Волновые и квантовые свойства света

Статья раскрывает сущность квантовых свойств света. Рассказывает о том, как их открыли, и к чему это привело.

Планк и квант

В конце девятнадцатого – начале двадцатого века в научных кругах считалось, что в физике понятно абсолютно все. Самыми передовыми знаниями в тот момент были уравнения Максвелла и изучение различных явлений, связанных с электричеством. Молодым людям, которые стремились заниматься наукой, не рекомендовали идти в физику: ведь там могли быть только рутинные исследования, которые не обеспечивали каких-то прорывов. Однако по иронии судьбы именно такое исследование свойств уже давно знакомого феномена раскрыло путь к новым горизонтам знания.

Волновые и квантовые свойства света начались с открытия Макса Планка. Он изучал спектр абсолютного черного тела и пытался найти наиболее подходящее математическое описание его излучения. В итоге пришел к выводу, что в уравнение нужно ввести некую минимальную неделимую величину, которую он назвал «квантом действия». И, так как это был лишь способ «срезать угол» для более простой математической формулы, он не придал этой величине какого-либо физического смысла. Однако другие ученые, например, А. Эйнштейн и Э. Шредингер, заметили потенциал такого явления, как квант, и дали развитие новому разделу физики.

Надо сказать, что сам Планк до конца так и не поверил в фундаментальность своего открытия. Ученый, пытаясь опровергнуть квантовые свойства света, кратко переписывал свою формулу, пускаясь в различные математические ухищрения, чтобы избавиться от этой величины. Но у него ничего не вышло: джинна уже выпустили из бутылки.

Свет – квант электромагнитного поля

После открытия Планка уже известный факт, что свет обладает волновыми свойствами, дополнился другим: фотон – это квант электромагнитного поля. То есть свет состоит из очень маленьких неделимых пакетов энергии. Каждый из этих пакетов (фотон) характеризуется частотой, длиной волны и энергией, причем все эти величины связаны между собой. Скорость распространения света в вакууме максимальна для известной вселенной и составляет около трехсот тысяч километров в секунду.

Надо отметить, что квантуются (то есть распадаются на наименьшие неделимые части) и другие величины:

• глюонное поле;
• гравитационное поле;
• коллективные движения атомов кристалла.

Квант: отличие от электрона

Не стоит думать, что в каждом виде поля есть некая наименьшая величина, которая называется квантом: в электромагнитной шкале присутствуют как волны очень маленькие и высокоэнергетические (например, рентгеновское излучение), так и очень большие, но при этом «слабые» (например, радиоволны). Просто каждый квант путешествует в пространстве как единое целое. Фотоны, стоит отметить, способны терять часть своей энергии при взаимодействии с непреодолимыми потенциальными барьерами. Это явление называется «туннелирование».

Взаимодействие света и вещества

После столь яркого открытия посыпались вопросы:

1. Что происходит с квантом света, когда он взаимодействует с веществом?
2. Куда девается энергия, переносимая фотоном, когда он сталкивается с молекулой?
3. Почему может поглощаться одна длина волны, а излучаться другая?

Главное, что было доказано явление давления света. Этот факт давал новый повод для размышлений: значит, фотон обладал импульсом и массой. Принятый после этого корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц сильно облегчил понимание происходящего в этом мире безумия: результаты не укладывались ни в какую существовавшую до того логику.

Передача энергии

Дальнейшие исследования только подтвердили квантовые свойства света. Фотоэффект показал, каким образом передается энергия фотона веществу. Наряду с отражением и поглощением освещение способно вырвать электроны с поверхности тела. Каким же образом это происходит? Фотон передает свою энергию электрону, тот становится более подвижным и получает способность преодолеть силу связи с ядрами вещества. Электрон покидает свою родную стихию и устремляется куда-то вне привычного окружения.

Виды фотоэффекта

Подтверждающее квантовые свойства света явление фотоэффекта имеет разные виды и зависит от того, с каким именно твердым телом сталкивается фотон. Если он сталкивается с проводником, то электрон покидает вещество, как уже было описано выше. Это составляет суть внешнего фотоэффекта.

