Корпускулярно-волновая природа электромагнитного излучения

Одной из наиболее спорных в истории естествознания была проблема природы лучистой энергии – электромагнитного излучения. Взгляды физиков на природу света (волна или поток частиц), начиная с Исаака Ньютона (Newton), периодически изменялись. К концу XIX века общепринятым считалось, что электромагнитное излучение имеет волновую природу. Однако к началу XX века встала проблема описания явления излучения света нагретыми телами. Не удавалось создать на основе классической электродинамики модель, объясняющую излучательную способность нагретых тел.

Для математического описания этого процесса Макс Планк (Planck) предложил гипотезу о квантовой природе процесса излучения (1900), согласно которой излучение энергии нагретым абсолютно черным телом происходит не непрерывно, как того требовала классическая теория, а дискретными порциями – квантами. Минимальная энергия – величина энергии кванта – пропорциональна частоте излучения:

E = h × n,

где h = 6, 6262× 10^-34 Дж × с – постоянная Планка, n – частота излучения, с^-1.

Альберт Эйнштейн (Einstein) высказал предположение о том, что идея квантования энергии относится не только к процессам поглощения и испускания света нагретыми телами, но и к излучению как таковому (1905). То есть электромагнитное излучение распространяется в виде дискретных частиц с энергией E = h n, названых впоследствии фотонами. Такие радикальные изменения во взглядах на природу света, предложенные Планком и Эйнштейном, нашли экспериментальное подтверждение в исследовании фотоэффекта – испускания электронов веществом под действием света. И особенно корпускулярные свойства электромагнитного излучения проявились в рассеянии рентгеновского излучения различными веществами – эффект Комптона (Compton), все особенности которого можно объяснить упругим столкновением фотонов рентгеновского излучения со слабосвязанными электронами.

Таким образом, поток электромагнитного излучения, с одной стороны, является волной, что наблюдается при интерференции и дифракции, а с другой стороны, – потоком частиц, что экспериментально проявляется в процессах испускания, поглощения и рассеяния излучения твердыми телами.

Используя выражение Планка для энергии кванта излучения и формулу Эйнштейна, показывающую взаимосвязь энергии частицы и ее массы (E = mc ²), можно связать характеристики фотона (масса, импульс) и характеристики волны (длина волны и частота):

E = h n E = mc ² ® h n = mc ²

n = c /l ® hc /l = mc ² ® m = h / c l  ® l = h / mc

p = m× c ® ;

h = 6, 6262 × 10^-34 Дж× с – постоянная Планка; n – частота излучения, с^-1; m – масса фотона, кг; c = 2, 9979× 10⁸ м/с – скорость света в вакууме; l – длина волны излучения, м; p – импульс фотона, Н/с.