Foton - elementar zarracha, kvant elektromagnit nurlanish.

Foton energiyasi: e = hv, bu erda h = 6,626 10 -34 J s Plank doimiysi.

Foton massasi: m = h·v/c 2 . Bu formula formulalardan olingan

e = hv va e = m c 2. m = h·v/c 2 formulasi bilan aniqlangan massa harakatlanuvchi fotonning massasidir. Fotonning tinch massasi yo'q (m 0 = 0), chunki u tinch holatda bo'lolmaydi.

Foton impulsi: Barcha fotonlar c = 3·10 8 m/s tezlikda harakatlanadi. Shubhasiz, fotonning impulsi P = m c, bu shuni anglatadi

P = hv/c = h/l.

4. Tashqi fotoelektr effekti. Fotoelektrik effektning volt-amper xarakteristikasi. Stoletov qonunlari. Eynshteyn tenglamasi

Tashqi fotoelektr effekti - yorug'lik ta'sirida moddaning elektronlarni chiqarish hodisasi.

Oqimning kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanishga bog'liqligi fotoelementning tok kuchlanish xarakteristikasi deb ataladi.

1) Vaqt birligida katoddan chiqadigan N' e fotoelektronlarning soni katodga tushayotgan yorug'lik intensivligiga proporsionaldir (Stoletov qonuni). Yoki boshqacha qilib aytganda: to'yinganlik oqimi katodga tushgan nurlanish kuchiga mutanosib: Ń f = P/e f.

2) Elektronning katoddan chiqishdagi maksimal tezligi V max faqat yorug'lik chastotasiga n bog'liq va uning intensivligiga bog'liq emas.

3) Har bir modda uchun yorug'likning cheklovchi chastotasi n 0 bo'lib, undan pastda fotoelektr effekti kuzatilmaydi: v 0 = A chiqish / h. Eynshteyn tenglamasi: e = A out + mv 2 max /2, bu erda e = hv - yutilgan fotonning energiyasi, A out - moddadan elektronning ish funktsiyasi, mv 2 max / 2 - maksimal kinetik energiya. chiqarilgan elektron.

Eynshteyn tenglamasi, aslida, energiyaning saqlanish qonunini yozish shakllaridan biridir. Agar barcha chiqarilgan fotoelektronlar anodga yetguncha sekinlashsa, fotoelementdagi oqim to'xtaydi. Buning uchun fotoelementga teskari (kechiktiruvchi) kuchlanish u qo'llash kerak, uning qiymati energiyaning saqlanish qonunidan ham topiladi:

|e|u s = mv 2 max /2.

5. Engil bosim

Yorug'lik bosimi - bu jism yuzasiga yorug'lik tushishi natijasida yuzaga keladigan bosim.

Agar yorug'likni fotonlar oqimi deb hisoblasak, klassik mexanika tamoyillariga ko'ra, zarralar jismga urilganda, ular impulsni o'tkazishi, boshqacha aytganda, bosim o'tkazishi kerak. Bu bosim ba'zan radiatsiya bosimi deb ataladi. Yorug'lik bosimini hisoblash uchun siz quyidagi formuladan foydalanishingiz mumkin:

p = W/c(1+ p), bu erda W - 1 soniyada sirtning 1 m 2 maydoniga normal tushadigan nurlanish energiyasining miqdori; c - yorug'lik tezligi, p- aks ettirish koeffitsienti.

Agar yorug'lik normalga burchak ostida tushsa, bosimni quyidagi formula bilan ifodalash mumkin:

6. Kompton - effekt va uning izohi

Kompton effekti (Kompton effekti) - elektromagnit nurlanishning elektronlar tomonidan tarqalishi tufayli to'lqin uzunligini o'zgartirish hodisasi.

Tinch holatdagi elektron tomonidan sochilishi uchun tarqalgan fotonning chastotasi:

tarqalish burchagi qayerda (tarqalishdan oldin va keyin foton tarqalish yo'nalishlari orasidagi burchak).

