belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Следует подчеркнуть, что волновые явления становятся пенаблюдаемыми, когда размеры используемых в эксперименте тел или приборов велики по сравнению с длиной волны. В таком случае волновая оптика становится геометрической. С другой стороны, есть и обычные частицы, и никакие явления типа дифракции или интерференции лля них невозможны.
Частицы двигаются по определенным траекториям, для нахождения которых с помощью уравнений классической механики достаточно знать все действующие па пих силы, а также задать их начальные положения и скорости. Если, например, поставить на пути частиц экран с двумя отверстиями, то болыпая их часть застрянет в экране, а те, что пройдут сквозь него, попадут на второй экран в местах, находящихся точно позади отверстий в первом. При этом всегла 2.2.
ФОТОЭФФЕКТ И ЕГО ЗАКОНОМЕРНОСТИ можно сказать, через какое отверстие прошла та или иная частица. Ее положение и скорость строго определены в любой момент времени. Такими были представления физиков Х1Х в. Никакой неоднозначности! Частицы это частицы, а свет это волны. 2.2.
Фотоэффект и его закономерности Все «неприятности» начались в конце прошлого века, когда было экспериментально установлено, что при падении видимого света на поверхность металла из последней испускаются электроны. Это явление назвали фото- эффектом. Впервые фотоэффект был обнаружен Г.
Герцем в 1887 г. Нри исследовании распространения электромагнитных волн от излучающего резонатора к приемнику. Он заметил, что проскакивание искры между шариками разрядника облегчается, если один из шариков осветить ультрафиолетовым светом. В 1888 г.
А.Г. Столетов исследовал фотоэффект более детально, фактически он независимо открыл это явление и обнаружил насыщение фототока. В том же году фотоэффект наблюдали немец В. Гальвакс и итальянец А. Риги. Начиная с 1899 г., подробные исследования даннспо явления проводились ч . Ленардом. Именно он доказал, что при фотоэффекте из вещества освобождшотся электроны и установил замечательный факт: энергия такого вылетающего электрона совершенно не зависит от интенсивности падающего света и прямо пропорциональна его частоте. Само по себе существование фотоэффекта неудивительно, поскольку известно, что свет -- это электромагнитные волны, электроны под действием электрического поля световой волны ускоряются, а значит, могут вылетать из металла.
Так как интенсивность света 1 х ~Ь'~~ (Я вЂ” — амплитуда электромагнитной волны), то естественно ожидать, что чем больше интенсивность света, тем больше и кинетическая энергия вылетающих электронов. Но эксперимент дал совершенно другой результат. Рис. 2.1 Схема установки показана на рис. 2.1 а, При освещении поверхности одного из электродов (К) в цепи появляется ток г, фиксируемый гэльванометром С. Этот ток прямо пропорционален интенсивности света (рис.
2.1 б), что вполне согласуется с представлениями классической физики о взаимодействии электромагнитных волн с электронами. В то же время оказалось, что ток, независимо от интенсивности мопохроматического света, прекращается при одном и том же задерживающем напряжении Ъв (рис. 2.1 в). Это значит, 24 ГЛ. 2. КОРПУСКЪ',ЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ МИКРОЧАСТИЦ что максимальная кинетическая энергия электронов Ч = е)(в зависит только от частоты света. На рис. 2.1 г показана зависимость задерживающего потенциала от частоты света. Как видно, энергия электронов пропорциональна нс интенсивности, а частоте света.
К тому жс, эксперимент показал, что существует минимальная частота, ниже которой фотоэффскт вообще невозможен. В 1905 г. Эйнштейну удалось об"ьяснить эти свойства фотоэффекта, введя предположение о том, что энергия в пучке монохроматического света состоит из порций, величина которых равна 6о, где и частота света, а 6 постоянная Планка, введенная в физику еще в 1900 г. в связи с проблемой излучения черного тела. Физическая размерность величины 6 равна время х х энергия = длина х импульс = момвнп( количества движения. Такой размерностью облада('.т величина, называемая действием, и потому 6 называют элементарным квантом действия. Итак, согласно Эйнштейну электрон в металле, поглотив такую порцию энергии, приобретает энергию Е = 6о = 6(о (постоянная 6 = 6/(2п) очень часто используется наряду с обычной постоянной Планка 6), и, если для вырывания его из металла нужно затратить энергию И' (работа выхода), то кинетическая энергия вырванного электрона равна Еь = Ь' — И' = 6и — И'.
(2.1) Это и есть известное уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, оно полностью чуждо классической физике. Фактически Эйнштейн «проквантовал» электромагнитное поле. Здесь следует подчеркнуть, что до 1905 г. никто не предполагал дискретности света. Макс Планк для объяснения свойств теплового излучения квантовал только энергию излучающих осцилляторов вещества, а не поле излуче((ия! Дискретные порции света были позже названы фопюномм, (это слово введено в физику в 1926 г. Дж. Льюисом). Концепция фотона была впервые поставлена на прочный логический фундамент в 1927 г. Полем Дираком.
