18.5. Гіпотеза Луї де Бройля. Корпускулярно-хвильовий дуалізм мікросвіту

Численні експерименти показують, що світло має двоїсту природу. В одних експериментах світло яскраво виявляє хвильові властивості, наприклад, у явищах дифракції, інтерференції та поляризації. В інших експериментах світло виявляє властивості частинок, наприклад, у явищах фотоефекта та люмінесценції, ефекті Комптона, досліді Боте. Планк установив, що енергія електромагнітного поля на частоті  складається з порцій (квантів) і дорівнює

Е=N_. (1)

Боте експериментально встановив, що носієм цієї енергії є частинка, яку було названо фотоном. Властивість фотона бути хвилею й часткою називається корпускулярно-хвильовим дуалізмом. Хвильові властивості фотона проявляються переважно при малих частотах , а корпускулярні властивості – при великих значеннях частоти.

У дослідах Девісона-Джермера, Дж.Томсона, П.Тартаковського, Отто Штерна виявлено, що корпускулярно-хвильовий дуалізм притаманний частинкам мікросвіту. Він проявляється при дифракції елементарних частинок і атомів на кристалічній решітці. В 1924 році Луї де Бройль висунув гіпотезу про те, що частинка речовини може мати хвильові властивості, які описуються хвильовою псі-функцією

(1)

з довжиною хвилі

, (2)

де  класичний або релятивістський імпульс частинки.

18.6. Фотон

Дослід Боте. Тонка металева фольга розміщується між двома газорозрядними лічильниками Л₁, Л₂ і освітлюється через діафрагму слабким рентгенівським випромінюванням З_б(див.). Збудження атомів фольги призводило до того, що вона сама ставала джерелом рентгенівського випромінювання. Слабке збудження давало невелике число квантів випромінювання фольги, які фіксувалися на папері самописцями М_1,2. Якби енергія розповсюджувалася рівномірно по всім напрямкам (хвильовий процес), то лічильники спрацьовували б одночасно. В дійсності спостерігалося неодночасне невпорядковане спрацьовування лічильників. Такий результат можна одержати лише в тому випадку, коли в окремих актах випромінювання виникали кванти, що летіли кожного разу в різних напрямках. Частинку, що несе квант енергії , Боте назвав фотоном.

Установлені такі властивості фотона. Швидкість розповсюдження фотона дорівнює швидкості світла, а напрямок розповсюдження збігається з напрямком поширення хвилі, який задається хвильовим вектором. Фотон не буває у стані спокою і його маса спокою дорівнює 0. Фотон має власний момент імпульсу (спін), рівнийЯкщо фотон поглинається чи випромінюється речовиною, то момент імпульсу речовини змінюється на дискретну величину, деn= 1, 2, 3, ...

Фотон, як частинка, що рухається із швидкістю світла, повинен розглядатися як релятивістська частинка. Використовуючи співвідношення релятивістської механіки, можна визначити динамічні характеристики фотона.

1. Імпульс фотонаІмпульс фотона за релятивістською механікою

. (1)

2. Релятивістська маса фотона розраховується за формулою

. (2)

3. Тиск потоку фотонів. Потік фотонів здійснює тиск на поверхню падіння. Цей тиск можна знайти з таких міркувань. Нехай на стінку площею 1м² нормально падає за одиницю часу N фотонів з енергією . При коефіцієнті поглинання стінки, кожний з відбитих квантів передає поверхні імпульс 2р, а кожний з поглинених - р. Число поглинених фотонів буде N, а відбитих (1-)N. Сумарний імпульс , переданий поверхні за часt=1c, дорівнює