4. 2. Квантові властивості світла

2.1 Фотоефект  У 1887р. німецький фізик Герц пояснив явище фотоефекту. Основою цього послужила Гіпотеза Планка про кванти.  Явище фотоефекту виявляється при висвітленні цинкової пластини, з'єднаної зі стрижнем електрометра. Якщо пластині і стрижня переданий позитивний заряд, то електрометрії не розряджається при висвітленні пластини. При повідомленні пластині негативного електричного заряду електрометрії розряджається, як тільки на пластину потрапляє ультрафіолетове випромінювання. Цей досвід доводить, що з поверхні металевої пластини під дією світла можуть звільнятися негативні електричні заряди. Вимірювання заряду і маси частинок, що вириваються світлом, показало, що ці частки - електрони.  Були зроблені спроби пояснити закономірності зовнішнього фотоефекту на основі хвильових уявлень про світло. Згідно з цими уявленнями, механізм фотоефекту виглядає так. На метал падає світлова хвиля. Електрони, що знаходяться в його поверхневому шарі, поглинають енергію цієї хвилі, і їхенергія поступово збільшується. Коли вона стає більше роботи виходу, електрони починають вилітати з металу. Таким чином, хвильова теорія світла нібито здатна якісно пояснити явище фотоефекту.  Проте розрахунки показали, що при такому поясненні час між початком освітлення металу і початком вильоту електронів повинно бути близько десяти секунд. Між тим з досвіду випливає, що t <10-9c. Отже, хвильова теорія світла не пояснює безінерційними фотоефекту. Не може вона пояснити і інші закони фотоефекту.  Згідно хвильової теорії кінетична енергія фотоелектронів повинна зростати зі збільшенням інтенсивності світла, падаючого на метал. А інтенсивність хвилі визначається амплітудою коливань напруженості Е, а не частотою світла. (Від інтенсивності падаючого світла залежить лише число вибивається електрон і сила струму насичення).  З хвильової теорії випливає, що енергію, необхідну для виривання електронів з металу, здатне дати випромінювання будь-якої довжини хвилі, якщо його інтенсивність досить велика, тобто що фотоефект може викликатися будь-яким світловим випромінюванням. Однак існує червона межа фотоефекту, тобто одержувана електронами енергія залежить не від амплітуди хвилі, а від її частоти.  Таким чином, спроби пояснити закономірності фотоефекту на основі хвильових уявлень про світло виявилися неспроможними.  2.2 Ефект Комптона  Ефектом Комптона називається зміна частоти або довжини хвилі фотонів при їх розсіянні електронами і нуклонами. Цей ефект не вкладається в рамки хвильової теорії, згідно якої довжина хвилі при розсіюванні змінюватися не повинна: ​​під дією періодичного поля світлової хвилі електрон коливається з частотою поля і тому випромінює розсіяні хвилі тієї ж частоти.  Ефект Комптона відрізняється від фотоефекту тим, що фотон передає частинкам речовини свою енергію не повністю. Окремим випадком ефекту Комптона є розсіювання рентгенівських променів на електронних оболонках атомів та розсіювання гамма-променів на атомних ядрах. Унайпростішому випадку ефект Комптона є розсіювання монохроматичних рентгенівських променів легкими речовинами (графіт, парафін та ін) і при теоретичному розгляді цього ефекту в цьому випадку електрон вважається вільним.  Пояснення ефекту Комптона дано на основі квантових уявлень про природу світла. Якщо вважати, як це робить квантова теорія, що випромінювання має корпускулярну природу.  Ефект Комптона спостерігається не тільки на електронах, а й на інших заряджених частинках, наприклад протонах, проте через велику маси протона його віддача «взнаки» лише при розсіянні фотонів дуже високих енергій.  Як ефект Комптона, так і фотоефект на основі квантових уявлень обумовлені взаємодією фотонів з електронами. У першому випадку фотон розсіюється, у другому - поглинається. Розсіювання відбувається при взаємодії фотона з вільними електронами, а фотоефект - з пов'язаними електронами. Можна показати, що при зіткненні фотона з вільними електронами не може відбутися поглинання фотона, тому що це знаходиться в протиріччі з законами збереження імпульсу і енергії. Тому при взаємодії фотонів з вільними електронами може спостерігатися тільки їх розсіювання, тобто ефект Комптона.