Физика. 11 класс

Словечко громкое всегда
Из затрудненья вас выводит!

И. Гете. "Фауст"

После открытия фотона в научном мире с новой силой «вспыхнула» старая дискуссия: так что же такое свет — волна или поток частиц? Как «примирить» друг с другом эти противоречивые представления? Какие из этого следуют выводы?

Из законов механики следует, что тело при ударе о некоторую поверхность оказывает на нее механическое давление, обусловленное изменением импульса тела. Причем давление тела на поверхность оказывается в случае как упругого, так и не упругого удара. А будет ли возникать подобный эффект при отражении и поглощении света некоторой поверхностью? Иными словами, оказывает ли свет давление на поверхность, с которой взаимодействует? После завершения построения Максвеллом волновой теории света ответы на эти вопросы стали очевидными. Свет как электромагнитная волна обладает энергией и импульсом поэтому оказывает давление на поверхность, на которую он падает.

Объяснить давление света можно следующим образом (рис. 178-5). Электрическое поле напряженностью   электромагнитной волны, падающей на поверхность проводника, вызывает движение электронов вещества под действием электрической силы в направлении противоположном . Магнитное поле этой же волны индукцией  действует на движущиеся частицы с силой Лоренца , которая в данном случае будет направлена внутрь вещества (см. рис. 178-5) и совпадает с направлением распространения света. Суммарная сила, действующая на все электроны со стороны электромагнитной волны, и есть сила давления света.

В 1873 г. Максвелл вычислил световое давление, используя разработанную им теорию электромагнитного поля. Он показал, что если свет, падающий перпендикулярно на зеркальную поверхность площадью S=1м², приносит за промежуток времени  Δt=1c энергию W, то он оказывает на даную поверхность давление: 

,

(1-1)

где  c — скорость распространения света.

Давление света можно объяснить и с квантовой точки зрения. Рассмотрим свет как поток фотонов энергией hν, падающих нормально на зеркальную поверхность (рис. 178-6, а), и приносящих за промежуток времени  на площадь   энергию, равную W.

Число n этих фотонов  определяется из условия nhν = W:

.

Отражение фотона от зеркала можно считать упругим ударом, при котором происходит изменение направления импульса фотона на противоположное (рис. 178-6, б). Модуль этого изменения:

.

Следовательно, давление света на зеркало:

,

что совпадает с результатом, полученным Максвеллом.

Отметим, что при падении света на черную (полностью поглощающую) поверхность изменение импульса будет в 2 раза меньше, так как:

 .

Следовательно, давление света на черную поверхность:

.

Русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1899 г. впервые измерил световое давление. Он подвесил на тонкой нити коромысло с парой крылышек на концах (рис. 179): поверхность у одного из них была зачерненной, обеспечивая почти полное поглощение, а у другого — зеркальной, обеспечивая полное отражение. Подвес с крылышками образовал чувствительные крутильные весы, помещаемые в сосуд, воздух в котором был откачан.

Свет практически полностью отражался от зеркальной поверхности и его давление на зеркальное крылышко было вдвое больше, чем на зачерненное. Вследствие этого создавался момент сил, поворачивающий коромысло (см. рис. 179). Измеряя угол поворота коромысла, можно было судить о силе, действовавшей на крылышки, а,  следовательно, определить световое давление.

Измерения Лебедева дали величину светового давления, согласующуюся с теорией Максвелла с погрешностью до 20%. В 1923 г. немецкий физик Вальтер Герлах, используя более совершенные методы получения вакуума, повторил опыты Лебедева. Ему удалось получить результаты, согласующиеся с теоретическими значениями с погрешностью до 2 %.

Факт существования светового давления имеет большое значение, так как доказывает наличие у света не только энергии, но и импульса. Это свидетельствует о материальности электромагнитного излучения, представляющего собой еще одну форму существования материи — в виде электромагнитного поля.

