1~1 КВАНТОВАЯ ФИЗИКА h = 6,63 · 10

1~1
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Величайшая
ХХ в.
рис.
революция
Попытки
10.3)
объяснить
в
физике совпала с началом
наблюдаемые
на
опытах
(см.
закономерности распределения энергии в спек­
трах теплового излучения (электромагнитного излучения
нагретого тела) оказались несостоятельными. Многократно
проверенные законы электромагнетизма Максвелла неожи­
данно
«забастовали»,
когда их
попытались применить к
проблеме излучения веществом коротких электромагнит­
ных волн. И это было тем более удивительно, что эти зако­
ны превосходно описывали излучение радиоволн антенной
и что в свое время
само существование электромагнитных
волн было предсказано на основе этих законов.
Согласно теории Максвелла, колеблющиеся электриче­
ские заряды испускают электромагнитные волны. Тогда из­
лучение нагретых тел может быть объяснено колебаниями
электрических
зарядов в молекулах вещества.
При этом
плотность излучаемой энергии должна увеличиваться с час­
тотой. Однако опыт показывает, что при больших частотах
плотность энергии становится малой, о чем свидетельствует
характер спектра электромагнитного излучения.
В поисках выхода из этого противоречия между теори­
ей и опытом немецкий физик М а к с
жил,
что
атомы
непрерывно,
П л ан к предполо­
испускают электромагнитную
а отдельными порциями
-
энергию не
квантами. Энер­
гия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте
v
излучения:
Е
= hv.
Коэффициент пропорциональности
h
получил название
постоянной Планка.
Предположение Планка фактически означало, что зако­
ны классической физики совершенно неприменимы к яв­
лениям
микромира.
Разработанная
Планком
теория
теплового
излучения
превосходно согласовывалась с экспериментом. По извест­
ному из опыта распределению энергии по частотам было
определено значение
постоянной Планка.
очень малым:
h
156
= 6,63
· 10-34 Дж · с.
Оно оказалось
Планк Макс
веnикий
( 1858-1947) -
немецкий
квантовой теории
физик-теоретик,
основатеnь
современной теории движе­
-
ния, взаимодействия и взаимных превращений мик­
роскопических частиц. В
1900
г. в работе по иссле­
дованию равновесного теплового излучения впер­
вые nредnоnожил, что энергия осциллятора (сис­
темы, совершающей гармонические коnебания)
принимает дискретные значения, пропорциональ­
ные частоте коnебаний;
излучается электромаг­
нитная энергия осциллятором отдельными порциями.
Большой вкnад внес в развитие термодинамики.
После открытия Планка начала развиваться новая, са­
мая современная и глубокая физическая теория
-
кванто­
вая теория. Развитие ее не завершено и по сей день.
Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми
столкнулась теория теплового излучения. Но этот успех был
обеспечен ценой отказа от законов классической физики
применительно к микроскопическим системам и излучению.
Глава
11.
СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ
Квантовым законам подчиняется поведение всех
микрочастиц. Но впервые квантовые свойства ма­
терии были обнаружены именно при исследова­
нии
§ 87
излучения и
поглощения света.
ФОТОЭФФЕКТ
В развитии представлений о природе света важный шаг
был сделан при изучении одного замечательного явления,
открытого Г. Герцем и тщательно исследованного выдаю­
щимся русским физиком Александром Григорьевичем С т а­
л е то вы м. Явление это получило название фотоэффекта.
Фотоэффект
-
это вырывание электронов из вещества
под действием света.
Наблюдение
фотоэффекта. Для обнаружения фотоэф­
фекта на опыте можно использовать электрометр с присое­
диненной к нему цинковой пластиной (рис.
11.1).
Если за­
рядить пластину положительно, то ее освещение, например
электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки элек­
трометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то све­
товой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.
9 -Млк нше в , 11 к.n .
257
Столетов Александр Грнrорьевнч
( 1839-1896) -
русский физик. Исследование фотоэффекта при­
несло ему мировую известность. Показал также
возможность применения фотоэффекта на прак­
тике. В докторской диссертации «Исследования
о функции намагничения мягкого железа» разра­
ботал метод исследования ферромагнетиков
и
установил вид кривой намагничения . Эта работа
широко использовалась на практике при конструи­
ровании электрических машин. Был инициатором
создания Физического института при Московском
университете.
