Энергия, масса и импульс фотона. Давление света.

Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами.

Энергия фотона Е = h.

Масса движения фотона m_γ находится из закона взаимосвязи массы и энергии

. (1.19)

Фотон – элементарная частица, которая всегда движется со скоростью света с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя.

Импульс фотона р_γ определяется по формуле

. (1.20)

Итак, как мы видим, фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом.

Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. С точки зрения квантовой теории, давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.

Световое давление определяется по формуле

, (1.21)

где – коэффициент отражения света;Е₀ – энергия, падающая на единицу поверхности за единицу времени (мощность излучения Е₀ = Nhv, где N – число фотонов, падающих на единицу поверхности за одну секунду).

§1.3 Двойственная природа электромагнитного излучения вещества

Эффект Комптона

Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и γ – излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.

Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, что излучение имеет корпускулярную природу, т.е. представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона – результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества (для легких атомов электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными). В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с законами их сохранения.

Экспериментально Комптон получил следующее выражение

, (1.22)

где λ¹ – длина волны рассеянного кванта; λ – длина волны падающего кванта; λ_к =2,43∙10^-12 м - комптоновская длина волны (при рассеянии фотона на электроне); m₀ – масса покоя электрона; – угол рассеяния.

Если электрон сильно связан с атомом, то при рассеянии на нем фотона последний передает энергию и импульс не электрону, а атому в целом. Масса атома во много раз больше массы электрона. Поэтому атому передается лишь незначительная часть энергии фотона, так что длина волны λ¹ рассеянного излучения практически не отличается от длины волны λ падающего излучения. Доля электронов, сильно связанных в атомах, увеличивается с ростом массы атомов. Поэтому, чем тяжелее атомы рассеивающего вещества, тем больше относительная интенсивность несмещенной компоненты (λ¹ =λ) в рассеянном излучении.

В отличие от рассеяния фотонов, осуществляющегося как на свободных, так и на связанных электронах, поглощать фотоны могут только связанные электроны. Например, при внешнем фотоэффекте фотон поглощается связанным электроном, который расходует часть полученной энергии на совершение работы выхода, являющейся мерой связи электрона в веществе.

Поглощение фотона свободным электроном невозможно, так как этот процесс противоречил бы законам сохранения энергии и импульса.