Излучение и квантовая теория. Частицы и волны

Свет-одна из форм энергии; в системах же с постоянной массой энергия не создается, а лишь переходит из одной формы в другую. Следовательно, свет может быть получен только в результате превращения в него какой-либо другой формы энергии. Электрическая энергия переходит в световую в электрической лампочке или газоразрядной трубке, тепло превращается в свет в пламени или раскаленной докрасна кочерге, химическая энергия переходит в световую у люминесцирующих животных, например светлячков. Возможно обратное превращение: так, в фотоэлементе свет преобразуется в электрическую энергию.

В конце XIX в. ученые заинтересовались проблемами превращения световой энергии. Абсолютно черное тело полностью поглощает падающий на него видимый свет во всем спектре, а также невидимое излучение - ультрафиолетовое и инфракрасное. Однако при нагревании тело испускает излучение только определенных цветов, т.е. частот: сначала тело (например, кочерга в огне) испускает инфракрасное (тепловое) излучение, потом раскаляется докрасна, затем по мере нагревания становится желтым и наконец белым. Если тело нагреть достаточно сильно, то оно станет бело-голубым и будет испускать ультрафиолетовое излучение, как самые горячие звезды. Волновая теория света не объясняет, почему цвет испускаемого черным телом излучения изменяется по мере нагревания. Согласно волновой теории, при нагревании сразу должно возникать излучение всех частот, а не излучение различных частот при разных температурах.

Волновую природу света можно продемонстрировать, пропуская узкий пучок света через две щели (А). При этом образуются два луча, которые, падая затем на экран, создают интерференционную картину. В тех местах экрана, где встречаются два гребня или две впадины волн, возникает яркое пятно (Б), там же, где встречаются гребень и впадина волн, на экране образуется темное пятно (волны гасят друг друга, В).

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858-1947) высказал чрезвычайно революционную идею. Он предположил, что энергия любого вида, в том числе и световая, состоит из отдельных порций; энергия тела может быть равна 1 или 1 млн. порций, но никогда не равна 0,8; 2,5 или 354,67 порции. Такая порция энергии получила название «квант» (от латинского quantum-порция). Квант содержит мизерное количество энергии, так что мы не в состоянии заметить попадание в глаз отдельного кванта света. Квант световой энергии называется фотоном.

Свет оказывает давление на предметы. Лопасть (1) движется при попадании на нее света (2). Это движение уравновешивается движением горизонтального зеркала (3), на которое свет направляется вертикальным зеркалом (4). Сначала с помощью крутильных головок (5) плечи выравнивают. Зеркало (6) отражает свет лампы (7) на шкалу (8). Измеритель времени (9) регулирует мощность источника напряжения (10) и, следовательно, интенсивность свечения лампы (11), освещающей зеркало (4), тем самым удерживая плечи в равновесии. Отклонение зеркала измеряется крутильной головкой (12).

Квантовая гипотеза Планка позволила объяснить, почему кочерга сияет именно так, а не иначе. Планк предположил, что энергия, соответствующая каждому фотону, зависит от его частоты: чем выше частота света (т. е. чем он ближе к голубому или ультрафиолетовому), тем больше его энергия. Поэтому, чем больше тепла передается кочерге, тем более высокую частоту имеет излучаемый ею свет.

В 1905 г. Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект как поглощение (А) кванта света (фотона) атомом, в результате чего атом испускает электрон (Б).

Фотометр (А) содержит стеклянные соты (1) и решетку (2), через которые свет проходит к светочувствительному элементу (3). Под действием света там возникает движение электронов, т.е. ток в цепи измерителя (4). Действие солнечной батареи (Б) также основано на фотоэффекте. Она состоит из слоев полупроводника, обычно кремния. Свет проходит через внешний слой и создает свободные электроны в промежуточном слое. Электроны движутся к базе, создавая ток. Меняющийся световой сигнал (5), записанный на оптической звуковой дорожке (В) кинопленки, попадает на фотоэлемент (6), где создает электрический сигнал, поступающий затем в громкоговоритель (7).