Kompton to'lqin uzunligi relyativistik kvant jarayonlariga xos bo'lgan uzunlik o'lchovi parametridir.

l C \u003d h / m 0 e c \u003d 2,4 ∙ 10 -12 m - elektronning Kompton to'lqin uzunligi.

Kompton effektini klassik elektrodinamika doirasida tushuntirish mumkin emas. Klassik fizika nuqtai nazaridan elektromagnit to'lqin uzluksiz ob'ekt bo'lib, erkin elektronlar tomonidan sochilishi natijasida to'lqin uzunligini o'zgartirmasligi kerak. Kompton effekti elektromagnit to'lqinning kvantlanishining bevosita dalilidir, boshqacha qilib aytganda, foton mavjudligini tasdiqlaydi. Kompton effekti mikrozarrachalarning korpuskulyar-to'lqinli dualizmining haqiqiyligining yana bir dalilidir.

Fotoelektr effekti shuni ko'rsatadiki, elektromagnit nurlanish zarracha - foton kabi harakat qilishi mumkin. Fotonning yutilishi, emissiyasi yoki har qanday zarrachalar bilan o'zaro ta'sirida jismlarning o'zaro ta'sirida bo'lgani kabi energiya va impulsning saqlanish qonunlaridan foydalanish mumkin. Biroq, har qanday muhitdagi foton yorug'lik tezligida harakat qiladi ( Bilan= 3*10 8 m/s) va shuning uchun saqlanish qonunlari relyativistik shaklda yozilishi kerak.

Keling, zarracha-fotonning ba'zi xususiyatlarini ko'rib chiqaylik. Zarracha tezligi yorug'lik tezligiga teng bo'lsa, ifodaning maxraji:

chunki relyativistik energiya yo'qoladi va energiya cheksiz katta bo'ladi, bu jismoniy jihatdan mantiqiy emas.

Energiya chekli bo'lishi uchun matematik jihatdan bu holda kasrning numeratori ham nolga teng bo'lishi kerak degan xulosaga keladi. Bundan kelib chiqadiki yorug'lik tezligida harakatlanadigan zarralar kerak massaga ega emas . Boshqa tomondan, foton massasiz zarracha sifatida faqat yorug'lik tezligida harakatlanishi mumkin. Aks holda, foton o'lishi kerak. Demak, dam olayotgan foton haqida gapirishning ma'nosi yo'q!

Qayta ko'rib chiqish orqali termal nurlanish va fotoelektrik effekt, yorug'lik porsiyalarda chiqariladi va so'riladi deb taxmin qilingan. Biroq, bu yorug'likning zarrachalar - fotonlar shaklida mavjudligini isbotlamaydi. Yorug'likning kvant (ya'ni to'lqin emas) nazariyasi foydasiga fotonlarning impulsi namoyon bo'ladigan effektlar muhim dalillardir. Jismning impuls momentining mavjudligi uning har bir vaqt momentida harakat yo'nalishini aniqlashga teng.

Fotonning massasi yo'qligi sababli, bu zarrachaning impulsini odatiy tarzda ko'rib chiqish ham mumkin emas (klassik mexanikada jismning impulsi. ) . Fotonning momentumini energiya bilan ifodalash mumkin:

(2.5)

Formulalar (2.4, 2.5) to'lqin xarakteristikalarini (chastota yoki to'lqin uzunligi) oddiy jismlarning xususiyatlari (massa, energiya, impuls) bilan bog'laydi. Bundan tashqari, agar biz to'rtta parametrdan birini (fotonning energiyasi yoki impulsi, yorug'likning chastotasi yoki to'lqin uzunligi) bilsak, qolganlarini tegishli formulalar yordamida avtomatik ravishda hisoblashimiz mumkin. Ya'ni, siz ushbu parametrlarning har qandayidan foydalanib yorug'lik xususiyatlarini tasvirlashingiz mumkin va bu foton bir vaqtning o'zida ham to'lqin, ham zarracha xususiyatlariga ega ekanligini aniq ko'rsatadi. U deyiladi to'lqin-zarralar ikkiligi. Parametrni tanlash muayyan vazifaga bog'liq.

