§ 49. Явища, що пояснюються квантовими властивостями світла

Ефект Комптона. До експериментів, які були проведені на початку 20-х років ХХ ст. і підтвердили квантову природу світла, належить ефект Комптона, названий так на честь його відкривача Артура Комптона (1892-1962). Комптон вивчав розсіювання короткохвильового випромінювання різними речовинами, зокрема розсіювання фотонів рентгенівського випромінювання на вільних електронах у графіті та парафіні.

У ході досліджень Комптон виявив, що частота хвилі розсіяного світла менша від частоти падаючого світла. Відповідно довжина хвилі розсіяного фотона λ' більша за довжину хвилі падаючого фотона λ. Досліди показали, що різниця Δλ = λ' - λ не залежить від довжини падаючого світла і природи речовини, яка розсіює, а визначається тільки значенням кута розсіяння θ (мал. 221), а саме, визначається формулою

Мал. 221. Комптонівське розсіяння фотона

де

(m — маса електрона).

Вираз

називають комптонівською довжиною хвилі.

Зменшення частоти (збільшення довжини хвилі) вказувало на втрату енергії. Пояснити цей ефект у рамках електромагнітної теорії світла не вдавалось. Довжина хвилі розсіюваного випромінювання не має змінюватись, адже під його дією в речовині повинні утворитись електромагнітні хвилі тієї самої частоти, що й падаючого випромінювання.

Комптон показав, що виявлений ним ефект можна пояснити на основі квантової теорії світла, а саме, співударом налітаючого фотона з електроном речовини. Під час співудару падаючий фотон передає частину свого імпульсу електрону. Відповідно до закону збереження імпульсу:

звідси р_ф < р, тобто λ’ > λ.

Установлено, що ефект Комптона не спостерігається в діапазоні видимого випромінювання, оскільки енергія світлового кванта в цьому разі сумірна з енергією зв’язку електрона в атомі. Рентгенівський фотон має набагато більшу енергію, яка перевищує енергію зв’язку електрона в атомі, і тому зіткнення фотона з електроном відбувається за законами пружного удару. За таких умов спостерігається розсіювання рентгенівських променів, довжина хвилі яких при цьому зростає.

Дослід Боте. Ще один чудовий дослід, який безпосередньо підтверджував гіпотезу Альберта Ейнштейна про корпускулярну природу світла, зокрема й рентгенівського випромінювання, провів німецький фізик Вальтер Боте. У досліді Боте на певній відстані від джерела рентгенівського випромінювання розміщували два лічильники Гейгера — Мюллера (мал. 222). З курсу фізики 9 класу ви знаєте, що ці лічильники здатні реєструвати появу в них заряджених частинок, зокрема й вільних електронів. У досліді Боте поява вільних електронів була зумовлена фотоефектом або комптон-ефектом після попадання в лічильник рентгенівського випромінювання.

Мал. 222. Схема досліду Боте

Рентгенівські промені випромінювала звичайна рентгенівська трубка Р. Вони потрапляли на пластинку з тонкої металевої фольги Ф, унаслідок чого в ній також збуджувались рентгенівські промені, але інтенсивність їх була дуже слабкою. Ідея досліду полягала в тому, щоб зареєструвати електрони в лічильниках Л₁ і Л₂. Якщо збуджене рентгенівське випромінювання виходить із пластинки Ф у вигляді електромагнітної хвилі, то в обох лічильниках електрони мають виникати одночасно, і лічильники одночасно мали давати імпульс. Якщо ж рентгенівське випромінювання є потоком фотонів, кожний з яких випускається з пластинки Ф незалежно від інших, то одночасна реєстрація механізмами М₁ і М₂ (які робили відповідні відмітки на рухомій стрічці С) влучання в лічильники Л₁ і Л₂ рентгенівських фотонів має бути випадковою подією.

Дослід Боте показав, що одночасний показ лічильників справді випадковий, що є підтвердженням квантової природи рентгенівського випромінювання.

Фотохімічна дія світла. Поглинання світла речовиною може супроводжуватись також хімічною дією світла. Хімічна дія світла виявляється в тому, що світло викликає такі хімічні перетворення, які без світла не відбуваються. Хімічні реакції, що перебігають унаслідок дії світла, називають фотохімічними . Наприклад, під дією ультрафіолетового випромінювання з молекул кисню утворюються молекули озону, 3О₂ + hυ = 2О₃. Як видно, у процесі фотохімічної реакції кожний поглинутий фотон взаємодіє з однією молекулою.

Найважливішою фотохімічною реакцією є фотосинтез — процес утворення під дією світла вуглеводнів з виділенням кисню в рослинах і деяких мікроорганізмах за реакцією

Завдяки фотосинтезу на Землі зберігається безперервний кругообіг вуглецю й підтримується життя. Учені встановили, що фотосинтез хлорофілом вуглеводів, що містяться в рослинах, відбувається під дією червоних променів спектра сонячного світла. Приєднуючи до вуглеводневого ланцюга атоми інших елементів, одержуваних із ґрунту, рослини будують молекули вуглеводів, жирів і білків, створюючи їжу для людини й тварин.