который наряду с излучающим атомом проквантовал и поле излучения. Рассмотрим вопрос о том, почему нельзя объяснить фотоэффект с классической точки зрения. Когда излучение «сталкивастся» с электроном, колеблющимся внутри атома, оно передает ему свою энергию. Если электрическое поле колеблется с частотой, которая находится в резонансе с собственной частотой такого электрона, то последний будет поглощать энергию световой волны, пока не освободится из атома. Надо постараться объяснить фотоэлектрический эффект, предполагая свойства атома такими, что электрон будет сохранять полученную от света энергию и находиться в атоме до тех пор, пока не накопит ее до величины 6и, после чего он покинет атом. Если бы атом обладал подобными свойствами, то для света с очень маленькой интенсивностью фотоэлектрический эффект не наблюдался бы в течение достаточно долгого времени., которос должно пройти для накопления необходимого кванта энергии.
Соответствующие опыты проводились с металлическими пылинками и очень слабым светом. Согласно классическим представлениям в этих опытах потребовалось бы много часов для накопления энергии 6и. Однако немедленно после освещения пылинок появлялось некоторое количество фотоэлектронов. Таким образом конкретные попытки обьяснить фотоэффскт при помощи процессов непрерывного накопления энергии потерпели 2.2. ФОТОЭФФЕКТ И ЕГО ЗАКОНОМЕРНОСТИ полную неудачу. Аналогичной была судьба и всех остальных попыток, которые когда-либо предпринимались. Волновая теория оказалась неспособной объяснить внезапную локализацию конечных порций энергии в одном электроне.
Вернемся к обсуждению свойств фотона. Из этих экспериментов следует,что фотон несет квант эноргии, то есть,что энергия электромагнитного поля квантуется, но естественно задаться вопросом: что же такое фотон? Опираясь на знания, полученные из электродинамики, можно себе представить, что фотон это пакет электромагнитного излучения частоты и, распространяющийся в некотором направлении со скоростью света с. Но тогда возникает следующий вопрос: чему равен импульс фотона? Общая связь между полной энергией частицы Е, ее импульсом р и массой т известна, опа определяется выражением Е =рс +(гис) .
Фотон всегда летит с предельной скоростью — скоростью света, и нет никакой системы координат, в которой он покоился бы. Значит, его масса равна пулю, и соотнетственно Е = рс., что сразу следует из соотношения (2.2). Это —. одно из центральных положений теории относительности. На каких экспериментальных фактах основано такое утверждение? Коли бы фотон имел массу, то прежде всего не был бы верен закон Кулона. Это видно из следующего простого рассуждения. Как показал японский физик-теоретик Х.
Юкава, если бы переносчики электромагнитного взаимодействия . фотоны . - имели конечную массу, то на расстоянии а = й,?гпс (так называемая комптоновская длина волны, о которой у нас пойдет речь ниже) от заряда потенциал электрического поля был бы в е раз меньше, чем даст закон Кулона. Измерение правильности закона Кулона в лабораторных условиях показывает, что а по крайней мере больше 2 102 см. Однако намного более точную оценку можно получить на основании того факта, что в галактиках наблюдаются магпитогидродипамические волны в заряженной плазме.
Волновые процессы в плазме переносят с собой периодически изменяюгцееся электромагнитное поле. Существование массы у фотона привело бы к «затуханию» длинноволновых колебаний. В галактиках магнитогидродинамические процессы охватывают огромные расстояния, доходящие до десяти тысяч парсек (1 парсек = 3,26 светового года). Отсюда следует фантастическая оценка а ) 1022 см, достаточная для того, чтобы не сомневаться в правильности гипотезы о равенстве пулю массы фотона. Ведь если массу фотона выражать в электронвольтах, то, согласно этой оценке, она должна быть меньше 10 2~ эВ.
Итак, из соотношения (2.2) следует., что импульс фотона (2.3) р = Е?'с. Естественно возникает вопрос: что это за частица — фотон, который обладает,как любая частица, определенной энергией и импульсом,но его масса равна нулю? Такого рода вопросы на самом деле возникают из-за нашего желания приписать микромиру те понятия, с которыми мы сталкиваемся в обыденной жизни. Как мы не раз убедимся, в микромир нельзя перенести «по аналогии» механические понятия траектории., размера и т.
д. Оп подчиняется 26 ГЛ. 2. КОРПУСКУЛ',ЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУА,ЛИЗМ МИКРОЧАСТИЦ своим собственным законам. Все парадоксы квантовой механики, к изучению которой мы приступаем, начиная с фотона, возникают именно из-за таких аналогий. Лишь некоторые свойства фотона напоминают свойства частицы, он совсем пе похож па тс частицы, с которыми мы имели дело в механике (образно говоря, это совсем не шарик на веревочке). Если ввести волновой вектор 1г (~Ц = 2к/Л)., то круговая частота 62 = 2яи = 2х (с/А) = сй, (2.4) и выражения для энергии и импульса фотона принимают симметричный вид Е=йск, р=й1г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
