Квантові (корпускулярні) властивості полів

До кінця XIX в. склалося уявлення про те, що наш світ складається з частинок і фундаментальних полів – двох складових матерії. Залишалися лише малі «недопрацювання», для подолання яких потрібно було прикласти деякі зусилля.

Проте з цих малих «недоробок» на рубежі XIX-XX ст. у фізиці виникла нова, революційна теорія, яка кардинальним чином змінила уявлення про частки і полях, т. е. про матерію. Нова теорія, заснована на експериментальних фактах, за якої згодом закріпилася назва квантова теорія, стала описувати частинки і поля єдиним чином. Відповідно до її основними положеннями поля, які раніше розглядалися як безперервні об’єкти, набували дискретні властивості – властивості частинок. І навпаки, частинки (речовина), для яких раніше застосовувалося дискретне опис, набували безперервні властивості – властивості полів або хвиль.

ГІПОТЕЗА Квант ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ. Початок нової теорії було покладено теоретичною моделлю, яка описує випромінювання абсолютно чорного тіла. Те, що абсолютно чорне тіло повинно однаково добре поглинати всі електромагнітні хвилі (див. § 20), означало, що в русі заряджених частинок не повинен бути якийсь закономірності. Воно повинно бути хаотичним, подібно до руху частинок молекулярного газу. Такий рух практично реалізується на зірках, саме тому спектр зірок близький до спектру випромінювання абсолютно чорного тіла.

Теорія випромінювання абсолютно чорного тіла була побудована Джоном Релєєм і Джеймсом Джинсом. Однак, добре узгоджуючи з експериментом в області великих довжин хвиль, вона абсолютно незадовільно описувала випромінювання в області коротких довжин хвиль (рис. 18). У той час як експериментальна крива при малих λ йшла до нуля, теоретична крива спрямовувалася до нескінченності.

Неузгодженість теорії і експерименту було названо «ультрафіолетової катастрофою» (ультрафіолетове випромінювання – це короткохвильове випромінювання).

Побудувати теорію, узгоджується з експериментом, вдалося в 1900 р Максу Планку на основі припущення про те, що електромагнітна хвиля випромінюється і поглинається не безупинно, а порціями – квантами. Причому енергія кванта пропорційна частоті хвилі: Е = hv. Значення коефіцієнта пропорційності h Планк отримав, підганяючи теоретичний спектр під експериментальні дані. Гіпотеза передачі енергії квантами була сміливим припущенням. оскільки ніякі досвідчені дані, отримані на той час, не давали жодних підстав для подібного припущення. Незважаючи на незадоволеність результатом, Планк отримав нову, фундаментальну константу, яка згодом була названа його ім’ям – постійна Планка Значення цієї постійної h = 6,62×10-34 Дж * с відповідає значенням величин мікросвіту.

Теорія випромінювання абсолютно чорного тіла, розроблена М. Планком, вперше включала положення про корпускулярних властивостях поля.

ФОТОЕФЕКТ. Фотонах ЯК ЧАСТИНКИ ПОЛЯ. Наступний крок у розвитку квантової теорії пов’язаний з поясненням особливостей фотоефекту.

Між анодом і катодом прикладається деяку напругу. У відсутність світла струм практично відсутній, оскільки у вакуумі немає вільних заряджених частинок, здатних, пересуваючись між катодом і анодом, створювати електричний струм. Пучок світла, потрапляючи на катод, вибиває з нього електрони, внаслідок чого виникає струм.

Які особливості фотоефекту можна було б очікувати на основі класичних уявлень про властивості поля? Енергія світла, що падає на катод, пропорційна інтенсивності електромагнітної хвилі. Енергія вибитих електронів пропорційна числу електронів і енергії (кінетичної) одного електрона, т. Е. Зі збільшенням інтенсивності світла повинно збільшуватися число вибитих електронів і, отже, сила електричного струму, а також кінетична енергія електронів. При заданої інтенсивності ці величини не повинні залежати від частоти електромагнітної хвилі.

Результати експерименту виявилися дещо іншими. Сила струму дійсно збільшувалася із збільшенням інтенсивності. Що стосується кінетичної енергії електронів, то вона виявилася залежної від інтенсивності світла, а від його частоти. Ці величини виявилися пов’язаними лінійною залежністю (рис. 20), причому при зниженні частоти світла нижче деякої критичної (vкр) фотоефект пропадав. Ця критична частота була названа червоним кордоном фотоефекту (вона дійсно відповідала червоному світлу).

Явище фотоефекту полягає в тому, що під дією світла з металу вилітають вільні електрони.

Фотон є одночасно і електромагнітної хвилею і частинкою електромагнітного поля. Як хвиля фотон характеризується частотою V. Як частка фотон характеризується тим, що має нульову масу, завжди рухається зі швидкістю світла, має енергію, рівну hv, і імпульс, рівний h / λ.

Пояснити фотоефект на основі класичної теорії взаємодії світла і речовини виявилося неможливо, але із залежності, зображеної на малюнку, явно простежувалася лінійна зв’язок між енергією і частотою світла (як і у формулі Планка). Явище фотоефекту в 1905 р пояснив А. Ейнштейн, взявши за основу гіпотезу Планка. Припустивши, що один квант світла призводить до вильоту одного електрона, закон збереження енергії можна записати у вигляді hv = Екін + Авих.

Ця формула відповідає лінійної залежності, зображеної на малюнку 20. Константа яка була названа роботою виходу, має сенс енергії, яку необхідно затратити для того, щоб вибити електрон з металу. Природним чином пояснювалося існування червоною кордону фотоефекту. Вона відповідала нульовий кінетичної енергії вибитого електрона: hvкр = Авих.

Ейнштейн пішов ще далі в осмисленні поняття кванта: він ввів поняття про частинку випромінювання (частинці електромагнітного поля), яку назвав фотоном Як і всі інші частинки, фотон здатний переміщатися в просторі. Швидкість переміщення фотона, природно, збігається зі швидкістю світла. Енергія цієї частки визначається формулою Планка. Маса фотона у відповідності з теорією відносності Ейнштейна має дорівнювати нулю, а його імпульс пов’язаний з частотою співвідношенням ρ = hv / с. Враховуючи зв’язок між довжиною хвилі і частотою, вираз для імпульсу можна записати у вигляді ρ = h / λ.

Сучасні уявлення про полях повністю підтверджують положення, висунуті Планком і Ейнштейном. При цьому частинки, відповідають полям, – кванти полів – є не тільки у електромагнітного поля, а й у інших фундаментальних полів. Поняття «квант», таким чином, стало загальним поняттям для різних полів, а поняття «фотон» закріпилося за квантом електромагнітного поля.

Відповідно до сучасних уявлень будь-яке реальне електромагнітне поле можна представити як сукупність фотонів. При цьому класичний опис поля зберігає свою силу тільки при великій кількості фотонів, що беруть участь в даному процесі.

У чому полягають дискретні властивості електромагнітного поля?
Що таке фотон – хвиля або частка?
Від найяскравіших зірок на 1 м2 поверхні Землі в 1 з приходить приблизно 10 млрд фотонів. Скільки фотонів потрапляє в об’єктив телескопа діаметром 10 м за 1с від зірки, у якої інтенсивність падаючого на Землю світла в 10 млрд разів менше?

Посилання на основну публікацію