Частицы и волны. Идея о том, что свет представляет собой поток неделимых квантов, была своего рода возвратом к корпускулярной теории света. Квант света (фотон) начали рассматривать как одну из элементарных частиц материи. Однако такие эффекты, как интерференция и дифракция, можно было объяснить, только полагая, что свет ведет себя подобно волнам. Ученые разрешили эту проблему, предположив, что свет в зависимости от ситуации проявляет себя то как волна, то как поток частиц. И это не просто способ уйти от решения трудной задачи-дуализм свойств света был подтвержден экспериментально и математически. Обнаружилось и обратное, а именно что быстродвижущиеся субатомные частицы также проявляют волновые свойства. Например, в электронном микроскопе поток электронов ведет себя как волна.

Квантовая теория-особенно применительно к свету-окончательно разрешила многие споры, столетиями разделявшие ученых. Так, Ньютон был сторонником корпускулярной теории света, а Гюйгенс утверждал, что свет распространяется в виде волн. Благодаря работе Планка разногласиям был положен конец: свет можно трактовать и как частицы, и как волны-в зависимости от исследуемого явления.

Радиометр, изобретенный Уильямом Круксом, измеряет энергию излучения. Когда на колбу падает солнечный свет, лопасти вращаются, как бы подталкиваемые светом. На самом деле тепло поглощается черной стороной лопасти, и несколько молекул газа, оставшихся в вакууме колбы, отскакивают от этой стороны сильнее, оказывая на нее давление.

Некоторые металлы при освещении их светом испускают электроны-это так называемый фотоэлектрический эффект. Было замечено, что яркий свет порождает больше электронов, чем тусклый того же цвета, но никогда не создает электронов большей энергии. В то же время при освещении голубым светом энергия электронов всегда оказывается выше, чем при освещении красным, независимо от интенсивности освещения. В 1905 г. Эйнштейн объяснил фотоэффект, предположив, что каждый электрон освобождается одним фотоном. Яркий свет содержит больше фотонов одной и той же энергии, чем слабый, тогда как фотоны голубого света обладают более высокой энергией, чем фотоны красного света.

Способность света изменять частоту, превращаясь в частности, из невидимого в видимый, находит различные применения. Флуоресцирующие вещества поглощают свет нескольких частот и мгновенно переизлучают его на другой частоте при этом результирующий цвет оказывается очень ярким, поскольку в него преобразуется внешний свет различных частот. Именно таким образом используются флуоресцирующие краски и чернила в рекламе.

Газоразрядная лампа содержит газ при низком давлении, через который проходит электрический ток (А). Электроны и положительные ионы движутся к аноду и катоду соответственно (Б). Ионы, падая на катод, выбивают дополнительные электроны (В). При столкновении электронов с атомами газа возникает свет (Г).

Эффекты фосфоресценции. Фосфоресценция по своей природе аналогична флуоресценции, но излучение света происходит лишь через некоторое время после прекращения воздействия внешнего освещения. Поверхность телеэкранов покрыта фосфоресцирующим веществом, которое светится в течение непродолжительного времени после бомбардировки его потоком электронов внутри электроннолучевой трубки и создает изображение на экране. Явление фосфоресценции лежит в основе действия многих приборов для обнаружения невидимых излучений, например рентгеновских лучей или быстродвижущихся частиц в космических лучах. Некоторые фосфоресцирующие краски способны сохранять светимость длительное время после действия на них света, поэтому они светятся в темноте.

Флуоресценция возникает, когда атом, получив световую энергию (1), излучает ее в два этапа. Сначала атом переходит в промежуточное энергетическое состояние (3), испуская излучение низкой частоты (инфракрасное, 2), а затем-в исходное состояние, испуская свет несколько меньшей частоты, чем у поглощенного света (4). Фосфоресценция аналогична флуоресценции, однако вторая стадия занимает в ней гораздо больше времени.