Фотоны и волновая теория - Физика в школе
Главное меню:
статьи
Фотоны и волновая теорияФотоны и волновая теория
В настоящее время известны электромагнитные волны самых различных длин. Корпускулярные свойства электромагнитного излучения проявляются во все возрастающей степени по мере уменьшения длины волны. Это связано с тем, что энергия отдельного фотона пропорциональна частоте, а эта последняя обратно пропорциональна длине волны. Электромагнитные волны с длиной от нескольких километров до 12-15 метров используются в радиовещании. На метровых радиоволнах ведутся телевизионные передачи. Сантиметровые волны находят широкое применение в радиолокации. Затем, от миллиметровых радиоволн до видимого света, простирается большая область инфракрасных лучей (от десятых до стотысячных долей сантиметра), которые используются для видения и фотографирования в темноте, тумане и т. д. За видимым светом следуют еще более короткие ультрафиолетовые, рентгеновские и, наконец, гамма-лучи. Длины волн гамма-лучей космического излучения в миллионы раз меньше, чем у видимого света. Поэтому гамма-фотоны обладают огромными (для микромира) энергиями и отличаются высокой проникающей способностью. Известно, что свет переносит энергию на огромные расстояния. Она выделяется при взаимодействии с веществом в виде тепла: освещаемая поверхность нагревается. Каким же образом происходит этот перенос энергии?Согласно теории, созданной еще в прошлом столетии, свет представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся с большой скоростью (около 300 тысяч километров в секунду в пустоте). В пользу волновой теории говорят такие явления, как преломление света, интерференция (то есть наложение световых волн с взаимным усилением в одних точках пространства и ослаблением в других), дифракция (огибание световыми волнами малых препятствий) и некоторые другие.
Распространяясь, электромагнитные волны переносят энергию, выделенную их источником. Ныне установлено, что существуют электромагнитные волны самых различных длин. Так, радиоволны могут иметь длину от нескольких километров до десятых долей миллиметра. Видимый свет обладает длиной волны в пределах от 4 до 8 десятитысячных миллиметра, а длины волн так называемых гамма-лучей, испускаемых радиоактивными веществами, более чем в 10 тысяч раз короче.
Однако по мере дальнейшего развития науки обнаруживалось все большее количество явлений, которые нельзя было понять с позиций волновой теории света. Одним из таких явлений был фотоэлектрический эффект, открытый в 1887 году немецким ученым Герцем и подробно исследованный А. Г. Столетовым. Суть фотоэффекта состоит в испускании электронов веществом (например, поверхностью металла) под действием света. С точки зрения волновой теории, скорость «выбиваемых» электронов должна зависеть от интенсивности света. Но опыт показал иное. Даже при облучении очень слабым светом электроны продолжали вылетать с той же скоростью, что и при сильном освещении, только число испускаемых в единицу времени частиц уменьшалось. Для того чтобы объяснить этот факт, неизбежно следовало предположить, что световая энергия передается электронам определенными порциями (квантами). С этой точки зрения, свет представляет собой поток частиц, обладающих определенными энергиями, причем интенсивность света определяется числом таких частиц, получивших название фотонов.
В последующих исследованиях выяснилось, что кинетическая энергия «выбиваемого» с поверхности металла электрона зависит от частоты падающей световой волны. Отсюда вытекало, что энергия фотона также пропорциональна частоте волны (то есть количеству колебаний в секунду).
Затем было установлено, что не только свет, но и другие виды электромагнитного излучения (например, рентгеновские лучи или гамма-лучи) тоже являются потоком фотонов, правда, несущих во много раз большие энергии, чем фотоны видимого света.
Одним из подтверждений существования световых фотонов были опыты академика С. И. Вавилова по исследованию особенностей световых пучков очень малой интенсивности. Дело в том, что наши глаза обладают свойством при определенных условиях увеличивать свою чувствительность в сотни тысяч раз. Примерно после часа пребывания в темноте мы могли бы увидеть пламя стеариновой свечи на расстоянии в 200 километров, что соответствует попаданию на чувствительную к свету часть глаза всего лишь нескольких десятков фотонов в секунду. Если в темной комнате поместить очень слабый источник света и наблюдать его через весьма малое отверстие, то в глаз будет проникать небольшое число фотонов, близкое к порогу чувствительности глаза. Случайные же отклонения количества частичек света от среднего будут восприниматься нами как мерцание.