Demak, impuls tushunchasi yordamida tasvirlangan hodisalardan biri bu engil bosim. Esingizda bo'lsin, bosim - bu miqdor P, impulsga teng ∆p, vaqt birligida sirt birligiga o'tkaziladi . Yorug'lik bosimi fotonlarning o'z impulsini sirtga o'tkazishi bilan bog'liq bo'lib, u (2.5) formula bilan aniqlanadi.

Birlik maydoniga tushgan yorug'lik oqimi o'z ichiga oladi N fotonlar. Oddiylik uchun monoxromatik yorug'lik to'lqinini ko'rib chiqing. Agar berilgan sirt uchun aks ettirish koeffitsienti bo'lsa ρ, keyin sirtdan aks etadi r N fotonlar, lekin so'riladi (1–r) N. Har bir so'rilgan foton sirtga impuls beradi , va har bir aks ettirilgan ikki tomonlama impuls , chunki foton aks ettirilganda impuls teskari tomonga o'zgaradi (dan R oldin -R), ya'ni impuls moduli ga o'zgaradi ∆r=2r foton.

To'liq impuls, sirtga uzatiladi, ga teng

(2.7)

Shunday qilib, yorug'lik yuzasiga ta'sir qiladigan bosim fotonlarning energiyasiga, ularning yorug'lik oqimidagi zichligiga proportsionaldir ( Yoʻq oqim zichligi yoki sirtga tushgan fotonlar sonining ushbu sirt maydoniga nisbati), shuningdek, tana sirtining aks ettirish qobiliyatiga bog'liq.

Bu xulosalar 1901 yilda P. N. Lebedev tomonidan eksperimental tarzda tasdiqlangan. U suspenziyani ishlab chiqdi (2.4-rasm), uning ustiga juda nozik metall "qanotlar" eng engil shisha ipga - qalinligi 0,01 - 0,1 mm bo'lgan quyuq va engil disklarga o'rnatildi. Bunday qalinlikda qanotlar bir xil haroratga ega edi, bu esa harorat gradienti uchun tuzatishlar kiritmaslikka imkon berdi (turli chuqurliklarda joylashgan qatlamlarning haroratidagi farq).

Guruch. 2.4. Lebedev tajribasi sxemasi

Süspansiyon evakuatsiya qilingan sharga joylashtirildi, harakatlanuvchi oynalar tizimi yorug'likni qanotlarning ikkala yuzasiga yo'naltirishga imkon berdi. Yoritilgan qanotli filamentning burilish burchagidan yorug'lik bosimi aniqlandi. Olingan natijalar nazariy jihatdan bashorat qilingan natijalarga to'g'ri keldi, xususan, qanotlarning qoraygan yuzasiga yorug'lik bosimi oyna yuzasiga qaraganda ikki baravar kam ekanligi ma'lum bo'ldi.

Yorug'lik bosimi, albatta, past. Masalan, tabiiy quyosh nurining Yer yuzasidagi bosimini ko'rib chiqing. Tananing aks ettirish qobiliyati juda kichik bo'lsa ham, sirt tomonidan boshdan kechiriladigan bosim taxminan 350 10 -10 mm Hg bo'ladi. Art. Taqqoslash uchun - Atmosfera bosimi Yer yuzasida 750 mm Hg ni tashkil qiladi. Art., ya'ni 10 ta kattalikdagi buyurtmalar.

Kompton effekti

Dunyoning mavjudligi korpuskulyar xususiyatlar fotonlarning Kompton tarqalishi bilan ham tasdiqlangan. Effekt 1923 yilda ushbu hodisani kashf etgan odam sharafiga nomlangan Amerikalik fizik Artur Xolli Kompton. U sochilishni o'rgangan rentgen nurlari turli moddalar bo'yicha.

