optyka3

Dualizm korpuskularno - falowy światła

1. Poglądy na naturę światła
   
2. Zjawisko fotoelektryczne
   
3. Dualizm światła

1. Poglądy na naturę światła.

Pierwszy pogląd na charakter światła jest przypisywany Newtonowi. Uważa się go za twórcę teorii korpuskularnej, według której światło rozchodzi się w postaci małych cząstek wyrzucanych ze źródła. Cząstki, wpadając do oka wywołują wrażenia wzrokowe; odbijają się jak piłeczki od powierzchni przedmiotów i przechodząc do innego ośrodka zmieniają kierunek ruchu. Ten pogląd panował do czasu, kiedy zaobserwowano dyfrakcję i interferencję światła (Young, Fresnel - początek XIX wieku), czyli zjawiska falowe i została ogłoszona przez Maxwella (1867 rok) teoria fal elektromagnetycznych. Uznano, że światło ma charakter falowy. Światło stanowi falę elektromagnetyczną o długości od 380nm do 780nm. Za twórcę falowej teorii światła uważa się Huygensa, mimo, iż doświadczalne jej potwierdzenie nastąpiło później (teoria falowa światła została ogłoszona w 1690 roku) i do końca XIX wieku uważano, że światło ma charakter falowy. Odkrycie w XX wieku nowych zjawisk związanych ze światłem, spowodowało korektę tych poglądów i powstanie teorii korpuskularno - falowej.

2. Zjawisko fotoelektryczne.

W 1887 roku - Hertz odkrył zjawisko, które nazywane jest zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym (fotoemisja). Polega ono na wybijaniu elektronów z powierzchni niektórych metali pod wpływem światła. Obecnie wiadomo, że nie tylko światło może wybijać elektrony i nie tylko z powierzchni metalu. Zjawisko może być wywołane np. promieniami rentgenowskimi. Po zbadaniu zjawiska, stwierdzono, że jego przebieg odbywa się zgodnie z pewnymi prawami:

• ilość wybijanych z metalu elektronów zależy od natężenia światła padającego na metal
  
• energia kinetyczna wybijanych elektronów (a więc i szybkość) nie zależy od natężenia światła , a zależy od jego długości (i częstotliwości, czyli od barwy światła)
  
• dla każdego metalu istnieje najmniejsza częstotliwość światła wywołującego zjawisko, poniżej której zjawisko nie wystąpi

Zjawisko fotoelektryczne zostało wyjaśnione dopiero w 1905 roku przez Einsteina (otrzymał za to nagrodę Nobla w 1922 roku).

Einstein wykorzystał teorię Plancka z 1900 roku, wg której każdy rodzaj promieniowania jest emitowany i pochłaniany porcjami energii. Porcja energii (kwant) opisana jest wzorem:
gdzie E jest energią kwantu, h jest tzw. stałą Plancka o wartości 6,62*10^-34Js, a n jest częstotliwością fali.

Wg Einsteina, światło to strumień cząstek (tzw. fotonów), z których każda niesie porcję energii czyli kwant energii. Foton, zderzając się z elektronem, przekazuje mu swoją energię. Jeśli ta energia (E_fotonu) wystarczy do pokonania sił wiążących elektron z metalem, to może on wyrwać się z powierzchni metalu (wykonać pracę wyjścia - W) i energia kinetyczna elektronu (E_kinet) jest równa energii fotonu pomniejszonej o pracę wyjścia.

E_kinet = E_fotonu - W

3. Dualizm światła.

Zjawiska, którym ulega światło wskazują na jego podwójny charakter. Dyfrakcja, interferencja i później wykryta polaryzacja - świadczą o charakterze falowym, a szybkość światła wskazuje, że jest ono falą elektromagnetyczną. Zjawisko fotoelektryczne i później wykryty efekt Comptona dla promieni rentgenowskich świadczą o charakterze cząsteczkowym (korpuskularnym).
Obydwa te charaktery połączyła teoria dualizmu korpuskularno - falowego promieniowania (a więc i światła), której twórcą był Planck. W oparciu o tę teorię powstała tzw. mechanika kwantowa tłumacząca wiele nowych odkryć XX wieku.
Czym zatem jest światło? Jest rojem fotonów niosących energię. Tej energii odpowiada określona częstotliwość i długość fali:
Tej energii równocześnie odpowiada pewna masa i pęd, czyli cechy cząstek będących w ruchu:
gdzie c jest prędkością światła.
Połączeniem cech korpuskularnych i falowych jest równanie:
w którym h jest stałą Plancka , a p= m c jest pędem fotonu. Fotony jednak, jako cząstki nie mają tzw. masy spoczynkowej - nie istnieją fotony spoczywające.

W XX wieku zaobserwowano zjawiska dyfrakcji i interferencji elektronów [i innych cząstek, co wykorzystano między innymi w mikroskopach elektronowych]. Oznacza to, że nie tylko promieniowanie wykazuje podwójny charakter, ale również cząstki w niektórych sytuacjach ujawniają swój charakter falowy i należy je traktować jak fale materii.