-
Тиск світла
Досліди
П. Лєбєдєва по визначенню тиску світла
на поверхню металів досить просто
пояснюються, якісно та кількісно, саме
у межах квантового підходу. Дійсно,
падаючий на поверхню квант світла, або
поглинається і тоді передає поверхні
свій імпульс (
),
або відбивається і тоді передає поверхні
навіть вдвічі більший імпульс (
).
Розглядаючи
потік світла інтенсивності
як потік квазічастинок, світлових
квантів, кожен з яких передає імпульс
(в одиницю часу на одиницю поверхні),
негайно отримуємо, що всім потоком
передається імпульс, який дорівнює
,
де
-
коефіцієнт відбиття поверхні. Проте,
імпульс, що переданий в одиницю часу,
то є сила (згідно з другим законом
Ньютона), а сила віднесена на одиницю
поверхні сила – то є тиск. Отже, маємо
для тиску світла:
|
|
(4.9.11) |
тиск
світла є прямо пропорційний до його
інтенсивності і тим більший, чим більшим
є коефіцієнт відбиття світла від поверхні
-
.
В
дослідах Лєбєдева світло тиснуло на
легку, підвішену на пружній нитці,
вертушку, одне крило якої було чорним,
поглинаючим (
),
а друге дзеркальним, відбиваючим (
).
При однаковій інтенсивності світла,
тиск на крила вертушки різнився у два
рази. Отже, створювалася пара нерівних
сил, яка й закручувала вертушку на
пружному підвісі у приладі Лєбєдєва.
Квантові властивості електромагнітного поля, доведені та спостережені експериментально, усвідомлені в межах теорії квантово-корпускулярного дуалізму, запровадили у фізику уявлення про кванти. Кванти енергії електромагнітного поля, фотони, багато у чому нагадують мікрочастинки (корпускули): зокрема вони мають масу, імпульс, як єдине ціле вони взаємодіють з речовиною та іншими мікрочастинками. У той же самий час ніщо не заперечує і хвильової природи електромагнітного випромінювання, яка проявляється в цілій низці суто хвильових ефектів (табл.4.9.1).
|
Явища, в яких світло (або ЕМ-хвилі) демонструють хвильові властивості |
Явища, в яких світло (або ЕМ-хвилі) демонструє корпускулярні властивості |
|
|
-
Хвилі де Бройля. Експериментальне підтвердження хвильових властивостей корпускул
У
1924 році французький філософ Луї де-Бройль
(L. de-Broglie) висловив припущення (гіпотезу)
про повну симетрію природних об’єктів.
Ця гіпотеза, зокрема передбачала, що
корпускулярно-хвильовий дуалізм є рівно
притаманним як випромінюванню так і
мікрочастинкам, тобто всім формам
матерії. Де-Бройль постулював наявність
певних хвильових властивостей у
електронів, протонів, нейтронів і взагалі
у всіх мікрочастинок і навіть макротіл.
Більше того, де-Бройль припустив, що
співвідношення корпускулярних та
хвильових властивостей для частинок є
таким самим як і для фотонів. Отже, якщо
якась частинка має певну енергію
,
та імпульс
то з ними пов’язані її довжина та частота
хвилі:
|
|
(5.1.1) |
Ці формули абсолютно аналогічні зв’язкам поміж цими ж величинами для квантів світла – фотонів.
Довжина хвилі де-Бройля (5.1.1) тим менша, чим більшою є маса та швидкість частинки (тобто чим більшим є імпульс).
Зробимо
певні оцінки порядку величини для
довжини хвилі де-Бройля: наприклад, для
макрочастинки масою
кг та швидкістю 10 м/с довжина хвилі
де-Бройля надзвичайно мала:
м,
що лежить далеко за межами експериментального
спостереження. Особливо якщо пригадати,
що атомне ядро має розміри порядку
м, тоді стає зрозумілим, що навіть на
об’єкті такого розміру ми не зможемо
спостерігати дифракції нашої
частинки-хвилі, бо дифракція потребує
виконання умови:
.
Проте,
інші висновки можна зробити стосовно
мікрочастинок. Наприклад, при масі
електрона
кг,
та швидкостях порядку
м/с,
що відповідає енергіям від 1 еВ. до 10.000
еВ, тобто легко досяжним експериментально,
довжина хвилі де-Бройля лежить в межах
~
м,
що вже є співмірним, наприклад, зі сталими
кристалічної гратки більшості кристалів.
Виконання
умови дифракції (
)
для довжини хвиль де-Бройля електронів
та міжатомної відстані у кристалах,
подало американським експериментаторам
Девіссону і Джермеру ідею застосувати
кристали як тривимірну дифракційну
гратку для потоків розігнаних електронів.
Дифракційна картина фіксувалася на
спеціальній фотоплівці. Досвід Девіссона
та Джермера прямо підтвердив висновки
де-Бройля про хвильові властивості
мікрочастинок.
П
ізніше
виявилося що не лише потік електронів,
але також потоки нейтронів, протонів і
навіть атомів водню дифрагували на
кристалах, як на дифракційній гратці.
У повній відповідності до законів цього
хвильового явища. Нині хвильові
властивості мікрочастинок не лише
надійно доведені експериментально, але
вже давно використовуються в устаткуванні
з високою розрізнювальною здатністю:
електронних мікроскопах, нейтронографії,
іонній спектроскопії, тощо.
Наведений знімок відтворює електронну хвилю на поверхні мідного кристалу, яка має розсіяння на дефекті розмірами лише у два атоми (дві лунки на зображенні). Стояча хвиля електронної густини, помітна на зображенні, утворилася внаслідок інтерференції розсіяних електронних хвиль. Зображення отримане у лабораторії компанії IBM ( author Don Eagler), методом скануючої тунельної мікроскопії (STM).
Дуалізм світла, або ширше, дуалізм електромагнітного випромінювання типу хвиля-частинка, тим помітніший, чим більшою є частота і коротшою є довжина хвилі. Тому для довгохвильового випромінювання (радіохвиль, наприклад) корпускулярні властивості практично непомітні. У той же час для високочастотних, короткохвильових рентгенівських променів, квантові, корпускулярні властивості, навпаки, надзвичайно яскраво виражені. Якщо розглядати дуалізм частинка-хвиля, то варто зауважити, що хвильові властивості є практично непомітними для масивних макротіл. У той же час хвильові властивості є тим помітнішими, чим меншою є маса частинки. У мікросвіті для мікрочастинок вже неможливо нехтувати їх квантовими, хвильовими властивостями. Зокрема, хвильові властивості мікрочастинок заважають визначати їх траєкторії: хвиля-частинка не має в просторі фіксованої координати, не є суворо локалізованою. Поняття траєкторії втрачає зміст в мікросвіті. Хвильові властивості мікрочастинок вимагають іншого способу опису їх руху, відмінного від класичної механіки макротіл.
|
Факультет машинобудування |
|
|
|
Лектор Дон Н.Л. |
|
стор.
|