Kompton effekti- fotonlarning tarqalishi paytida ularning chastotasining (yoki to'lqin uzunligining) o'zgarishi. Buni rentgen fotonlari erkin elektronlar yoki yadrolar tomonidan sochilganida, gamma nurlanish tarqalganda kuzatilishi mumkin.

Guruch. 2.5. Kompton effektini o'rganish uchun sozlash sxemasi.

Tr- rentgen trubkasi

Komptonning tajribasi quyidagicha edi: u chiziq deb ataladigan narsadan foydalangan K a to'lqin uzunligi bilan molibdenning xarakterli rentgen spektrida λ 0 = 0,071 nm. Bunday nurlanishni molibden anodini elektronlar bilan bombardimon qilish orqali olish mumkin (2.5-rasm), diafragma va filtrlar tizimi yordamida boshqa to'lqin uzunliklarining nurlanishini kesish ( S). Monoxromatik rentgen nurlanishining grafit nishoni orqali o'tishi ( M) fotonlarning ma'lum burchaklarda tarqalishiga olib keladi φ , ya'ni fotonlarning tarqalish yo'nalishini o'zgartirish. Detektor bilan o'lchash orqali ( D) turli burchaklarda tarqalgan fotonlarning energiyasi, ularning to'lqin uzunligini aniqlash mumkin.

Ma'lum bo'lishicha, tarqalgan nurlanish spektrida tushayotgan nurlanish bilan mos keladigan nurlanish bilan bir qatorda kamroq foton energiyasiga ega bo'lgan nurlanish ham mavjud. Bunda hodisaning to‘lqin uzunliklari va tarqoq nurlanish o‘rtasidagi farq ∆ λ = λ – λ 0 qanchalik katta bo'lsa, foton harakatining yangi yo'nalishini aniqlaydigan burchak qanchalik katta bo'lsa. Ya'ni, to'lqin uzunligi uzunroq bo'lgan fotonlar katta burchak ostida tarqaldi.

Bu ta'sirni klassik nazariya bilan isbotlab bo'lmaydi: yorug'likning to'lqin uzunligi tarqalish paytida o'zgarmasligi kerak, chunki yorug'lik to'lqinining davriy maydoni ta'sirida elektron maydon chastotasi bilan tebranadi va shuning uchun har qanday burchakda bir xil chastotali ikkilamchi to'lqinlarni chiqarishi kerak.

Kompton effektining tushuntirishi yorug'likning kvant nazariyasi tomonidan berilgan, unda yorug'likning tarqalishi jarayoni sifatida qaraladi. fotonlarning materiya elektronlari bilan elastik to'qnashuvi. Bu to'qnashuvda foton o'z energiyasi va impulslarini elektron qismiga aynan ikki jismning elastik to'qnashuvidagi kabi ularning saqlanish qonunlariga muvofiq o'tkazadi.

Guruch. 2.6. Fotonning kompton sochilishi

Fotonning relativistik zarrachasining elektron bilan o'zaro ta'siridan so'ng, ikkinchisi juda yuqori tezlikni olishi mumkinligi sababli, energiyaning saqlanish qonuni relativistik shaklda yozilishi kerak:

(2.8)

Qayerda hv 0 va hn mos ravishda hodisa va tarqoq fotonlarning energiyalari, mc 2 – relativistik energiya elektronning qolgan qismi to'qnashuvdan oldingi elektronning energiyasidir, e e foton bilan to'qnashuvdan keyingi elektronning energiyasi. Impulsning saqlanish qonuni quyidagi shaklga ega:

(2.9)

qayerda p0 va p to'qnashuvdan oldingi va keyingi foton momentlari, pe- foton bilan to'qnashuvdan keyingi elektronning impulsi (to'qnashuvdan oldin elektronning impulsi nolga teng).