Объяснить это можно так. Свет вырывает электроны
с поверхности пластины. Если пластина заряжена отрица­
тельно,
электроны
отталкиваются
от
нее,
и
электрометр
разряжается. При положительном же заряде пластины вы­
рванные светом электроны притягиваются к пластине и сно­
ва оседают на
ней.
Поэтому
заряд
электрометра в
этом
случае не изменяется.
Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное
стекло,
отрицательно
заряженная
пластина
уже
не
теряет
электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Так
как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи,
то из этого опыта можно заключить: именно ультрафиолето­
вый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот простой
факт нельзя объяснить на основе волновой теории· света. Ведь
непонятно, почему световые волны малой частоты не могут
вырывать электроны, если даже амплитуда волны велика и,
следовательно,
велика сила,
действующая на электроны.
Законы фотоэффекта. Для того чтобы получить о фото­
эффекте более полное представление, нужно было выяснить,
от чего зависит число вырванных светом с поверхности ве­
щества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их
скорость или кинетическая энер­
гия. С этой целью были продол­
жены экспериментальные
иссле­
дования.
В стеклянный баллон, из ко­
торого выкачан воздух,
ются
два
электрода
помеща­
(рис.
11.2).
Внутрь баллона на один из элек­
тродов поступает свет через квар­
цевое окошко, прозрачное не толь­
ко для видимого света,
Рис.
158
11.1
но
и для
ультрафиолетового излучения. На
электроды подается напряжение,
которое
можно
менять
с
помо­
щью потенциометра и измерять
вольтметром.
электроду
К
освещаемому
присоединяется
от­
рицательный полюс батареи. Под
действием света этот
испускает
электрод
электроны,
которые
при движении в электрическом
поле образуют электрический
ток. При малых напряжениях
не
все
троны
вырванные
достигают
светом
элек­
другого
элек­
трода. Если, не меня.я интенсив­
ности
излучения,
разность
увеличивать
потенциалов
электродами,
то
сила
между
тока
Рнс .
11.1
воз-
растает. При некотором напряжении она достигает макси­
мального
значения,
после
чего
перестает
увеличиваться
(рис. 11.3). Максимальное значение силы тока Jн называете.я
током насыщения. Сила тока насыщения определяется чис­
лом электронов, испускаемых за
1с
освещаемым электродом.
Изменяя в этом опыте интенсивность излучения, уда­
лось
установить,
что
число
электронов,
том с поверхности металла за
1
вырываемых
све­
с, прямо пропорционально
поглощаемой за это время энергии световой волны.
На основании результатов этого опыта можно сформули­
ровать первый закон фотоэффекта: фототок насыщения
прямо пропорционален падающему световому потоку.
Теперь остановимся на измерении кинетической энер­
гии (или скорости) электронов. Из графика, приведенного
на рисунке 11.3, видно, что сила фототока отлична от нуля
и при нулевом напряжении. Это означает, что часть вы­
рванных светом электронов достигает правого (см. рис. 11.2)
электрода и при отсутствии напряжения. Если изменить
полярность батареи, то сила тока уменьшится, и при неко­
тором напряжении
полярности
U3
обратной
она станет
[
равной
нулю. Это значит, что электри­
ческое
поле
тормозит
вырван­
ные электроны до полной оста­
новки,
на
а
затем
возвращает
их
электрод.
Задерживающее
напряже­
И 3 зависит от максималь­
ние
ной кинетической энергии, ко­
торую имеют вырванные светом
9*
Из
О
и
Рнс. 11.З
159
электроны. Измеряя задерживающее напряжение и приме­
няя теорему о кинетической энергии (см. учебник физики
для 10 класса), можно найти максимальное значение кине­
тической энергии электронов:
mv 2
-2- = еUэ.
При изменении интенсивности света (плотности потока
излучения) задерживающее напряжение, как показали
опыты, не меняется. Значит, не меняется кинетическая
энергия электронов. С точки зрения волновой теории света
этот факт непонятен. Ведь, чем больше интенсивность све­
та, тем большие силы действуют на электроны со стороны
электромагнитного поля световой волны и тем большая
энергия, казалось бы, должна передаваться электронам.
