Корпускулярно-хвильовий дуалізм. Тиск світла. Дослід Лебедєва. Хімічна дія світла

За сучасними уявленнями світло випромінюється і поглинається порціями, а тому і поширюється порціями. Фотон зберігає свою індивідуальність протягом всього свого існування. Водночас світлу властиві явища інтерференції, дифракції, поляризації та інші хвильові властивості. Ці факти дозволили зробити припущення, що світлу властивий дуалізм (подвійність). Під час поширення світло виявляє електромагнітні властивості, а під час поглинання - корпускулярні.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм (двоякість) світла полягає в тому, що світло має складну природу. З одного боку воно веде себе, як електромагнітна хвиля (електромагнітна природа світла), з іншого – це потік фотонів (квантів), які є частинками.

При поясненні інтерференції, дифракції, поляризації світла виходять, що світло – електромагнітна хвиля.

При поясненні прямолінійного поширенні світла, відбивання та заломлення світла виходять, що світло випромінюється порціями – квантами.

Енергія кванта прямо пропорційна частоті світла:

E = hν,

де ν - частота коливань електромагнітного випромінювання;

h = 6,625·10^-34 Дж·с - стала Планка.

Відповідно до теорії відносності енергія завжди пов'язана з масою відношенням E = mc².

Прирівнявши обидва рівняння для енергії фотона отримаємо

hν = mc² => - маса фотона

Однак фотон має лише релятивістську масу і не має маси спокою. Фотон має масу доти, доки він рухається зі швидкістю світла. Якщо фотон зіштовхується з перешкодою, енергія фотона переходить до перешкоди і його маса зникає. За відомою масою і швидкістю можна визначити імпульс фотона:

Імпульс фотона направлений вздовж променя світла. Фотон має імпульс і якщо на його шляху виникає перешкода, він передає його їй.

В проявленні подвійності властивостей випромінювання спостерігається важлива закономірність: якщо частоти мали, то в більшій ступені проявляються хвильові властивості випромінювання, а для великих частот – квантові властивості. У видимому світлі хвильові і квантові властивості виявляються в однаковій ступені.

Один із яскравих прикладів виявлення корпускулярних властивостей світла - тиск світла на різні тіла. На основі електромагнітної теорії світла Максвел передбачив існування тиску світла ще до того, як це явище було виявлено експериментально. Світлові хвилі створюють тиск на перешкоду, з якою вони зіштовхуються, оскільки примушують електрони впорядковано рухатися в тілі. На них з боку магнітного поля світлової хвилі діє сила Лоренца, яка за правилом лівої руки напрямлена в бік поширення хвилі. Ця сила мала, тому навіть у сонячний день світло створює тиск.

Вперше тиск світла виміряв російський фізик Петро Mиколайович Лебедєв в 1900 p.

У дослідах Лебедєва однакові світлові потоки направлялися на два легенькі металеві диски, підвішені на тонкій нитці (мал. 133). Один диск був дзеркальним і відбивав падаюче на нього світло, другий — чорним, який його поглинав. Світло почергово направляли то на поліроване, то на почорніле крильця. У разі одночасного освітлення двох дисків відбувалось їх повертання навколо вертикальної осі.

За кутом закручування пружної нитки підвісу можна було виміряти момент сил, які викликали цей поворот. Закручування нитки підвісу відбувалося в напрямі, що відповідав більшій силі тиску світла на дзеркальний диск, який відбивав світло.

Одержане вченим значення тиску світла збігалося з тим, яке передбачив Максвелл. Пізніше, після трьох років наполегливої праці, Лебедєву вдалося здійснити ще тонший експеримент: виміряти тиск світла на гази.

Досліди Лебедєва можна розглядати як експериментальне доведення того, що фотони мають імпульс. Закон збереження імпульсу — загальний. Він справедливий як для звичайної речовини, так і для фотонів — квантів електромагнітного поля.

Сила світлового тиску в природних умовах не завжди мізерно мала порівняно з іншими силами. В надрах зірок за температури в кілька десятків мільйонів кельвін тиск електромагнітного випромінювання повинен досягати величезних значень і саме цей тиск перешкоджає необмеженому стисканню зірок.

Поглинання світла речовиною супроводжується також хімічною дією світла. Хімічна дія світла виявляється в тому, що світло викликає такі хімічні перетворення, які без світла не відбуваються. Хімічні реакції, що перебігають внаслідок дії світла, називають фотохімічними. Наприклад, під дією ультрафіолетового випромінювання з молекул кисню утворюються молекули озону:

3O₂ + hν = 2O₃.

Найважливішою фотохімічною реакцією є фотосинтез - процес утворення під дією світла вуглеводнів із виділенням кисню у рослинах і деяких мікроорганізмах:

Завдяки фотосинтезу на Землі зберігається неперервний кругообіг Карбону і підтримується життя.

Учені встановили, що фотосинтез хлорофілу, що міститься у рослинах, під дією червоних променів спектра сонячного світла. Приєднуючи до вуглеводневого ланцюга атоми інших елементів, одержуваних із ґрунту, рослини будують молекули вуглеводнів, жирів і білків, створюючи їжу для людини і тварин.

Хімічну дію світла покладено в основу фотографії. Основу фотографії становить фотохімічна реакція розкладу бромистого срібла.

Фотоефект був відкритий 1887 року Г. Герцем, а потім досліджений експериментально російським ученим А. Г. Столєтовим.

Фотоефект — явище виривання електронів із твердих і рідких речовин під дією світла.

Якщо вирвані електрони вилітають за межі речовини, фотоефект називається зовнішнім.

Проробивши низку дослідів із фотоефекту (або переглянувши кадри відеофільму), можна дійти висновку: явище фотоефекту практично без-інерційне; інтенсивність фотоефекту залежить від виду металу, величини світлового потоку та спектрального складу випромінювання.

Закони фотоефекту. Закони фотоефекту були експериментально встановлені професором Московського університету А. Г. Столєтовим:

• сила фотоструму насичення прямо пропорційна інтенсивності світла, що падає на катод;

• максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою;

• для кожної речовини існує мінімальна частота світла, називана червоною межею фотоефекту, нижче за яку фотоефект неможливий.