Фотони. Щоб пояснити розподіл енергії в спектрі рівноважного теплового випромінювання, досить припустити, що світло тільки випускається порціями. Для пояснення фотоефекту досить припустити, що світло поглинається такими ж порціями. Ейнштейн пішов значно далі. Він висунув гіпотезу, що світло і поширюється у вигляді дискретних частинок. Згодом ці частинки отримали назву фотонів.
Існування фотонів підтверджено експериментально в досвіді Боті. Він показав, що енергія рентгенівських променів поширюється у вигляді порцій в ту чи іншу сторону (а не на всі боки одночасно як для електромагнітної хвилі).
Так як фотон рухається зі швидкістю світла в будь-якій інерційній системі відліку, то він згідно з принципами теорії відносності не володіє масою спокою. Енергія фотона визначається його частотою
Для частинок, що не володіють масою спокою, імпульс пов'язаний з енергією співвідношенням. Для фотона отримуємо
Оскільки фотони володіють імпульсом, то світло, що падає на тіло, повинен надавати на нього тиск. Розрахуємо з точки зору квантової теорії світлове тиск, який чиниться на поверхню тіла потоком монохроматичноговипромінювання (частота w), що падає перпендикулярно поверхні. Якщо в одиницю часу на одиницю площі падає N фотонів, то при коефіцієнті відбиття r світла від поверхні rN фотонів відіб'ється, а (1-r) N - поглине. Кожен поглинений фотон передає поверхні імпульс. а кожен відбитий - (при відображенні імпульс фотона змінює напрямок). Тому тиск світла
є енергія всіх фотонів, що падають на одиницю поверхні в одиницю часу, тобто енергетичної освітленості поверхні, а - об'ємна щільність енергії випромінювання. Тому
Формула (18-22) збігається з виразом, що одержуються з електромагнітної (хвильової) теорії Максвелла.
Ефект Комптона. Особливо виразно проявляється корпускулярні властивості світла в явищі, яке отримало назву ефекту Комптона. Досліджуючи розсіювання рентгенівських променів різними речовинами, він виявив, що в розсіяних променях, поряд з випромінюванням початкової довжини l містяться також промені більшої довжини хвилі l ¢. Різниця Dl = l ¢ -l виявилася залежною тільки від кута q між напрямком первинного пучка і розсіяним випромінюванням.
Ефект Комптона обумовлений пружним розсіюванням рентгенівського випромінювання на вільних (або слабосвязанних) електронах речовини, яке супроводжується збільшенням довжини хвилі. Цей ефект не вкладається в рамки хвильової теорії, згідно з якою довжина хвилі при розсіюванні змінюватися не повинна: під дією періодичного поля світлової хвилі електрон коливається з частотою поля і тому випромінює розсіяні хвилі тієї ж частоти.
Всі особливості ефекту Комптона можна пояснити на основі квантових уявлень про природу світла, розглядаючи розсіяння як пружне зіткнення рентгенівських фотонів з вільними електронами. При зіткненні фотон передає електрону частину енергії і імпульсу відповідно до законів збереження.
Розглянемо пружне зіткнення двох частинок (ріс.18.4) - налітає фотона, що володіє імпульсом і енергією. з спочиваючим вільним електроном (енергія спокою. - маса спокою електрона). Відповідно до закону збереження енергії
Відповідно до закону збереження імпульсу
У формулах (18-23), (18-24) p - імпульс, а - енергія електрона після зіткнення, - енергія, а - імпульс розсіяного фотона. Перетворимо (18-24) до виду
Підставивши в (18-23) і (18-25) значення величин і позначивши через q кут розсіювання фотона, отримаємо
Вирішуючи спільно рівняння (18-26) і (18-27), отримаємо
Оскільки і. отримаємо
де називається комптонівської довжиною хвилі розглянутої частки, в даному випадку електрона. Для електрона.
Як ефект Комптона, так і фотоефект обумовлені взаємодією фотонів з електронами. У першому випадку фотон розсіюється, у другому - поглинається. Розсіювання відбувається при взаємодії фотона з вільним або зв'язаним електроном, а фотоефект - зі зв'язаним електроном. Можна показати, що при зіткненні фотона з вільним електроном не може відбутися поглинання фотона, так як цей процес суперечить законам збереження енергії і імпульсу. Тому при взаємодії фотонів з вільними електронами може спостерігатися тільки їх розсіювання, тобто ефект
Атоми і їх спектри. Елементи атомної фізики. Моделі атома Томсона і Резерфорда. Лінійчатий спектр атома водню. Постулати Бора. Досліди Франка і Герца. Спектр атома водню по Бору.