На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия
вырываемых светом электронов зависит только от частоты
света.
Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетиче­
ская энергия фотоэлектронов линейно растет с час­
тотой света и не зависит от
ezo
интенсивности.
Если частота света меньше определенной для данного
вещества минимальной
частоты
vmin•
то
фотоэффекта не
происходит.
Законы фотоэффекта просты по форме. Но зависимость
кинетической
энергии вырванных
частоты света требует объяснения.
1.
1.
§88
светом
электронов
от
Чему равна постоS11ннаS11 Планка!
В чем состоS11т основн1о1е закон1о1 фотоэффекта!
ТЕОРИЯ ФОТОЭФФЕКТА
Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе
законов электродинамики Максвелла, согласно которым
свет
-
это электромагнитная волна, непрерывно распреде­
ленная в пространстве, оказались безрезультатными. Нель­
зя было понять, почему энергия фотоэлектронов определя­
ется только частотой света и почему лишь при достаточно
малой длине волны свет вырывает электроны.
Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштей­
ном, развившим идеи Планка о прерывистом испускании
света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйн­
штейн увидел убедительное доказательство того, что свет
имеет прерывистую струJСтуру и поглощается отдель­
ными
160
порциями.
Энергия Е каждой порции излучения в полном соответ­
ствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:
Е
где
= hv,
(11.1)
постоянная Планка.
h -
Из того, что свет излучается порциями, еще не вытека­
ет вывода о прерывистости структуры самого света. Ведь и
минеральную воду продают в бутылках, но отсюда не сле­
дует, что вода состоит из неделимых частей.
Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет
прерывистую
струJСтуру:
излученная
порция
световой
=
энергии Е
hv сохраняет свою индивидуальность и в даль­
нейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.
Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти,
применив закон сохранения энергии. Энергия порции све­
та hv идет на совершение работы выхода А и на сообщение
электрону кинетической энергии.
Следовательно,
mv 2
2
А+--.
hv
Работа выхода
-
это
(11.2)
минимальная энергия,
которую
надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Урав­
нение
(11.2)
объясняет основные факты, касающиеся фото­
эффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорцио­
нальна числу квантов (порций) энергии hv в световом
пучке и поэтому определяет число электронов,
из металла. Скорость же электронов
(11.2)
v
определяется только частотой света
хода А,
вырванных
согласно формуле
v
и работой вы­
зависящей от типа металла и состояния его по­
верхности. От интенсивности света скорость не зависит.
Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь
в том случае, если частота
v
света больше некоторого мини­
мального значения vmin· Ведь, чтобы вырвать электрон из
металла даже без сообщения ему кинетической энергии,
нужно совершить работу выхода А. Следовательно, энер­
гия кванта должна быть больше этой работы:
hv
>А.
Предельную частоту vmin и предельную длину волны
Amax называют красной границей фотоэффекта. Они выра­
жаются
так:
vmiн
где Лmах (Акр)
-
А
= h'
(11.3)
максимальная длина волны, при которой фо­
тоэффект еще наблюдается. Это название появилось по ана-
161
логии со световыми волнами, так как максимальная длина
волны видимого света соответствует красному цвету.
Работа выхода А зависит от рода вещества. Поэтому и
предельная
для
частота
разных веществ
v ш in
фотоэффекта
(красная
граница)
различна.
Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества
существует максимальная длина волны, при кото­
рой фотоэффект еще наблюдается. При больших
длинах волн фотоэффекта нет.
Для цинка красной границе соответствует длина волны
Amax = 3, 7 · 10- 7
м (ультрафиолетовое излучение).
Именно этим объясняется опыт по прекращению фото­
эффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживаю ­
щей ультрафиолетовые лучи. Работа выхода у алюминия
или железа больше, чем у цинка. У щелочных металлов
работа выхода, напротив, меньше, а длина волны
Amax•
со ­
ответствующая красной границе, больше. Так, для натрия
Amax = 6,8 · 10-7 М.
