Тема 2. Фотонна теорія світла.

2.1. Світло як потік фотонів

2.2. Маса та імпульс фотонів

2.3. Досліди С.І.Вавилова

2.4. Тиск світла.

2.5. Дослід П.М.Лебедєва

2.1. Світло як потік фотонів

1. Як видомо, правильний вираз для функції Кірхгофа

(2.1)

вдалось знайти М.Планку (19 жовтня 1900 р.) шляхом введення квантової гіпотези, яка суперечила фундаментальним концепціям класичної фізики, оскільки була пов’язана з дивною на ті часи гіпотезою про дискретний – квантовий – характер електромагнітного випромінювання атомами речовини.

У класичній фізиці припускається, що енергія будь-якої системи змінюється безперервно, тобто може набувати будь-яких близьких значень.

Згідно квантової гіпотези Планка енергія осцилятора може набувати лише дискретних значень, що дорівнюють цілому числу елементарних порцій енергій – квантів енергії :

, (2.2)

де n = 0, 1, 2...

2. Поглиблюючи ідеї Планка, Ейнштейн висловив гіпотезу, що світло не тільки випромінюється, але так само розповсюджується в просторі й поглинається речовиною у вигляді окремих дискретних квантів електромагнітного випромінювання – фотонів.

Фотон – ультрарелятивістська частинка, яка завжди рухається тільки з швидкістю світла у вакуумі точно рівною 299 792 458 м/с.

3 . Одним з експериментів, підтверджуючим квантування поглинання світла, став дослід Вальтера Боте проведений їм в 1925 році. У цьому досліді (рис.2.1) тонка металева фольга 1 опромінювалася рентгенівським випромінюванням 2 низькій інтенсивності. При цьому фольга сама ставала джерелом слабкого вторинного випромінювання 3. Виходячи з класичних хвилевих уявлень, це випромінювання повинне розподілятися в просторі рівномірно на всіх напрямках. В цьому випадку два лічильники 4, що знаходилися зліва і праворуч від фольги, повинні були фіксувати його одночасно. Проте результат досліду виявився прямо протилежним: випромінювання фіксувалося або правим, або лівим лічильником і ніколи обома одночасно. Отже, поглинання йде окремими квантами. Дослід, таким чином, підтвердив початкове положення фотонної теорії випромінювання, і став, тим самим, ще одним експериментальним доказом квантових властивостей електромагнітного випромінювання.

2.2. Маса та імпульс фотонів

Виходячи із взаємозв'язку маси і енергії , можна визначити масу фотона

(2.3)

Так, для монохроматичного світла з довжиною хвилі маса фотона = 4 10^-36 кг. Для жорсткого рентгенівського випромінювання маса фотона порівняна з масою електрона, а для випромінювання — більша за масу електронів. Частинка, яка рухається зі швидкістю і має масу спокою m₀, матиме масу

(2.4)

Оскільки фотон рухається у вакуумі зі швидкістю с, то знаменник у (2.4) перетворюється в нуль. З рівності (2.3) випливає, що маса фотона скінченна. Це можливо за умови, коли маса спокою фотона дорівнює нулю. Отже, фотон — це особлива частинка, яка істотно відрізняється від таких частинок, як електрон, протон, нейтрон, що мають відмінну від нуля масу спокою, фотон не має маси в спокої і може існувати тільки в русі зі швидкістю с.

Модуль імпульсу фотона можна знайти зі співвідношення спеціальної теорії відносності.

(2.4)