Теория:
Энергетическая освещённость поверхности \(W\) равна отношению энергии падающих фотонов к площади поверхности и времени поглощения. Под корпускулярными свойствами света понимается ряд явлений (например, излучение и поглощение), в которых свет удобно описывать как поток частиц — квантов электромагнитного излучения (фотонов).
Энергия одного фотона определяется выражением:
\(\boxed{E=h\nu=\hbar \omega}\), (\(1\))
где \(\hbar=h/2\pi\) — это приведённая постоянная Планка.
Пользуясь формулой \(E=mc^2\), получим массу фотона:
\(m=\frac{h\nu}{c^2}\). (\(2\))
При этом стоит помнить, что фотон всегда движется со скоростью света, поэтому полагается, что масса покоя фотона равна нулю.
Используя формулу (\(2\)), получаем импульс фотона:
\(\boxed{p=mc=\frac{h \nu}{c}=\frac{h}{\lambda}}\). (\(3\))
Импульс фотона направлен в ту же сторону, в которую распространяется световой луч.
Если свет — это поток частиц, то при падении на какую-либо поверхность он оказывает давление. Это экспериментально было подтверждено в \(1900\) году русским физиком П. Н. Лебедевым.
В вакуумном сосуде на крутильные весы подвешен стержень, к которому крепятся крылышки. Эти крылышки с одной стороны покрашены в белый цвет, а с другой — в чёрный (рис. \(1\)).
Энергия одного фотона определяется выражением:
\(\boxed{E=h\nu=\hbar \omega}\), (\(1\))
где \(\hbar=h/2\pi\) — это приведённая постоянная Планка.
Пользуясь формулой \(E=mc^2\), получим массу фотона:
\(m=\frac{h\nu}{c^2}\). (\(2\))
При этом стоит помнить, что фотон всегда движется со скоростью света, поэтому полагается, что масса покоя фотона равна нулю.
Используя формулу (\(2\)), получаем импульс фотона:
\(\boxed{p=mc=\frac{h \nu}{c}=\frac{h}{\lambda}}\). (\(3\))
Импульс фотона направлен в ту же сторону, в которую распространяется световой луч.
Если свет — это поток частиц, то при падении на какую-либо поверхность он оказывает давление. Это экспериментально было подтверждено в \(1900\) году русским физиком П. Н. Лебедевым.
В вакуумном сосуде на крутильные весы подвешен стержень, к которому крепятся крылышки. Эти крылышки с одной стороны покрашены в белый цвет, а с другой — в чёрный (рис. \(1\)).
Рис. \(1\). Опыт П. Н. Лебедева
Из квантовой теории следует, что давление света при нормальном падении на поверхность описывается формулой:
\(P=\frac{F}{S}=\frac{(1+R)N}{\Delta t S h c}=(1+R)\frac{W}{c},\) (\(4\))
где \(R\) — коэффициент отражения поверхности, равный отношению количества отражённых фотонов к количеству падающих. Аналогичный результат получается и из теории Максвелла.
Таким образом, поскольку у чёрной поверхности \(R=0\), а у белой поверхности \(R=1\), давление света на белую поверхность в два раза больше, чем на чёрную, из-за чего система начинает вращаться до тех пор, пока не уравновесится пружиной крутильных весов.
\(P=\frac{F}{S}=\frac{(1+R)N}{\Delta t S h c}=(1+R)\frac{W}{c},\) (\(4\))
где \(R\) — коэффициент отражения поверхности, равный отношению количества отражённых фотонов к количеству падающих. Аналогичный результат получается и из теории Максвелла.
Таким образом, поскольку у чёрной поверхности \(R=0\), а у белой поверхности \(R=1\), давление света на белую поверхность в два раза больше, чем на чёрную, из-за чего система начинает вращаться до тех пор, пока не уравновесится пружиной крутильных весов.
Ещё одним подтверждением квантовой природы света являются опыты С. И. Вавилова. Гипотеза Вавилова заключалась в том, что глаз человека реагирует на какое-то минимальное число фотонов, называемое порогом чувствительности. Создавались вспышки света разной интенсивности, а наблюдатель нажимал на кнопку, если зарегистрировал вспышку. В результате было установлено, что порог чувствительности глаза — примерно \(100\) фотонов. При интенсивности света, значительно превышающей пороговую, все вспышки регистрировались наблюдателем, в то время как при интенсивности света, сравнимой с пороговой, наблюдатель то отмечал вспышку, то не замечал её.
Источники:
Рис. 1. Опыт П. Н. Лебедева. © ЯКласс.