Пользуясь уравнением Эйнштейна
можно найти
(11.2),
постоянную Планка h. Для этого нужно экспериментально
определить частоту света v, работу выхода А и измерить
кинетическую энергию фотоэлектронов. Подобные измере­
34
ния и расчеты дают h
= 6,63
· 10-
Дж
· с. Точно такое же
значение было найдено и самим Планком при теоретиче­
ском
изучении
совершенно
другого
явления
-
теплового
излучения. Совпадение значений постоянной Планка, по­
лученных различными методами, дополнитедьно подтвер­
ждает правильность предположения о прерывистом харак­
тере излучения
Уравнение
и
поглощения
Эйнштейна
света веществом.
(11.2),
несмотря
на его
кажу­
щуюся простоту, объясняет основные закономерности фо­
тоэффекта. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за
работы по теории фотоэффекта.
1.
Какие факты свндетеnьствуют о наnнчнн у света корпускуnАр­
ных свойств!
1.
Что такое краснаА граница фотоэффекта!
ФОТОНЫ
§ 89
В современной физике фотон рассматривается как одна
из
элементарных частиц.
Энергия и импульс фотона. При испускании и поглоще­
нии
Е
свет
= hv,
161
ведет
себя
подобно
потоку
частиц
с
энергией
зависящей от частоты. Порция света оказалась не-
ожиданно очень похожей на то, что принято называть час­
тицей. Свойства света, обнаруживаемые при его излучении
и поглощении, назвали корпускулярными. Сама же свето­
вая частица была названа фотоном, или квантом электро­
магнитного излучения.
Фотон, подобно частице, обладает определенной порци­
ей энергии
частоту
v,
hv.
Энергию фотона часто выражают не через
а через циклическую частоту ы
= 2nv.
При этом
в формуле для энергии фотона в качестве коэффициента
пропорциональности вместо величины
чину n =
_!!.___
27t
ным данным,
n = 1,0545726 · 10-34 Дж· с (последние два зна­
ка определены с точностью до
выражается
используют вели-
h
(читается: аш с чертой), равную, по современ±40).
Тогда энергия фотона
так:
(11.4)
E=hv=nro.
Согласно теории относительности энергия всегда связана
с массой соотношением Е
равна
hv,
= тс
2
• Так как энергия фотона
то, следовательно, его масса т получается равной
hv
(11.5)
m=-2.
с
У фотона нет собственной массы, он не существует в со­
стоянии
покоя
и
при
рождении
Масса, определяемая формулой
щегося
фотона.
По
сразу
имеет
известной
массе
скорость
с.
это масса движу­
(11.5), и
скорости
фотона
можно найти его импульс:
р =те=
hv
с
h
(11.6)
т·
Направление импульса фотона совпадает с направлени­
ем
светового луча.
Чем больше
частота
v,
тем больше энергия Е
и им­
пульс р фотона и тем отчетливее проявляются корпуску­
лярные свойства света. Из-за того что постоянная Планка
мала, энергия фотонов видимого излучения крайне незна­
чительна. Фотоны, соответствующие зеленому свету, име­
ют энергию 4 . 10- 19 Дж.
Тем не менее, в своих замечательных опытах С. И. Ва­
вилов установил, что человеческий глаз, этот точнейший
из «приборов», способен реагировать на различие освещен­
ностей, измеряемое единичными квантами.
Корпускулярно-волновой
дуализм.
Законы
теплового
излучения и фотоэффекта можно объяснить только на осно­
ве представления, согласно которому свет
-
это поток час-
163
тиц-фотонов. Однако явления интерференции и дифракции
света свидетельствуют и о волновых свойствах света. Свет
обладает, таким образом, своеобразным дуализмом (двойст­
венностью) свойств. При распространении света проявляют­
ся его волновые свойства, а при взаимодействии с вещест­
вом
(излучении
и
поглощении)
корпускулярные.
-
Это,
конечно, странно и непривычно, так как частица и волна аб­
солютно разные физические объекты. Мы не имеем возмож­
ности представлять себе наглядно в полной мере процессы
в микромире, так как они совершенно отличны от тех мак­
роскопических явлений, которые люди наблюдали на про­
тяжении миллионов лет и основные законы которых были
сформулированы к концу
XIX
в.