Но если освещается полупроводник или диэлектрик, то электроны не покидают пределы тела, зато перераспределяются, облегчая движение носителей заряда. Таким образом, явление улучшения проводимости при освещении называется внутренним фотоэффектом.

Формула внешнего фотоэффекта

Как ни странно, но внутренний фотоэффект весьма сложен для понимания. Необходимо знать зонную теорию поля, разбираться в переходах через запрещенную зону и понимать суть электронно-дырочной проводимости полупроводников, чтобы в полной мере осознать важность этого явления. К тому же внутренний фотоэффект не так часто используется на практике. Подтверждая квантовые свойства света, формулы внешнего фотоэффекта ограничивают слой, из которого свет способен вырывать электроны.

hν=A+W,

где h – постоянная Планка, ν – квант света определенной длины волны, A – работа, которая совершается электроном, чтобы покинуть вещество, W – кинетическая энергия (а значит, и скорость), с которой он вылетает.

Таким образом, если вся энергия фотона тратится только на выход электрона из тела, то на поверхности он будет иметь нулевую кинетическую энергию и фактически не сможет вырваться. Таким образом, и внутренний фотоэффект имеет место в достаточно тонком внешнем слове освещенного вещества. Это сильно ограничивает его применение.

Есть вероятность, что оптический квантовый компьютер все-таки будет использовать внутренний фотоэффект, но такой технологии пока не существует.

Законы внешнего фотоэффекта

В то же время не совсем бесполезны квантовые свойства света: фотоэффект и его законы позволяют создавать источник электронов. Притом, что сформулированы эти законы были в полной мере Эйнштейном (за что он и получил Нобелевскую премию), возникали различные предпосылки намного раньше двадцатого века. Появление тока при освещении электролита впервые наблюдалось уже в начале девятнадцатого века, в 1839 году.

Всего законов три:

1. Сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности светового потока.
2. Максимальная кинетическая энергия электронов, покидающих вещество под действием фотонов, зависит от частоты (следовательно, и энергии) падающего излучения, но при этом не зависит от интенсивности.
3. Каждое вещество при одинаковом типе поверхности (гладкая, выпуклая, шероховатая, ноздреватая) имеет красную границу фотоэффекта. То есть существует такая наименьшая энергия (а значит и частота) фотона, которая еще отрывает электроны от поверхности.

Все эти закономерности логичны, но их стоит рассмотреть подробнее.

Объяснение законов фотоэффекта

Первый закон означает следующее: чем больше фотонов падает на один квадратный метр площади поверхности за секунду, тем больше электронов этот свет способен «отобрать» у освещаемого вещества.

Примером может служить баскетбол: чем чаще игрок бросает мяч, тем чаще он попадет. Конечно, если игрок достаточно хорош и не травмировался во время матча.

Второй закон фактически дает частотную характеристику вылетающих электронов. Частота и длина волны фотона определяют его энергию. В видимом спектре наименьшую энергию имеет красный свет. И как много красных фотонов ни посылает лампа на вещество, они способны передать электронам только низкую энергию. Следовательно, даже если они были вырваны с самой поверхности и почти не совершали работу выхода, то их кинетическая энергия не может быть выше определенного порога. Но если мы осветим то же вещество фиолетовыми лучами, то скорость наиболее быстрых электронов будет намного выше, даже если фиолетовых квантов будет очень мало.

В третьем законе есть две составляющие – красная граница и состояние поверхности. От того, отполирован металл или шероховат, есть ли в нем поры, или он гладок, зависит много факторов: сколько фотонов отразится, как они перераспределятся по поверхности (очевидно, что в ямы попадет меньше света). Так что сравнивать между собой можно разные вещества только с одинаковым состоянием поверхности. А вот энергия фотона, который еще способен оторвать электрон от вещества, зависит только от типа вещества. Если ядра не очень сильно притягивают к себе носители заряда, то и энергия фотона может быть ниже, а, следовательно, красная граница глубже. А если ядра вещества держат свои электроны крепко и не желают с ними расставаться так просто, то красная граница смещается в зеленую сторону.