Правда, глаз способен сохранять зрительные впечатления в течение некоторого времени, что приводит к смазыванию мерцаний. Поэтому между источником света и наблюдателем помещают вращающийся диск с отверстием. Когда отверстие оказывается прямо против глаза, он воспринимает вспышку света. Но это происходит не всегда. Число фотонов во время вспышки может из-за случайных отклонений оказаться меньше того, которое глаз в состоянии ощутить, и наблюдатель ничего не увидит. При постепенном уменьшении яркости источника света количество таких пропусков будет увеличиваться, что подтверждается опытом. Таким образом, мы ощущаем вспышку света или не ощущаем ее при незначительном различии в числе фотонов, воспринимаемых наиболее чувствительной частью сетчатой оболочки глаза.Фотоны, будучи материальными частицами, взаимодействуют с атомами вещества. Это взаимодействие носит различный характер в зависимости от энергии фотонов (или, иначе говоря, в зависимости от длины волны электромагнитного излучения, определяющей энергию фотонов). Как известно, атом построен из тяжелого ядра и окружающих его электронов. Поскольку ядро заряжено положительно, а электроны - отрицательно, между ними действуют силы притяжения. Чем ближе к ядру расположен электрон, тем большую энергию надо затратить, чтобы «оторвать» его от ядра и удалить из атома. Фотон, влетевший в атом извне, всю свою энергию отдает одному из электронов, который при этом перескакивает на другую, более удаленную от ядра орбиту. «Возбужденный» таким образом атом обладает дополнительным запасом энергии, равным энергии поглощенного фотона. При обратном переходе электрона на прежнюю орбиту испускается фотон, имеющий как раз такую же энергию. Наблюдения над спектрами излучения, образуемого возбужденными атомами, позволяют глубоко проникнуть в особенности строения атомной электронной оболочки.
Если фотон имеет достаточную энергию, то он может совсем «оторвать» электрон от атома, передав электрону всю свою энергию. Лишенный электрона и потому заряженный положительно атом называется ионом, а самый процесс «отрыва» электрона - ионизацией. Ионизованный атом, присоединив к себе электрон, вновь может стать нейтральным.
Чем больше частота электромагнитной волны (и, следовательно, чем меньше ее длина), тем большей энергией обладает фотон и тем резче проявляются его свойства как частицы. Так, например, эти свойства отчетливо видны при столкновении с электроном фотона гамма- лучей, энергия которого намного превосходит энергию, необходимую для того, чтобы «вырвать» электрон из атома. Подобное столкновение напоминает удар упругих шаров. В результате часть энергии фотона передается электрону, который, получив «толчок», движется прочь от места столкновения. В то же время фотон, потеряв эту часть своей энергии, рассеивается под некоторым углом к первоначальному направлению движения.
Все эти и ряд других явлений позволили установить, что фотоны, как и другие «элементарные» частицы, имеют массу, энергию и импульс (количество движения). Масса фотона определяется на основе общего закона взаимосвязи массы и энергии, справедливого для любых частиц. Этот закон, сформулированный Эйнштейном, гласит, что полная энергия частицы численно равна произведению ее массы на квадрат скорости света. Отсюда, зная энергию фотона, нетрудно вычислить его массу, а затем и импульс.
Таким образом, исследования выяснили совершенно удивительную картину. Оказалось, что свет обладает одновременно свойствами и волн и частиц (корпускул). Это полностью опровергло метафизические взгляды некоторых ученых, которые считали, что свет может обладать либо только волновыми либо только корпускулярными свойствами, и наоборот.
Открытия, сделанные физиками в 20-х годах нашего столетия, заставили ученых придти к выводу о том, что не только свет, но и электроны и все вообще известные нам частицы материи отличаются двойственной природой, проявляют волновые свойства. Были найдены и длины волн, соответствующие тем или иным частицам. Они оказались обратно пропорциональны массе и скорости частиц. Но если и свет, и вещество имеют двойственную) противоречивую природу, если не только частицы вещества проявляют волновые свойства, но и фотоны обладают массой, то очевидно, что нет никакой непереходимой пропасти между светом и веществом, что, то и другое есть лишь различные виды материи, которые могут взаимно превращаться друг в друга. Дальнейшее развитие науки позволило доказать, что дело обстоит именно таким образом.
