4.9. Двойственная корпускулярно-волновая природа света
Свет (и любое другое электромагнитное излучение радиоволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, рентгеновские лучи,лучи) обнаруживает удивительное единство, казалось бы, взаимно исключающих свойствнепрерывность (волны) и дискретность (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга. Действительно, такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация света и другие убедительно подтверждают волновую (электромагнитную) природу света. С другой стороны, излучение абсолютно черного тела, фотоэффект, световое давление, эффект Комптона служат доказательством квантовых (корпускулярных) представлений о свете, как о потоке фотонов.
Одновременное существование у света волновых и квантовых свойств, естественно, ставит вопрос об их сочетании и взаимозависимости. Оказывается, волновые и корпускулярные свойства света не исключают, а, наоборот, взаимно дополняют друг друга. Эта взаимосвязь отражается и в уравнениях, связывающих величины, характеризующие корпускулярные свойства электромагнитного излучения (энергия ф, массаmф, импульсрффотона) и его волновые свойства (частота или длина волны):
.
Итак, свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Современная физика убедительно доказывает ошибочность всех попыток противопоставить друг другу волновые и квантовые свойства света. Свет представляет собой диалектическое единство этих двух свойств, Причем в проявлении этих противоположных свойств света имеется определенная закономерность: с уменьшением длины волны (увеличением частоты) всё более отчетливо проявляются квантовые свойства света, а с увеличением длины волны (уменьшением частоты) основную роль играют его волновые свойства. Таким образом, если "перемещаться" по шкале электромагнитных волн в сторону более коротких (от радиоволн до лучей), то волновые свойства электромагнитного излучения будут постепенно уступать место всё более отчетливо проявляющимся квантовым свойствам.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
Какое излучение называется тепловым? Какова его природа (почему тепловое излучение отнесено к разделу оптики)?
Чем отличается тепловое излучение от других видов излучений?
Какие физические величины служат характеристиками теплового излучения?
Напишите определительные формулы и дайте словесное определение следующих физических величин: а) поток излучения, б) энергетическая светимость (излучательность) тела, в) спектральная плотность энергетической светимости тела (излучательная способность), г) поглощательная способность (коэффициент поглощения) тела.
От каких параметров зависят характеристики теплового излучения?
Какова взаимосвязь между энергетической светимостью и спектральной плотностью энергетической светимости?
Какое тело называется: а) абсолютно черным, б) абсолютно белым?
Запишите математически и сформулируйте закон Кирхгофа.
Какое тело поглощает больше энергии абсолютно черное или любое другое (при равных условиях)?
Какое тело ярче светится при нагревании белое или абсолютно черное (при одинаковых температурах)?
Какой вид имеет кривая распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела? Какие величины отложены на осях координат?
Каковы особенности кривой распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела?
Какой физической величине равна площадь под кривой распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела?
Напишите и сформулируйте: а) закон Стефана – Больцмана; б) закон смещения Вина; в) второй закон Вина. Что понимают под maxв законе смещения Вина?
Каково физическое содержание (r*,T)maxво втором законе Вина?
В чем заключается гипотеза Планка, объясняющая законы теплового излучения?
Что называется оптической пирометрией?
Что понимают под внешним фотоэлектрическим эффектом?
Каковы основные свойства внешнего фотоэффекта?
Какой вид имеют вольт-амперные характеристики внешнего фотоэффекта: при = const ; при Ф = соnst ?
Какой ток называют фототоком насыщения? От чего зависит его величина?
Какую разность потенциалов называют задерживающей разностью потенциалов? От чего она зависит?
Что понимают под "красной границей" фотоэффекта?
Что такое “работа выхода“, от чего она зависит?
В чем суть идей Эйнштейна, дополняющих и развивающих квантовую теорию Планка?
Запишите математически и сформулируйте словесно уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.
Как теория Эйнштейна объясняет эти законы, а именно: а) силу фототока насыщения, б) зависимость скорости фотоэлектронов от частоты падающего света, в) существование "красной границы" фотоэффекта?
Какие виды фотоэффекта Вы знаете? В чем они заключаются?
Каково применение фотоэффекта в науке и технике?
Что такое фотон?
Чему равны: а) энергия, б) масса, в) импульс фотона?
Чем фотон отличается от других элементарных частиц?
Как объясняется световое давление с позиций квантовой теории света?
Кто и когда впервые обнаружил и измерил световое давление?
Запишите формулу светового давления. Каково физическое содержание величин, входящих в эту формулу?
На какую из поверхностей свет оказывает большее давление: на белую или черную? Почему?
Какова роль светового давления в объяснении космических процессов?
В чем состоит сущность эффекта Комптона?
Запишите формулу Комптона для рассеяния рентгеновских лучей на свободных электронах. Каково физическое содержание величин, входящих в эту формулу?
В чем состоит корпускулярно-волновая природа света?
Что такое свет с точки зрения квантовой теории?
Какие физические величины характеризуют свойства световой частицы фотона?
Какими явлениями подтверждается квантовая природа света?
В каких оптических явлениях свет обнаруживает: а) волновые, б) квантовые свойства?
Как изменяются свойства электромагнитных волн при "перемещении" вдоль шкалы частот?
Каковы источники испускания электромагнитных волн при "перемещении" вдоль шкалы частот?