Biz (2.30) ifodani kvadratga aylantiramiz va ko'paytiramiz 2 dan beri.

DA zamonaviy talqin kvant gipotezasi energiya ekanligini ta'kidlaydi E atom yoki molekulaning tebranishlari teng bo'lishi mumkin h v, 2 h v, 3 h n, va hokazo, lekin ning ketma-ket ikkita butun sonli ko'paytmalari o'rtasida energiya bilan tebranishlar mavjud emas. Bu shuni anglatadiki, energiya asrlar davomida ishonilganidek, uzluksiz emas, balki kvantlangan , ya'ni. faqat qat'iy belgilangan diskret qismlarda mavjud. Eng kichik qismi deyiladi energiya kvanti . Kvant gipotezasini atom-molekulyar darajadagi tebranishlar hech qanday amplitudalar bilan sodir bo'lmaydi degan bayonot sifatida ham shakllantirish mumkin. Ruxsat etilgan amplituda qiymatlari tebranish chastotasi bilan bog'liq ν .

1905 yilda Eynshteyn kvant gipotezasini umumlashtiruvchi dadil g'oyani ilgari surdi va uni yangi yorug'lik nazariyasi asosiga qo'ydi ( kvant nazariyasi fotoelektr effekti). Eynshteyn nazariyasiga ko'ra , chastotali yorug'likν nafaqat chiqarilgan, Plank taklif qilganidek, balki tarqaladi va modda tomonidan alohida qismlarda (kvanta) so'riladi., kimning energiyasi. Shunday qilib, yorug'likning tarqalishini uzluksiz to'lqin jarayoni sifatida emas, balki kosmosda lokalizatsiya qilingan, vakuumda yorug'lik tarqalish tezligida harakatlanadigan diskret yorug'lik kvantlari oqimi sifatida ko'rib chiqish kerak ( Bilan). Elektromagnit nurlanish kvanti deyiladi foton .

Yuqorida aytib o'tganimizdek, metall yuzasiga tushadigan nurlanish ta'sirida elektronlarning chiqishi elektromagnit to'lqin sifatidagi yorug'lik tushunchasiga mos keladi, chunki elektromagnit to'lqinning elektr maydoni metalldagi elektronlarga ta'sir qiladi va ularning bir qismini tortib oladi. Ammo Eynshteyn to'lqin nazariyasi va yorug'likning foton (kvant korpuskulyar) nazariyasi tomonidan bashorat qilingan fotoelektr effektining tafsilotlari sezilarli darajada farq qilishiga e'tibor qaratdi.

Shunday qilib, biz to'lqin va foton nazariyasiga asoslanib, chiqarilgan elektronning energiyasini o'lchashimiz mumkin. Qaysi nazariya afzalroq degan savolga javob berish uchun fotoeffektning ba'zi tafsilotlarini ko'rib chiqaylik.

dan boshlaylik to'lqin nazariyasi, va deylik plastinka yoritilgan monoxromatik yorug'lik . Yorug'lik to'lqini quyidagi parametrlar bilan tavsiflanadi: intensivlik va chastota(yoki to'lqin uzunligi). To'lqinlar nazariyasi bu xususiyatlar o'zgarganda quyidagi hodisalar sodir bo'lishini taxmin qiladi:

Yorug'likning kuchayishi bilan, chiqarilgan elektronlar soni va ularning maksimal energiya ortishi kerak, chunki yuqori yorug'lik intensivligi katta amplitudani anglatadi elektr maydoni, va kuchliroq elektr maydoni ko'proq energiyaga ega elektronlarni tortib oladi;

chiqarilgan elektronlar; kinetik energiya faqat tushayotgan yorug'lik intensivligiga bog'liq.

