світла; h — стала Планка, як дорівнює 6,6260755 х 10^-34 Дж х с. Формула (22.14) виявилась першою у фізиці XX ст., яка була названа «квантовою фізикою», бо послідовно враховує дискретність (квантованість) не тільки випромінювання світла, а й багатьох інших явищ мікросвіту.

Хвильові і квантові властивості світла.

Отже, світло природних джерел утворюється шляхом випромінювання атомами і молекулами окремих квантів (фотонів), що є дугами електромагнітних хвиль з певними і λ. Оскільки швидкість їх у вакуумі дорівнює с = λv, то енергію окремих квантів можна обчислити і черев довжину хвилі:

З формули (22.15) випливає, що зменшення довжини хвилі квантів збільшує їхню енергію. Чим менший за розмірами фотон, тим більша його енергія. Наприклад, квант видимого світла випромінюється за час близько 10^-8 с, тому його просторова протяжність (довжина цугу хвиль) l_ф= 3 х 10⁸ м/с х 10^-8 с ≈ 3 м. Квант гамма-проміння випромінюється ядром за час 10^-14 – 10^-16 с, його протяжність значно менша (0,03—3 мкм), але енергія у мільйони разів більша від енергії кванта видимого світла. Кванти випромінювання радіодіапазону мають величезні розміри (мільйони кілометрів), їх доцільніше називати хвилями. З викладеного вище випливає, що у дослідах з інтерференції та дифракції видимого світла виявляється хвильова природа квантів світла. Але явища фотоефекту, поглинання світла при різних фотохі­мічних реакціях, тиску світла на перешкоди є проявом квантових властивостей світла: ділення його енергії на окремі порції, наявність у фотона імпульсу p_υ . Оскільки фотон існує тільки у русі зі сталою швидкістю с без прискорення, то його маса спокою рівна нулю. Для обчислення імпульсу використаємо формулу Ейнштейна (22.10) і формулу Планка (22.14):

Вектор імпульсу фотона напрямлений по лінії переносу ним енергії (вздовж хвильового вектора | k | = 2π/λ). При поглинанні чи відбиванні світла його імпульс передається перешкоді, виникає механічний тиск і перешкода може розпочати рухатися. Серед перших тиск світла виявив росіянин П. М. Лебєдєв. У наш час експериментують з вітрилами у космосі, намагаючись використати тиск сонячного світла на тонкі дзеркальні плівки для руху до планет і Місяця.

Використовуючи зв'язок маси і енергії за формулою А. Ейнштейна (22.10), вводять поняття маси фотона, визначаючи її за формулою m_υ = hυ/c². Конструктивного змісту ця величина не має, її не можна використати також для обчислення дії на фотони гравітаційного поля тощо.