6.1.1.4. Корпускулярно – хвильовий дуалізм

Маса, імпульс фотона. Частинка (корпускула) і хвиля – це об’єкти, що мають протилежні властивості. Так, частинка (електрон, молекула, порошинка) локалізована в певній ділянці простору, а для хвилі характерна відсутність чіткої локалізації – гармонічна хвиля, наприклад синусоїда, має нескінченну протяжність. 3 частинкою перш за все пов'язано уявлення про дискретність (переривчастість), а з хвилею – уявлення про неперервність.

Історія розвитку оптики тривалий час була історією боротьби корпускулярних і хвильових уявлень про світло. Ця боротьба була відбиттям внутрішньої реальної суперечливості, що властива природі світлових явищ (як і всім явищам природи взагалі). Природа світла суперечлива: інтерференція і дифракція переконливо показують, що в цих явищах світло поводить себе як хвильовий процес; фотоефект же (і ще ряд явищ, пов'язаних із взаємодією світла і речовини) з неменшою переконливістю доводять, що світло певної частоти поводить себе як потік однакових частинок (фотонів). Отже, світло в один і той же час має і хвильові, і корпускулярні властивості; світло – це складне електромагнітне явище, якому притаманна двоїстість властивостей. Ця двоїстість, або дуалізм, є експериментальним фактом, вона існує об’єктивно, незалежно від нашої свідомості. Якщо все це підсумувати та врахувати енергію квантів, то можна сказати, що енергія фотона рівна:

або в іншій формі , (6.1.8)

де h – стала Планка; = h /2 ; ν – частота фотона; – циклічна частота.

Маса фотона визначається універсальним співвідношенням Ейнштейна для маси та енергії:

. (6.1.9)

Фотон – елементарна частинка, яка рухається зі швидкістю світла с і має масу спокою, рівну нулю.

Імпульс Р_γ визначається співвідношенням:

, (6.1.10)

де с – швидкість світла у вакуумі; – довжина хвилі фотона.

Із наведених формул витікає, що фотон, як і будь-яка інша частинка речовини, характеризується енергією, масою та імпульсом. Ці формули зв’язують корпускулярні характеристики фотона – масу, імпульс, енергію – з хвильовою характеристикою світла – його частотою ν.

Фотони, які характеризуються імпульсом, будуть створювати тиск при падінні на поверхню. Тиск світла при нормальному падінні на поверхню:

, (6.1.11)

де E₀ – енергетична освітленість; – об’ємна густина енергії випромінювання; – коефіцієнт відбивання.

Отже, для світла, як і будь–якого електромагнітного випромінювання притаманні одночасно корпускулярні і хвильові властивості – корпускулярно – хвильовий дуалізм.

Важливо зрозуміти, що протилежні властивості (хвильові і корпускулярні), притаманні світлу, існують в єдності - вони нерозривно пов'язані одна з одною. Щоб пояснити сказане, звернемось до формули Планка . Вона саме і є тим містком між хвильовими і корпускулярними уявленнями про світло, котрий зв'язує воєдино його хвильові і корпускулярні властивості. Дійсно, у лівій частині цієї формули знаходиться характеристика частинки світла – фотона, його енергія Е; у правій частині – характеристика хвильового процесу, його частота . Тобто, енергія частинки визначається частотою хвильового процесу, що їй відповідає.

Повернемося до шкали електромагнітних хвиль, розглянутій нами раніше, і пройдемо по всіх діапазонах, починаючи із самих великих довжин хвиль. 3 урахуванням співвідношення неважко оцінити енергію фотонів для кожного діапазону довжин хвиль. Для довгохвильового випромінювання енергія фотонів настільки малі, що його переривчаста, дискретна структура майже не проявляє себе. Тому практично інфрачервоні промені і радіохвилі виявляють лише хвильові властивості (наприклад, при м енергія фотона становить всього еВ, що можна порівняти з енергією, яка припадає на одну ступінь свободи молекули при Т =100 К).

Для видимого світла енергії фотонів більші і промені видимого світла (а тим більш фіолетового) проявляють як хвильові, так і корпускулярні властивості (свідчення тому – фотоефект). Енергії фотонів видимого світла знаходяться в інтервалі від 1,6 еВ (червоне світло) до 3 еВ (фіолетове світло).

Як бачимо, зі зміною довжини хвилі (тобто кількісної характеристики) виникають якісні зміни у властивостях електромагнітного випромінювання: чим менша довжина хвилі (чим більша частота), тим все виразніше проявляють себе квантові (корпускулярні) властивості випромінювання. Особливо яскраво проявляються квантові властивості - випромінювання радіоактивних ядер: енергії - квантів величезні, вони можуть перевищувати 10 ⁶ еВ. Таку енергію отримав би електрон, що пройшов би різницю потенціалів в 1 млн. вольт.