Foton (korpuskulyar) nazariyasida butunlay boshqacha bashorat qilingan. Birinchidan, shuni ta'kidlaymizki, monoxromatik nurda barcha fotonlar bir xil energiyaga ega (teng h v). Yorug'lik nurining intensivligining oshishi nurdagi fotonlar sonining ko'payishini anglatadi, lekin chastota o'zgarmagan bo'lsa, ularning energiyasiga ta'sir qilmaydi. Eynshteyn nazariyasiga ko'ra, bitta foton metall bilan to'qnashganda, uning yuzasidan elektron chiqariladi. Bunday holda, fotonning barcha energiyasi elektronga o'tadi va foton mavjud bo'lishni to'xtatadi. Chunki elektronlar metallda jozibador kuchlar tomonidan ushlab turiladi, metall yuzasidan elektronni urib tushirish uchun minimal energiya talab qilinadi. A(bu ish funktsiyasi deb ataladi va ko'pchilik metallar uchun bir necha elektron voltlik tartib qiymati). Agar tushayotgan yorug'likning chastotasi n kichik bo'lsa, u holda fotonning energiyasi va energiyasi elektronni metall yuzasidan urib tushirish uchun etarli emas. Agar , u holda elektronlar metall yuzasidan uchib chiqib ketadi va bu jarayonda energiya saqlanib qoladi, ya'ni. foton energiyasi ( h n) bu kinetik energiya chiqarilgan elektron va elektronni metalldan urib tushirish ishi:

(2.3.1) tenglama chaqiriladi Tashqi fotoelektr effekti uchun Eynshteyn tenglamasi.

Ushbu mulohazalarga asoslanib, yorug'likning foton (korpuskulyar) nazariyasi quyidagilarni taxmin qiladi.

1. Yorug'lik intensivligining oshishi metall yuzasidan ko'proq elektronlarni chiqarib yuboradigan tushayotgan fotonlar sonining ko'payishini anglatadi. Ammo fotonlarning energiyasi bir xil bo'lgani uchun elektronning maksimal kinetik energiyasi o'zgarmaydi ( tasdiqlangan I fotoelektr qonuni).

2. Tushgan nur chastotasining ortishi bilan elektronlarning maksimal kinetik energiyasi Eynshteyn formulasiga (2.3.1) muvofiq chiziqli ravishda ortadi. ( Tasdiqlash II fotoeffekt qonuni). Ushbu bog'liqlikning grafigi rasmda ko'rsatilgan. 2.3.

,

Guruch. 2.3

3. Agar n chastotasi kritik chastotadan kichik bo'lsa, u holda sirtdan elektronlar chiqarilmaydi (III). qonun).

Shunday qilib, biz korpuskulyar (foton) nazariyaning bashoratlari to'lqinlar nazariyasining bashoratlaridan juda farq qilishini ko'ramiz, lekin ular uchta eksperimental nazariyaga juda mos keladi. belgilangan qonunlar fotoelektrik effekt.

Eynshteyn tenglamasi Millikanning 1913-1914 yillarda o'tkazgan tajribalari bilan tasdiqlangan. Stoletov tajribasidan asosiy farqi shundaki, metall yuzasi vakuumda tozalangan. Maksimal kinetik energiyaning chastotaga bog'liqligi o'rganildi va Plank doimiysi aniqlandi h.

1926 yilda rus fiziklari P.I. Lukirskiy va S.S. Prilejaev fotoeffektni o'rganish uchun vakuumli sferik kondansatör usulidan foydalangan. Anod shisha sferik idishning kumush bilan qoplangan devorlari, katod esa to'p edi ( R≈ 1,5 sm) sharning o'rtasiga joylashtirilgan tekshirilayotgan metalldan. Elektrodlarning bu shakli CVC qiyaligini oshirishga va shu bilan sekinlashtiruvchi kuchlanishni aniqroq aniqlashga imkon berdi (va, shuning uchun, h). Plank doimiysining qiymati h Ushbu tajribalar natijasida olingan qiymatlar boshqa usullar bilan (qora tana nurlanishi va uzluksiz rentgen spektrining qisqa to'lqinli chegarasi bo'yicha) topilgan qiymatlarga mos keladi. Bularning barchasi Eynshteyn tenglamasining to'g'riligi va shu bilan birga fotoelektr effektining kvant nazariyasining isbotidir.