Гипотеза де Бройля. Если с электромагнитным полем
длительное
время
связывалось
представление
о
материи,
непрерывно распределенной в пространстве, то электроны,
напротив,
представлялись
как
некоторые
крохотные
ко­
мочки материи. Это подчеркивалось уже самим названием
«частица»,
постоянно
присутствующим
рядом
со
словом
«электрон>~.
Не допускаем ли мы здесь ошибки, обратной той, кото­
рая была сделана со светом? Может быть, электрон и дру­
гие частицы обладают также и волновыми свойствами. Та­
кую необычную мысль высказал в 1923 г. французский
ученый Луи де Б рой л ь.
Предположив, что с движением частиц связано распро­
странение некоторых волн, де Бройль сумел найти длину
волны этих волн. Связь длины волны с импульсом частицы
оказалась точно такой же, как и у фотонов (см. форму­
лу (11.6)). Если длину волны обозначить через А, а импульс
-
через р,
то
'А=!!:_,
(11. 7)
р
Эта знаменитая формула де Бройля
-
одна из основ­
ных в физике микромира.
Предсказанные де Бройлем волновые свойства частиц
впоследствии
были
обнаружены
экспериментально.
На­
блюдалась, в частности, дифракция электронов и других
частиц на кристаллах. В этих случаях получалась карти­
на, подобная той, которuя характерна для рентгеновских
лучей, причем справедливость формулы де Бройля
(11. 7)
была доказана экспериментально.
Эти
с
необычные свойства
помощью
квантовой
микрообъектов описываются
мех аники
-
современной
теории
движения микрочастиц. Механика Ньютона здесь в боль­
шинстве
164
случаев
неприменима.
Фотон
элементарная частица, не имеющая массы по­
-
коя и электрического заряда, но обладающая энергией и
импульсо м .
Это
квант
электромагнитного
поля,
которое
осуществляет взаимодействие между заряженными части­
цами.
гии
Поглощение
отдельными
и
излучение
порциями
-
электромагнитной
проявление
энер­
корпускулярных
свойств электромагнитного поля.
Корпускулярно-волновой дуализм
терии,
проявляющееся
1.
общее свойство ма­
-
на микроскопическом уровне.
Как определить энергию, массу и импульс фотона, зная частоту
световой волны!
1.
Что понимается под словами корпускулярно-волновой дуализм?
ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТ А
§ 90
Открытие фотоэффекта имело очень большое значение
для более глубокого понимания природы света. Но цен­
ность
науки
состоит
не
только
в
том,
что
она
выясняет
сложное и многообразное строение окружающего нас мира,
но и в том, что она дает нам в руки средства,
торые
можно
совершенствовать
используя ко­
производство,
улучшать
условия материальной и культурной жизни общества.
С помощью фотоэффекта «заговорило» кино, стала воз­
можной
передача
движущихся
изображений
(телевиде­
ние). Применение фотоэлектронных приборов позволило
создать станки, которые без участия человека изготовляют
детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффек­
те приборы контролируют размеры изделий лучше челове­
ка, вовремя включают и выключают маяки и уличное осве­
щение и т.
п.
Все это оказалось возможным благо­
даря
изобретению
особых
устройств
-
2
фотоэлементов, в которых энергия све­
та
управляет
энергией
электрического
тока или преобразуется в нее.
Вакуумные фотоэлементы. Современ­
ный вакуумный фотоэлемент представля­
ет собой стеклянную колбу, часть внутрен­
ней
поверхности
которой
покрыта
тон­
ким слоем металла с малой работой выхо­
да (рис. 11.4). Это катод 1. Через прозрач­
ное окошко свет проникает внутрь колбы.
В ее центре расположена проволочная
петля или диск
-
анод
2,
который слу-
Рнс . 11.4
165
жит для улавливания фотоэлектронов. Анод присоединяют
к положительному полюсу батареи. Фотоэлементы реаги­
руют на видимое излучение и даже на инфракрасные лучи.
При попадании света на катод фотоэлемента в цепи воз­
никает электрический ток, который включает или выклю­
чает реле. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет кон­
струировать
множество
различных
«видящих>)
автоматов.
