А.Н. Матвеев - Атомная физика, страница 8

В томже 1925 г. К ом птон и Саймон с по­мощ ью камеры Вильсона измеряли§ 3. Флуктуации интенсивности светового потока 2 9углы между направлением движенияэлектрона отдачи и фотона. Электронотдачи в камере Вильсона оставляетзаметный след, но рассеянный фотонникакого следа не оставляет.

Однакоесли он будет поглощен другим ато­м ом с испусканием фотоэлектрона,то след последнего хорошо виден вкамере. П рям ая линия, соединяющаяточку возникновения электрона отда­чи и фотоэлектрона, принимается затраекторию фотона. Поскольку иден­тифицировать фотоэлектрон и элек­трон отдачи абсолю тно достовернонельзя, для получения надежных ре­зультатов необходимо было исполь­зовать большой статистический м а ­териал.Анализ углов разлета надежноподтвердил применимость законовсохранения к индивидуальным актамстолкновения. В 1927 г. была непос­редственно измерена энергия электро­нов отдачи, которая оказалась в пол­ном согласии с предсказаниями тео­рии эффекта Комптона.3.Флуктуации интенсивности световогопотокаАнализируются эксперименты, свидетельствую­щие о независимости друг от друга поведенияотдельных фотонов в световом потоке.Флуктуации интенсивности световогопотока. Поскольку в световом потокеэнергия распределена не равномернов пространстве, а переносится отдель­ными фотонами, она и по временидолжна восприниматься дискретны­ми порциями.

Однако концентрацияфотонов при обычных условиях стольвелика, что световой поток воспри­нимается как непрерывный потокэнергии. Как и во всякой другой ста­тистической системе, флуктуации м ак­роскопических величин уменьшаютсяпри убывании числа частиц системы.Следовательно,при достаточном уменьшении интен­сивности светового потока можнонадеяться обнаружить флуктуацииинтенсивности как следствие флуктуа­ций концентрации фотонов в свето­вом потоке.Изучение этих флуктуаций нетолько демонстрирует существованиефотонов, но и позволяет исследоватьих статистические свойства. Такиеопыты были проведены С.

И. Вавило­вым (1891-1951).Опыты Вавилова. Флуктуации ин­тенсивности светового потока в опы­тах Вавилова регистрировались не­посредственно человеческим глазом,обладаю щ им чрезвычайно большойчувствительностью. П оэтому необхо­димо сделать несколько замечаний овозникновении зрительного ощуще­ния. Оно возникает при попаданиисвета на сетчатую оболочку глаза. Всетчатке глаза имеются воспринима­ющие элементы двух типов: колбочкии палочки. Колбочки в основномсосредоточены в областях сетчатойоболочки вблизи оптической оси гла­за и обеспечивают цветовое зрение.Палочки же сосредоточены главнымобразом в периферических областяхсетчатой оболочки глаза, дальш е отоптической оси, и обеспечивают сероепериферическое или сумеречное зре­ние, которое не различает цветов.Однако чувствительность палочек вомного раз больше, чем чувствитель­ность колбочек.Человеческий глаз имеет опреде­ленный порог чувствительности.

Этоозначает, что если на определенныйучасток сетчатой оболочки глаза по­падаю т вспышки света с определен­ной длиной волны и определеннойпродолжительности, то существуетнекоторое минимальное число ф ото­нов во вспышке, которое глаз еще1 К орпускулярны е свойства электром агнитны х волн/f"4Щ-О— иX13Схема опытов Вавиловавоспринимает как вспышку и нижекоторого глаз не ощущает вспышки.Это число фотонов и определяет по­рог чувствительности глаза для дан­ных условий.Если в последовательности вспы­шек в среднем имеется число ф ото­нов, существенно большее порогачувствительности, так что в результа­те флуктуаций оно не становитсяменьшим порога чувствительности,то глаз будет фиксировать каждуювспышку.

Однако если в глаз направ­ляю тся вспышки, в которых среднеечисло фотонов находится на порогечувствительности глаза, то вспышки,в которых число фотонов больше по­рога чувствительности, будут зафик­сированы глазом, а вспышки, в кото­рых число фотонов меньше порогачувствительности, не будут замечены.Следовательно, при наблюдении вспы­шек вблизи порога чувствительностиглаза можно непосредственно глазомзафиксировать флуктуации числа фо­тонов во вспышках. Вавиловым было**Н езависимость флуктуаций интенсивно­сти во взаим но когерентных волнах св и ­детельствует о корпускулярной природеизлучения. Н езависим ость флуктуацийинтенсивности в обы кновенном и н е­обы кновенномлучах,вышедшихиздвоякопрепомпяю щ ей призмы, св и д е­тельствует о том, что понятие поляри за­ции относится к отдельном у ф отону.$Почему для исследования флуктуации кон­центрации ф о то н о в необходим о пользоватьсям алы м и плотностям и потоков эн ергии 7установлено, что порог чувствитель­ности глаза в области сумеречногозрения составляет от нескольких де­сятков фотонов до нескольких сотен,испытывая значительные колебаниядля различных наблюдателей.Свет от источника И в опытахВавилова (рис.

13) проходит через от­верстие в диске D и попадает в фильтрФ, который пропускает лишь волны сопределенной длиной волны (в опы­тах использовался зеленый свет). За­тем, пройдя через коллим атор К , светпопадает в глаз. К роме того, на путисвета поставлен фильтр, не изобра­женный на схеме, с пом ощ ью которо­го можно непрерывно изменять ин­тенсивность света. Г лаз фокусируетсяна источник В слабого света. Благо­даря этому луч света, проходящийчерез отверстие диска, попадает напериферический участок сетчатой обо­лочки глаза. Диск D с помощ ью дви­гателя вращается с частотой 1 об/с.Ф орма и площ адь отверстия в дискетаковы, что свет может проходить внего в течение 1/ 10 времени оборотадиска, а в течение 0,9 времени оборо­та свет в глаз не попадает и глазотдыхает.