Termal nurlanishni tushuntirish uchun Plank yorug'lik kvantlarda chiqariladi deb faraz qildi. Eynshteyn fotoeffektni tushuntirar ekan, yorug'lik kvantlar tomonidan yutiladi, deb taklif qildi. Eynshteyn, shuningdek, yorug'lik kvantlarda tarqalishini taklif qildi, ya'ni. qismlar. Yorug'lik energiyasining kvanti deyiladi foton . Bular. yana korpuskula (zarracha) tushunchasiga keldi.

Eynshteyn gipotezasining eng to'g'ridan-to'g'ri tasdig'i tasodif usulini qo'llagan Bothe tajribasidan kelib chiqdi (2.4-rasm).

Guruch. 2.4

Yupqa metall folga F ikkita gaz chiqarish hisoblagichlari orasiga joylashtirilgan o'rta. Folga zaif rentgen nurlari bilan yoritilgan, uning ta'siri ostida uning o'zi rentgen nurlari manbai bo'lgan (bu hodisa rentgen nurlari floresansi deb ataladi). Birlamchi nurning past intensivligi tufayli folga chiqaradigan kvantlar soni kichik edi. Kvantlar hisoblagichga urilganda, mexanizm ishladi va harakatlanuvchi qog'oz lentada belgi qo'yildi. Agar nurlanish energiyasi barcha yo'nalishlarda bir xilda taqsimlangan bo'lsa, to'lqin tasvirlaridan kelib chiqqan holda, ikkala hisoblagich bir vaqtning o'zida ishlashi kerak edi va lentadagi belgilar bir-biriga qarama-qarshi tushib ketgan bo'lar edi. Aslida, belgilarning mutlaqo tasodifiy tartibi mavjud edi. Buni faqat alohida emissiya aktlarida yorug'lik zarralari paydo bo'lishi bilan izohlash mumkin, ular avval bir yo'nalishda, so'ngra boshqa yo'nalishda uchadi. Shunday qilib, maxsus yorug'lik zarralari - fotonlarning mavjudligi eksperimental tarzda isbotlangan.

Foton energiyaga ega . Uchun ko'rinadigan yorug'lik to'lqin uzunligi l = 0,5 mkm va energiya E= 2,2 eV, rentgen nurlari uchun l = mkm va E= 0,5 eV.

Foton inertial massaga ega , bu munosabatdan topish mumkin:

Foton yorug'lik tezligida harakat qiladi c\u003d 3 10 8 m / s. Ushbu tezlik qiymatini relativistik massa ifodasiga almashtiramiz:

.

Foton - bu tinch massaga ega bo'lmagan zarracha. U faqat yorug'lik tezligida harakat qilganda mavjud bo'lishi mumkin c .

Fotonning energiyasi va impulsi o'rtasidagi bog'liqlikni topaylik.

Biz impulsning relativistik ifodasini bilamiz:

Va energiya uchun:

Eynshteynning yorug'lik kvantlari haqidagi gipotezasiga ko'ra, yorug'lik chiqariladi, so'riladi va diskret qismlarda (kvanta) tarqaladifotonlar.

Foton energiyasi E = h .

Og'irligi harakatlar foton m γ massa va energiya munosabatlari qonunidan topiladi

Foton - har doim yorug'lik tezligida harakatlanadigan elementar zarracha. Bilan va uning tinch massasi nolga teng. Shuning uchun fotonning massasi bundaylarning massasidan farq qiladi elementar zarralar, elektron, proton va neytron kabi, ular nolga teng bo'lmagan tinch massaga ega va tinch holatda bo'lishi mumkin.

foton impulsi R γ formula bilan aniqlanadi

. (1.20)

Shunday qilib, biz ko'rib turganimizdek, foton, boshqa zarralar kabi, xarakterlidir energiya, og'irlik va impuls.

