Фотон

Світло – дуже корисна штука. Завдяки йому ми бачимо взагалі все у цьому світі, вуличні ліхтарі включаються вчасно, а у мильних бульбашок гарні розводи. Але ось із чого світло складається – питання, звичайно, цікаве.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Питання, на яке вам однозначно не відповість ніхто: «Світло — це частка чи хвиля?». Це дуже складне питання, на яке вчені давно намагаються відповісти.

У XVII столітті Ісаак Ньютон запропонував модель, де світло — потік найдрібніших корпускул (часток). Це дозволяло просто пояснити багато характерних властивостей світла. Наприклад, прямолінійність світлових променів і закон відображення, згідно з яким кут відображення світла дорівнює куту падіння. Це співвідноситься із законом збереження імпульсу, якому підпорядковуються частки.

Але є такі явища, як інтерференція та дифракція. Вони зовсім не вписуються в корпускулярну теорію.

Інтерференція і дифракція

Інтерференція — це явище, при якому відбувається накладання двох хвиль і утворюються так звані «максимуми» і «мінімуми» — найсвітліші та найтемніші ділянки. Виглядає це так:

У житті ви це зустрічали, наприклад, якщо бачили розлитий бензин або пускали мильні бульки. Це все наслідок інтерференції світла.

Дифракція нерозривно пов’язана з явищем інтерференції. Більше того, саме явище дифракції найчастіше трактують як випадок інтерференції обмежених у просторі хвиль.

Дифракція – це явище огинання перешкод, які постають перед хвилею. Завдяки дифракції світло може огинати перешкоду і потрапляти туди, де з погляду геометрії має бути тінь.

У ХІХ столітті з’явилася хвильова теорія світла, яка пояснювала дифракцію та інтерференцію. Згідно з цією теорією, світло — окремий випадок електромагнітних хвиль, тобто процесу розповсюдження електромагнітного поля в просторі.

Хвильова оптика взагалі здавалася на той час якимось дивом, бо вона пояснювала не тільки корпускулярну теорію, але й узагалі всі відомі на той час світлові ефекти. Навіть закони геометричної оптики можна було довести через хвильову оптику.

Здавалося б, ну все тоді – у світла хвилева природа, ніяких тобі частинок, розходимося. Але не тут було! Вже на початку ХХ століття корпускулярна теорія світла знову набрала актуальності, оскільки вчені виявили явища, які з допомогою хвильової теорії пояснити не вдавалося. Наприклад, тиск світла та фотоефект, про які ми ще поговоримо.

У рамках корпускулярної теорії ці явища чудово пояснювалися, і корпускули (частки) світла навіть отримали назву — фотони.

Склалася цікава ситуація – паралельно існували дві серйозні наукові теорії, кожна з яких пояснювала одні властивості світла, але не могла пояснити інші. Водночас ці дві теорії ідеально доповнюють одна одну. Так ми підійшли до поняття корпускулярно-хвильової природи світла.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм – це фізичний принцип, який стверджує, що будь-який об’єкт природи може поводитися і як частка, і як хвиля .

Енергія та імпульс фотона

Кожен фотон переносить певну кількість енергії. Саме ця кількість називається енергією фотона.

Імпульс фотона пов’язаний з енергією наступним співвідношенням:

p = \frac{E}{c}

Підставляємо замість E формули енергії фотона:

p = \frac{h \nu}{c}

А замість частоти формулу :

\nu = \frac{c}{\lambda}:p = \frac{hc}{c \lambda}

Скоротимо швидкість світла і отримуємо формулу імпульсу.

p = \frac{h}{\lambda}

Тиск світла

Сила Лоренца – це сила, що діє на частинку, що рухається в магнітному полі.

Якщо розглядати світло як сукупність фотонів, то можна припустити, що світло може чинити тиск. Саме таке припущення зробив Джеймс Максвелл у 1873 році і не помилився.

Нехай на поверхню абсолютно чорного тіла площею S перпендикулярно до неї щомиті падає N фотонів. Кожен фотон має імпульс.

p = \frac{hv}{c}

Повний імпульс, що отримується поверхнею тіла, дорівнює.

p = \frac{hv}{c} \cdot N

З механіки відомо, що тиск – це відношення сили до площі, на яку ця сила впливає: p=FS.

Не переплутайте: імпульс і тиск позначаються однаковою літерою, але величини різні!

Другий закон Ньютона в імпульсній формі має вигляд F=p⋅Δt, p — де це імпульс, а Δt —проміжок часу, за який імпульс змінюється на значення p. Тоді світловий тиск визначається так:

p = \frac{F}{S} = \frac{p \cdot \Delta t}{S} = \frac{hvN}{Sc}

При падінні світла на дзеркальну поверхню удар фотона вважають абсолютно пружним, тому зміна імпульсу і тиск у 2 рази більше, ніж при падінні на чорну поверхню (у цьому випадку удар непружний, тому що чорний колір поглинає фотон).

Передбачене Максвеллом існування світлового тиску експериментально підтверджено фізиком П. М. Лебедєвим, який у 1900 р. виміряв тиск світла на тверді тіла, використовуючи чутливі крутильні ваги. Теорія та експеримент збіглися. Значення тиску світла склало ≈ 4.10^-6 Па.

Досліди Лебедєва — експериментальний доказ факту: фотони мають імпульс.

Фотоефект

Ще одне важливе явище, що підтверджує корпускулярну природу світла, — це фотоефект. Поки що розберемо лише принцип цього явища, а складну математику залишимо на другий раз.

На малюнку представлена ​​експериментальна установка для дослідження фотоефекту.

Установка є скляним вакуумним балоном з двома металевими електродами, до яких прикладається напруга. Один з електродів через кварцове віконце висвітлюється монохроматичним світлом (монохроматичне світло – це світло, довжина хвилі якого незмінна). Під впливом фотонів з негативно зарядженого електрода вибиваються звані фотоелектрони. Вони притягуються до позитивного електрода і утворюється фотострум.

Численні експериментатори встановили основні закономірності фотоефекту.

1. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає зі збільшенням частоти світла ν і не залежить від його інтенсивності.
2. Для кожної речовини існує так звана червона межа фотоефекту, тобто найменша частота ν_min при якій ще можливий зовнішній фотоефект.
3. Кількість фотоелектронів, що вириваються світлом з катода за 1 с, прямо пропорційно інтенсивності світла.
4. Фотоефект практично безінерційний, фотострум виникає миттєво після початку освітлення катода за умови, що частота світла ν>ν_min​ .

Ейнштейн досліджував фотоефект і дійшов висновку, що світло має уривчасту структуру, тобто складається з фотонів.

Фотоефект використовується, наприклад, у датчиках світла. Вуличні ліхтарі, обладнані датчиками світла, включаються автоматично при певному рівні природного освітлення.

Технічне застосування фотонів

Важливий технічний пристрій, який використовує фотони, — лазер. Лазери застосовують у багатьох областях технології: з їх допомогою ріжуть, варять та плавлять метали, отримують надчисті метали. На лазерах засновано багато точних фізичних приладів — наприклад, сейсмографи. Ну а з лазерними принтерами та указками ви напевно знайомі.

На визначенні розташування фотонів засновані багато генераторів випадкових чисел. Щоб згенерувати один біт випадкової послідовності, фотон прямує на променедільник — штуку, яка розділяє світло на два потоки.

Для будь-якого фотона існує лише дві можливості, причому з однаковою ймовірністю: пройти променедільник або відбитися від його грані. Залежно від того, пройшов фотон через променедільник чи ні, наступним бітом у послідовність записується 0 або 1.