Таким образом, при вра­щении диска создается последователь­ность вспышек длительностью 0,1 с синтервалами 0,9 с между вспышками.В момент возникновения зритель­ного ощущения вспышки наблю да­тель нажатием ключа делает отметкуна движущейся ленте хронографа. Натой же ленте отмечаю тся периодывремени прохождения отверстия дис­ка перед глазом наблю дателя. С о­поставляя отметки вспышек на ленте,сделанные наблю дателем, с отм етка­ми периодов прохождения отверстияперед глазом наблю дателя, можноопределить, возникает или нет зри­тельное ощущение вспышки.Вначале, когда яркость вспышек§ 3 Флуктуации интенсивности светового потока 31не очень мала, наблю датель отмечаеткаждую вспышку.

При уменьшениияркости наступает такая стадия, ког­да соответствие между вспышками,отмечаемыми наблю дателем, и пе­риодами времени прохождения от­верстия диска перед глазом наблю да­теля нарушается - наблю датель отм е­чает не все вспышки. Это означает,что в некоторых вспышках число фо­тонов ниже порога чувствительности,а в некоторы х-вы ш е. М атематичес­кая обработка полученного из наблю ­дений материала позволила устано­вить, что в этих опытах действитель­но наблюдаются статистические флук­туации числа фотонов в отдельныхвспышках светового потока.Флуктуации интенсивности во взаим­но когерентных волнах. С помощ ьюописанной методики Вавиловым былиисследованы флуктуации интенсив­ности во взаимно когерентных вол­нах. Волна от источника S (рис.

14)бипризмой Френеля П разделяется надве взаимно когерентные волны. Наэкране R в области пересечения волнвозникает интерференционная карти­на, наличие которой свидетельствуето взаимной когерентности волн, т. е. осуществовании постоянных фазовыхсоотношений между ними. Здесь мыне принимаем во внимание некоторыетонкости, связанные с частичной ко­герентностью волн, поскольку это невносит ничего существенного в прин­ципиальную сторону обсуждаемоговопроса. Вне области пересеченияволн (на рис. 14 вне закрашенной об­ласти) интерференционная картина необразуется и можно наблю дать неин­терферирующее излучение от мнимыхисточников S' и S". Вспышки излуче­ния источника S бипризмой Френелятрансформируются во вспышки взаим­но когерентных излучений мнимыхисточников S' и S".

М етодикой Вави-•зууI114Схема получения взаимно когерентных волнделением волнового фронта с помощ ью бипри­змы Френеля15Схема получения поляризованных лучей спомощ ью призмы Волластоналова можно изучить флуктуации чис­ла фотонов во вспышках каждого изисточников и корреляцию этих флук­туаций между собой. Эти исследова­ния показали, чтофлуктуации числа ф ою н ов во взаим­но когерентных вспышках излученияпроисходят независимо друг от друга.Флуктуации интенсивности в поля­ризованных лучах.

Другой важныйопыт Вавилова касался флуктуаций вполяризованных лучах. Луч света S,проходя сквозь призму Волластона В(рис. 15), распадается на два луча S' иS", которые линейно поляризованы вдвух взаимно перпендикулярных на­правлениях. Исследуя флуктуации чис-1. К орпускулярны е свойства электром агнитны х волнел/7216Схема опыта Брауна и Твисса17Зависимость корреляции интенсивности пото­ков G (х)ла фотонов в лучах S' и S", Вавиловпоказал, что этифлуктуации происходят независимодруг от друга.Это означает, что понятие поляри­зации относится к отдельному ф ото­ну, а процесс поляризации состоит втом, что некоторый фотон в луче S,пройдя призму Волластона, движетсядальш е либо в луче S', либо в луче S",приобретая соответствующую поля­ризацию.Опыт Брауна и Твисса. В опытебыла количественно исследована кор­реляция флуктуаций интенсивности всветовом пучке вдоль направленияего распространения.

Световой пучокS (рис. 16) разделяется полупрозрач­ной пластиной А на два пучка, кото­рые направляю тся к фотоприемникам/7, и П 2, находящимся на разныхрасстояниях от А. Силы токов отфотоприемников, пропорциональныеинтенсивностям соответствующих све­товых потоков, в корреляторе К пре­образую тся в силу тока пропорцио­нально произведению сил токов отфотоприемников П 1 и П 2. И зм еряю т­ся также силы токаи 12 от этихфотоприемников. Средние значенияэтих сил токов равны: < /х) = <72> =Ясно, что / , и / 2 пропорциональ­ны интенсивности светового потока Sв различные моменты времени.

П ро­межуток времени х между этими м о­ментами определяется разностью Ахода лучей от А до фотоприемников(предполагается, что время движениясигнала от фотоприемников до кор­релятора одинаково). Следовательно,х = А/с и силы токов можно записатьв виде= I(t), / 2 = I(t + х). Измеряе­мой в эксперименте величиной яв­ляетсяG ( t) =1 1(Р)Т,+ x)dt.(3.1)Н а рис. 17 приведена зависимостьС(х), найденная в опытах Брауна иТвисса. При очень малых х значениеG(x) очень близко к единице, при уве­личении х оно уменьшается. Прибольших х функция G(x) практическипостоянна.Д ля объяснения такого поведенияG(x) необходимо принять во внима­ние флуктуации интенсивности светав пучке. Если бы флуктуаций не было,то при всех значениях х было быG(x) = 1.