Agar fotonlar impulsga ega bo'lsa, u holda tanaga tushgan yorug'lik unga ta'sir qilishi kerak. bosim. Kvant nazariyasi nuqtai nazaridan yorug'likning sirtdagi bosimi har bir foton sirt bilan to'qnashganda o'z impulsini unga o'tkazishi bilan bog'liq.

Engil bosim formula bilan aniqlanadi

, (1.21)

qayerda yorug'likni aks ettirish koeffitsienti; E 0 vaqt birligida birlik yuzasiga tushadigan energiya (radiatsiya quvvati E 0 = Nhv, qayerda N soniyada birlik yuzasiga tushadigan fotonlar soni).

§1.3 Moddaning elektromagnit nurlanishining ikki tomonlama tabiati

Kompton effekti

Kompton effekti qisqa to'lqinli elektromagnit nurlanishning (rentgen va g - nurlanish) moddaning erkin (yoki zaif bog'langan) elektronlariga to'lqin uzunligining oshishi bilan birga keladigan elastik tarqalishi deb ataladi.

Kompton effektining izohi yorug'lik tabiatining kvant tushunchalari asosida berilgan. Agar nurlanish korpuskulyar xarakterga ega deb hisoblasak, ya'ni. fotonlar oqimini ifodalaydi, keyin Kompton effekti rentgen fotonlarining moddaning erkin elektronlari bilan elastik to'qnashuvi natijasidir (engil atomlar uchun elektronlar atom yadrolari bilan zaif bog'langan, shuning uchun ularni erkin deb hisoblash mumkin) . Ushbu to'qnashuv vaqtida foton o'z energiyasi va impulslarini elektron qismiga ularning saqlanish qonunlariga muvofiq o'tkazadi.

Kompton eksperimental ravishda quyidagi ifodani oldi

qayerda λ 1 tarqoq kvantning to'lqin uzunligi; λ tushayotgan kvantning to'lqin uzunligi; λ uchun =2,43∙10 -12 m - Kompton to'lqin uzunligi(foton elektron tomonidan tarqalganda); m 0 elektronning qolgan massasi; tarqalish burchagi hisoblanadi.

Agar elektron atom bilan kuchli bog'langan bo'lsa, u holda foton sochilganida, ikkinchisi energiya va impulsni elektronga emas, balki butun atomga o'tkazadi. Atomning massasi elektronning massasidan ko'p marta katta. Shuning uchun, foton energiyasining faqat kichik bir qismi atomga o'tkaziladi, shuning uchun to'lqin uzunligi λ 1 tarqalgan nurlanish deyarli to'lqin uzunligidan farq qilmaydi λ radiatsiya hodisasi. Atomlarda kuchli bog'langan elektronlarning ulushi atomlarning massasi bilan ortadi. Shuning uchun, tarqaladigan materialning atomlari qanchalik og'ir bo'lsa, o'zgarmagan komponentning nisbiy intensivligi shunchalik katta bo'ladi ( λ 1 =λ ) tarqoq nurlanishda.

Erkin va bog'langan elektronlarda sodir bo'ladigan fotonlarning tarqalishidan farqli o'laroq, fotonlar faqat so'rilishi mumkin. bog'liq elektronlar. Masalan, qachon tashqi fotoelektr effekti foton bog'langan elektron tomonidan so'riladi, u olingan energiyaning bir qismini ish funktsiyasini bajarish uchun sarflaydi, bu elektronning moddadagi bog'lanishining o'lchovidir.

Fotonning erkin elektron tomonidan yutilishi mumkin emas, chunki bu jarayon energiya va impulsning saqlanish qonunlariga zid keladi.