Хімічну дію світла покладено в основу фотографії на фотоплівку (фотопластину). Основу такої фотографії становить фотохімічна реакція розкладу бромистого срібла. Зір людини також пояснюється особливими фотохімічними процесами, які відбуваються в сітківці ока.

Сьогодні такі приймачі випромінювання, як фотоемульсії, фотоелектронні помножувачі, електронно-оптичні перетворювачі (що перетворюють інфрачервоне випромінювання на видиме), ПЗЗ-матриці (від скорочення: прилади із зарядовим зв’язком), дають змогу астрономам реєструвати випромінювання небесних тіл у всьому діапазоні електромагнітного спектра.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. У чому полягає суть ефекту Комптона? Чому не вдається його пояснити, виходячи з хвильової теорії світла? 2. У чому суть досліду Боте? Який висновок можна зробити з цього досліду? 3. У чому виявляється хімічна діє світла? 4. Які реакції називають фотохімічними? Наведіть приклади фотохімічних реакцій.

Приклади розв’язування задач

Задача. В ефекті Комптона фотон унаслідок співудару з електроном розсіявся під кутом 90°. Визначте енергію фотона до розсіювання, якщо після розсіювання енергія фотона дорівнює 0,4 МеВ.

Вправа 32

1. Рентгенівські промені з довжиною хвилі 70,8 пм зазнають комптонівського розсіяння на парафіні. Визначте довжину розсіяного рентгенівського випромінювання в напрямках: а) θ = π/2 ; б) θ = π.
2. Якою була довжина хвилі рентгенівського випромінювання, якщо внаслідок комптонівського розсіяння цього випромінювання графітом під кутом 60^о довжина хвилі розсіяного випромінювання дорівнює 25,4 пм?
3. Рентгенівські промені довжиною хвилі 20 пм зазнають комптонівського розсіяння під кутом 90^о. Визначте зміну довжини хвилі рентгенівського випромінювання, а також енергію та імпульс електрона віддачі.
4. В акті комптонівського розсіяння енергія падаючого фотона розподіляється порівну між розсіяним фотоном та електроном віддачі. Кут розсіяння — 90^о. Визначте енергію та імпульс розсіяного фотона.
5. Енергія рентгенівських променів — 0,6 МеВ. Визначте енергію електрона віддачі, якщо довжина хвилі рентгенівських променів після комптонівського розсіяння змінилась на 20 %.

Виконуємо навчальні проекти

Сонце — основне джерело енергії. Використання сонячної енергії.
Тиск світла в космічних масштабах.
Фотоелементи, їх використання.

Перевірте себе (§ 46-49)

1. Укажіть явище, у якому більше проявляються корпускулярні властивості світла.

А) фотоефект
Б) дифракція
В) дисперсія
Г) поляризація

2. Обчисліть частоту хвилі, якій відповідає фотон з енергією 4,9 • 10^-19 Дж.

А) 6,5 • 10¹⁴Гц
Б) 7,4 • 10¹⁴Гц
В) 8 • 10¹⁴Гц
Г) 6,9 • 10¹⁴Гц

3. Обчисліть імпульс фотона, енергія якого 5 • 10^-19 Дж.

А) 4,82 • 10^-27 (кг·м)/с
Б) 4,3 • 10^-27 (кг·м)/с
В) 1,3 • 10^-27 (кг·м)/с
Г) 1,67 • 10^-27 (кг·м)/с

4. Укажіть, від чого залежить максимальна кінетична енергія фотоелектронів і як саме.

А) від маси фотонів; обернено пропорційно
Б) від заряду електронів; обернено пропорційно
В) від частоти світла; лінійно
Г) від швидкості фотонів; прямо пропорційно

5. Обчисліть червону межу фотоефекту для калію.

А) 532 нм
Б) 510 нм
В) 565 нм
Г) 458 нм

6. Червоною межею фотоефекту для металу є зелене світло. Укажіть, опромінювання цього металу яким світлом викличе фотоефект.

А) червоним
Б) жовтим
В) синім
Г) зеленим

7. При освітленні фотоелемента червоним світлом із частотою 3,94•10¹⁴ Гц запірна напруга дорівнювала 0,5 В. При освітленні фотоелемента фіолетовим світлом, частота якого 7,5 • 10¹⁴ Гц, запірна напруга дорівнювала 2 В. Яке значення сталої Планка було одержано в досліді?

8. За вольт-амперною характеристикою вакуумного фотоелемента, катод якого освітлюється світлом з довжиною хвилі 0,4 мкм, визначте червону межу фотоефекту.