Одним из них является автомат в метро. Он срабатывает
(выдвигает перегородку) при пересечении светового пучка,
если
предварительно
не пропущена карточка.
Подобные автоматы могут предотвращать аварии.
На
заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощ­
ный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне.
С помощью фотоэлементов воспроизводится звук, запи­
санный на кинопленке.
Полупроводниковые фотоэлементы. Кроме рассмотрен­
ного в этой главе фотоэффекта, называемого более полно
внешним фотоэффектом, широко применяется и так назы­
ваемый внутренний фотоэффект в полупроводниках. На
этом явлении основано устройство фоторезисторов - прибо­
ров, сопротивление которых зависит от освещенности. Кроме
того, сконструированы полупроводниковые фотоэлементы,
создающие ЭДС и непосредственно преобразующие энергию
излучения в энергию электрического тока. ЭДС, называемая
в данном случае фотоЭДС, возникает в области р-п-перехода
двух полупроводников при облучении этой области светом.
Под действием света образуются пары электрон дыр­
ка. В области р-п-перехода существует электрическое nоле.
Это поле заставляет неосновные носители полупроводников
перемещаться через контакт. Дырки из полупроводника
п-типа перемещаются в полупроводник р-типа, а электроны
из полупроводника р-типа в область п-типа, что приво­
дит к накоплению основных носителей в полупроводниках п­
ир-типов. В результате потенциал полупроводника р-типа
увеличивается, а п-типа уменьшается. Это происходит до
тех
Свет
пор,
пока
ток
сравняется
с
током
носителей через
п
неосновных
носителей черезр-п-переход не
р
основных
этот же
пере­
ход. Между полупроводниками
устанавливается
разность
по­
тенциалов, равная фотоЭДС.
Если замкнуть цепь через
R
Pwc. 11.S
166
--
внешнюю
нагрузку,
пойдет ток,
ностью
то
в
цепи
определяемый раз­
токов
неосновных
и
ос­
новных носителей через р-п-пе-
реход
(рис.
зависит
от
дающего
Сила
11.5).
тока
интенсивности
света
ния нагрузки
R.
и
па­
сопротивле­
Фотоэлементы
с р-п-переходом создают ЭДС
порядка 1-2 В. Их выходная
мощность достигает сотен ватт
при
коэффициенте
действия до
полезного
20% .
Фотоэлементы
малой
мощ­
ности используются, например,
в фотоэкспонометрах. Особенно
широко применяются полупро­
водниковые фотоэлементы при
изготовлении солнечных бата­
рей,
устанавливаемых
на кос­
мических кораблях (рис.
11.6).
К сожалению, пока такие бата-
Рис. 11.&
реи ДОВОЛЬНО дороги.
Широко
применяются
вакуумные
и
полупроводнико­
вые фотоэлементы, которые создают фотоЭДС.
ДАВЛЕНИЕ СВЕТ А
§ 91
Максвелл на основе электромагнитной теории света пред­
сказал, что свет должен оказывать давление на препятствия.
Под действием электрического поля волны, падающей
на поверхность тела, например металла, свободный элек-
трон
движется
(рис.
11. 7).
в
сторону,
противоположную
вектору
-+
Е
На движущийся электрон действует сила Ло-
~
ренца F, направленная в сторону распространения волны.
Суммарная сила, действующая на электроны поверхности
металла,
и
определяет
силу светового давления.
Для доказательства справедливости
ла было важно измерить давление
теории
Максвел­
света. Многие ученые пытались это
сделать,
но
безуспешно,
так
как
световое давление очень мало. В яр­
кий солнечный день на поверхности
Свет
площадью 1 м действует сила, рав­
ная всего лишь 4 · 10--б Н. Впервые
I
2
давление
света
измерил
t
русский
физик Петр Николаевич Л е б е д е в
в
1900
г.
Рис.
