Вопрос 60 Корпускулярно – волновой дуализм

Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и рас­пространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона . Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии:

(6.13)

Фотон — элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоро­стью света с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя.

Импульс фотона получим, подставив значение массы из (6.13):

 

(6.14)

 

Из приведенных рассуждений следует, что фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом. Выражения (6.13), (6.14) связывают корпускулярные характеристики фотона — массу, импульс и энергию — с волновой характеристикой света — его частотой , или длиной волны .

Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. Согласно квантовой теории, давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.

Рассчитаем с точки зрения квантовой теории световое давление, оказываемое на поверхность тела потоком монохроматического излучения (частота ), падающего перпендикулярно поверхности. Если в единицу времени на единицу площади поверх­ности тела падает фотонов, то при коэффициенте отражения света от поверхности тела фотонов отразится, а - поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс р_γ= hν/c, а каждый отраженный — 2р_γ = 2hν/c (при от­ражении импульс фотона изменяется на - p_γ). Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности в 1с N фотонов:

 

 

есть энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени, т. e. энергетическая освещенность поверхности, a - объ­емная плотность энергии излучения. Поэтому давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность:

 

(6.15)

 

Формула (6.15), выведенная на основе квантовых представлений, совпадает с выра­жением, получаемым из электромагнитной (волновой) теории Максвелла. Таким образом, давление света одинаково успешно объясняется и волновой, и кван­товой теорией. Как уже говорилось, экспериментальное доказательство существования светового давления на твердые тела и газы дано в опытах П. Н. Лебедева, сыгравших в свое время большую роль в утверждении теории Макс­велла.