К тому же со времен И. Ньютона и Х. Гюйгенса (XVII в.) представления о природе света были противоречивы. Одни ученые, во главе с Ньютоном, считали свет потоком частиц — корпускул (от лат. corpusculum — маленькая частица), другие, вслед за Гюйгенсом, полагали, что свет представляет собой не что иное, как волны.

До начала XIX в. обе точки зрения отстаивались с переменным успехом. Так, исходя из гипотезы о корпускулах, можно было объяснить законы прямолинейного распространения и отражения света, а такие явления, как интерференция, дифракция света, объяснялись только его волновыми свойствами.

Однако в XX в. было установлено, что в целом ряде явлений, таких как, например, фотоэффект, свет ведет себя как совокупность частиц с определенной энергией и импульсом. Одновременное наличие у объекта волновых и корпускулярных свойств получило название корпускулярно-волнового дуализма.

В одних процессах в большей мере проявляются волновые свойства света, в других — корпускулярные. Долгое время природа этого дуализма была совершенно непонятна, и он казался искусственным объединением противоречивых свойств материи.

Только после создания квантовой механики выяснилось, что «раздвоение личности» света закономерно и представляет собой проявление специфических свойств, присущих микромиру в целом.

Французский физик Луи де Бройль в 1923 г. высказал смелое предположение, что корпускулярно-волновой дуализм должен иметь место для всех микрообъектов.

В 1927 г. гипотеза де Бройля о наличии волновых свойств у электрона и других микрочастиц была проверена экспериментально, когда американские физики Клинтон Дэвиссон и Люстер Джермер впервые наблюдали дифракцию электронов на кристалле никеля. Так на рисунке 180 представлена современная фотография дифракции электронов на слюде.

Современные эксперименты позволяют последовательно наблюдать процесс образования дифракционной картины при увеличении числа электронов, проходящих через щель. Компьютерное моделирование этого процесса представлено на рисунке 181. Из него видно, что при увеличении числа электронов все более отчётливо формируются дифракционное максимумы (см. рис. 181,в).

Способность к интерференции и дифракции была обнаружена не только у электронов, но и у других частиц — протонов, нейтронов и альфа-частиц.

Волновые свойства частиц нашли свое применение в электронной оптике, занимающейся исследованием, построением и использованием электронных пучков для получения изображений.

Так использование волновых свойств пучка электронов позволило создать новое поколение микроскопов — электронные микроскопы (рис. 182), значительно превосходящие по степени увеличения оптические микроскопы.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету, но и любым частицам, в соответствие с которым используются как волновые, так и корпускулярные представления, в зависимости от конкретной ситуации.

Несмотря на сравнительно малое значение светового давления при обычных условиях, оно играет достаточно существенную роль в природе. В 1604 г. немецкий астроном Иоганн Кеплер объяснил изогнутую форму хвоста кометы (рис. 183) действием сил светового давления со стороны Солнца (рис. 184). Кроме того, именно давление света «изнутри» препятствует гравитационному сжатию звезд, оно сокращает срок службы искусственных спутников Земли, вследствие постепенного уменьшения радиуса их орбиты. В настоящее время активно обсуждаются и реализуются проекты космических кораблей — «парусников», которые приводятся в движение «солнечным ветром». Уже первый электронный просвечивающий микроскоп (Э. Руска, 1933 г.) позволял изучать детали  в десять раз меньшие, чем те, которые способны разрешать самые «мощные» оптические микроскопы. Дальнейшие исследования позволили сотрудникам лаборатории фирмы IBM в Цюрихе (Швецария) Г. Биннингу и Г. Рореру в 1981 г. создать электронный сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий рассмотреть даже «отдельный» атом. Группа специалистов Токийского университета 4 ноября 2010 г впервые в истории с помощью электронного микроскопа сумела «сфотографировать» самый легкий и самый маленький атом – атом водорода - (рис. 185).

В 1929 г. Луи де Бройль за открытие волновой природы электрона был удостоен Нобелевской премии. В 1986 г. Герду Биннингу и Гейнриху Рореру совместно с Эрнстом Руска была присуждена Нобелевская премия по физике за создание электронного микроскопа.