в
F
11.7
1&7
Лебедев
русский
Петр
физик,
Ннкоnаевнч
впервые
( 1866-1912)
измеривший
давление
света на твердые тела и газы. Эти работы копи­
чественно подтвердили теорию Максвелла. Стре­
мясь найти новые экспериментальные доказатель­
ства
электромагнитной
теории
света,
получил
электромагнитные волны миллиметровой длины
волны и исследовал все их свойства. Создал первую
в России физическую школу. Его учениками были
многие выдающиеся советские ученые. Имя Лебе­
дева носит физический институт АН СССР (ФИАН).
Прибор Лебедева состоял из очень легкого стерженька
на тонкой стеклянной нити, по краям которого были при­
клеены легкие крылышки (рис.
11.8).
Весь прибор поме­
щался в сосуд, откуда был выкачан воздух. Свет падал на
крылышки,
расположенные
по
одну
сторону
от
стержень­
ка. О значении давления можно было судить по углу за­
кручивания нити. Трудности точного измерения давления
света были связаны с невозможностью выкачать из сосуда
весь воздух (движение молекул воздуха, вызванное неоди­
наковым
нагревом
крылышек
и
стенок
сосуда,
приводит
к возникновению дополнительных вращающих моментов).
Кроме того, на закручивание нити влияет неодинаковый
нагрев сторон крылышек (сторона, обращенная к источни­
ку света,
нагревается сильнее,
чем
противоположна-я сто­
рона). Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс,
чем
молекулы,
отражающиеся
от
менее
на­
гретой стороны.
Лебедев сумел преодолеть все эти трудно­
сти, несмотря на низкий уровень тогдашней
экспериментальной техники, взяв очень боль­
шой сосуд и очень тонкие крылышки. В кон­
це концов существование светового давления
на твердые тела было доказано, и оно было из­
мерено. Полученное значение совпало с пред­
сказанным Максвеллом. Впоследствии после
трех лет работы Лебедеву удалось осуще­
ствить еще более тонкий эксперимент: изме­
рить давление света на газы.
Появление квантовой теории света позво­
лило более просто объяснить причину свето­
вого
Рнс.
168
11.8
подобно
частицам
вещества, имеющим массу покоя,
давления.
обладают
импульсом.
Фотоны,
При поглощении их телом они
передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения
импульса
импульс
тела
глощенных фотонов.
становится
равным
импульсу
по­
Поэтому покоящееся тело приходит
в движение. Изменение импульса тела означает согласно
второму закону Ньютона, что на тело действует сила.
Опыты Лебедева можно рассматривать как эксперимен­
тальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом.
Хотя световое давление очень мало в обычных услови­
ях, его действие тем не менее может оказаться существен ­
ным. Внутри звезд при температуре в несколько десятков
миллионов кельвинов давление электромагнитного излуче­
ния должно достигать громадных значений. Силы светово­
го
давления
наряду
значительную
с
роль во
гравитационными
внутризвездных
Давление света согласно
силами
играют
процессах.
электродинамике Максвелла
возникает из-за действия силы Лоренца на электроны сре­
ды, колеблющиеся под действием электрического поля
электромагнитной волны. С точки зрения квантовой тео­
рии
давление
появляется
в
результате
передачи
телу
им­
пульсов фотонов при их поглощении.
§ 92
ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТ А.
ФОТОГРАФИЯ
Отдельные молекулы поглощают световую энергию пор­
циями квантами hv. В случае видимого и ультрафиоле­
тового излучений эта энергия достаточна для расщепления
многих молекул. В этом проявляется химическое действие
света.
Любое превращение молекул есть химический процесс.
Часто после расщепления молекул светом начинается це­
лая цепочка химических превращений. Выцветание тка­
ней на солнце и образование загара это примеры хими­
ческого действия света.
Важнейшие химические реакции под действием света
происходят
в
зеленых
листьях
деревьев
хвои, во многих микроорганизмах.
и
траве,
в
иглах
В зеленом листе под
действием Солнца осуществляются процессы , необходимые
для жизни на Земле. Они дают нам не только пищу, но и
кислород
для
дыхания.
Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщеп­
ляют его молекулы на составные части: углерод и кислород.
Происходит это, как установил русский биолог Климент
Аркадьевич Тимирязев, в молекулах хлорофилла под
действием красных лучей солнечного спектра. Пристраивая
169
к углеродной цепочке атомы других элементов, извлекае­
мых корнями из земли, растения строят молекулы белков,
жиров и углеводов.