Ученые обнаружили, что фотон достаточно большой энергии может вблизи атомного ядра образовать пару заряженных частиц противоположного знака. Фотон превращается в электрон и позитрон, что и было неоднократно зафиксировано с помощью камеры Вильсона, содержащей пары спирта, которые конденсируются (сгущаются) вдоль следа летящей заряженной частицы (последняя сама по себе, конечно, не видна). Фотон, не имеющий заряда, следов не оставляет. Но как только происходит превращение его в пару электрон - позитрон, в камере сейчас же появляются исходящие из одной точки следы этих заряженных частиц. Поскольку весь прибор помещается в сильное магнитное поле, пути электрона и позитрона получаются искривленными в разные стороны. По кривизне траектории можно определить величину энергии каждой из частиц и знак ее заряда. Опыт показывает, что сумма энергий электрона и позитрона равна как раз той энергии, которой обладал превратившийся в них фотон. При обратном процессе превращения пары частиц (электрона и позитрона) в фотон энергия последнего точно так же равна сумме полных энергий электрона и позитрона. В этих превращениях сохраняется не только энергия, но и полный заряд частиц. Действительно, последний до образования пары равен нулю, так как фотон является нейтральной (незаряженной) частицей. После же возникновения электрона и позитрона полный заряд этой системы остается тем же, ибо, хотя обе частицы и заряжены, заряды их в точности равны по величине и противоположны по знаку.Следовательно, свет может превращаться в вещество, а вещество - в свет. Обнаружение этого фундаментального факта привело к краху метафизических теорий, отделявших свет от вещества и не признававших связи между ними. «Физические» идеалисты до сих пор заявляют, что превращение электрона и позитрона в фотон означает будто бы «уничтожение» материи, а рождение из фотона пары частиц - «возникновение» ее. На самом деле оба эти процесса представляют собой лишь переход одного вида материи в другой, с полным соблюдением закона сохранения материи и движения. Фотоны так же материальны, как и друпие «элементарные» частицы. Значит, надо говорить не об «уничтожении» материи или «возникновении» ее из ничего, а о взаимном превращении одних «элементарных» частиц (фотонов) в другие (электроны и позитроны). При этом суммарная масса (и энергия) исходных частиц всегда равна суммарной массе (и энергии) конечных частиц. Однако фотоны и электроны (позитроны) представляют собой качественно различные виды материи, и это проявляется в их самых основных свойствах. Так, масса электрона зависит от скорости его движения, причем наименьшим значением массы обладает покоящийся электрон (это значение массы электрона называют его массой покоя). В отличие от электрона фотон всегда движется со скоростью, равной скорости света в пустоте, и не имеет массы покоя.
Итак, фотон, как и остальные «элементарные» частицы, заключает в себе внутренне противоречивые свойства - волновые и корпускулярные. Об этом говорят не только многочисленные данные науки, но и практика, опирающаяся на полученные учеными знания. И волновые и корпускулярные свойства фотонов все в большей степени используются в самых различных областях производства и быта. Многочисленные оптические устройства и приборы - разнообразные микроскопы, телескопы, спектроскопы, фотоаппараты, кинопроекционные установки и т. д. основываются на явлениях, определяемых волновой природой света. Без этих устройств и приборов не могли бы развиваться астрономия, физика, химия, биология, медицина, ряд важных отраслей техники, кино, фотография. В то же время волновые свойства электромагнитного излучения используются в радиопередатчиках и радиоприемниках, радиолокаторах и телемеханике. Открытие и исследование фотоэффекта в лабораторных условиях привело к созданию и усовершенствованию фотоэлементов, с помощью которых можно видеть невидимое (ультрафиолетовые и инфракрасные лучи), читать запись звука с кинопленки и воспроизводить этот звук для широкой аудитории (звуковое кино), конструировать самые разнообразные устройства, необходимые для развития современной автоматики и телемеханики. В технике, медицине, биологии широко используются фотоны рентгеновских и гамма - лучей. Исключительно разностороннее применение в современной науке и технике находит спектральный анализ. По характеру спектров звезд ученые судят не только о химическом составе звездного вещества, но и о том, как движутся звезды, каковы их температуры, электрические и магнитные поля. Спектральный анализ применяется для определения мельчайших посторонних примесей при изготовлении металлов и во многих других отраслях техники.
Таким образом, изучение фотонов, как и других «элементарных» частиц, имеет огромное теоретическое и практическое значение. Дальнейшие успехи ученых в этой области принесут новые подтверждения правильности материалистической диалектики, еще больше усилят власть человека над природой, позволят решить крупные научно-технические проблемы на благо человека.