Все это происходит за счет энергии солнечных лучей.
Причем здесь особенно важна не только сама энергия, но
и та форма, в которой она поступает. Фотосинтез (так на­
зывают этот процесс) может протекать только под действи­
ем
света определенного
спектрального состава.
Механизм фотосинтеза еще не выяснен до конца. Когда
это произойдет, для человечества, возможно, наступит новая
эра. Белки и другие сложные органические вещества можно
будет получать на фабриках под голубым небосводом.
Химическое действие света лежит в основе фотографии.
Под действием света происходят химические реакции,
определяющие жизнь на Земле.
УПРАЖНЕНИЕ
1.
12
Нарисуйте график зависимости кинетической энергии фо­
тоэлектронов от частоты света. :Как с помощью такого графика
определить постоянную Планка?
2.
Определите абсолютный показатель преломления среды,
в которой свет с энергией фотона Е = 4,4 · 10- 19 Дж имеет длину
волны л. = 3,0 . 10- 7 м .
3.
ны
Определите энергию фотона, соответствуюЩую длине вол­
).,, = 5,0 . 10-7
4.
м.
Определи те длину волны Л. света, которым освещается по­
верхность
металла,
если
фотоэлектроны
имеют
кинетическую
энергию Wк = 4,5 · 10- 20 Дж, а работа выхода электрона из метал­
ла равна А= 7,6 · 10- 19 Дж.
КРАТКИЕ ИТОГИ ГЛАВЫ
1.
11
В начале ХХ в. зародилась квантовая теория
-
теория
движения и взаимодействия элементарных частиц и со­
стоящих из
2.
них
систем.
Для объяснения закономерностей теплового излучения
М. Планк предположил, что атомы испускают электро­
магнитную энергию не непрерывно,
циями квантами. Энергия
определяется формулой
Е
где h
= 6,63
· 10- 34
Дж
частота световой волны.
170
·
а отдельными
каждой
такой
пор­
порции
= hv,
с
-
постоянная Планка;
v -
3.
Поглощается электромагнитная энергия также отдель­
ными порциями. Это подтверждается явлением фотоэф­
фекта (вырывание электронов из вещества под действием
света). Число вырванных электронов пропорционально
интенсивности излучения, а кинетическая энергия элек­
тронов определяется только частотой света. Согласно
представлениям Эйнштейна поглощенная порция энер­
гии hv идет на совершение работы выхода А по вырыва­
нию электрона из металла и на сообщение ему кинетиче­
ской энергии:
hv
mv 2
2
=А+--
Если частота света меньше некоторого ее минимального
значения, соответствующего работе выхода
v < vmin
А
= h'
то фотоэффект не наблюдается.
4.
При излучении и поглощении свет проявляет корпуску­
лярные свойства.
Световая частица называется кван­
том света или фотоном. Энергия фотона определяется
формулой
E=hv=liw,
где
h
n = - = 1,05 · 10-34
2л
Дж· с;
w-
циклическая частота.
h
Импульс р фотона вычисляется по формуле р
5.
=
~·
В процессе распространения свет проявляет волновые
свойства (явления интерференции и дифракции).
6.
Свет обладает дуализмом (двойственностью) свойств.
Впоследствии было установлено существование корпус­
кулярно-волнового дуализма у всех элементарных частиц.
7.
Фотоэффект широко используется в технике. С помощью
специальных приборов
-
фотоэлементов
-
энергия све­
та управляет энергией электрического тока или превра­
щается в нее. Фотоэлементы применяются в различных
«видящих·~ автоматах. На явлении фотоэффекта основа­
но устройство солнечных батарей.
8.
Согласно теории Максвелла свет оказывает давление на
препятствия. Давление это очень мало. Оно было впер­
вые обнаружено и измерено П. Н. Лебедевым.
9.
Поглощение света веществом сопровождается химиче­
ским действием света. В зеленых листьях растений и во
многих микроорганизмах важнейшие химические реак­
ции происходят под действием света. Углекислый газ по­
глощается из атмосферы листьями и расщепляется на
углерод и кислород. В этом заключается процесс фото­
синтеза.
171