Фотоны. Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц

В современной физике фотон - это одна из элементарных частиц. При испускании и поглощении свет подобен потоку частиц с энергией: энергия Е равна произведению постоянной Планка Аш на частоту НЮ), зависящей от частоты. В данных опытах порция света получается очень похожей на частицу. Свойства света, обнаруженные при его излучении и поглощении, назвали корпускулярными. Саму же световую частицу назвали фотоном, или квантом электромагнитного излучения. Фотон, подобно частице, обладает определенной порцией энергии hv. Но чаще энергию фотона выражают не через частоту v (Ню), а через циклическую частоту ОМЕГА равную 2 ПИ на частоту НЮ. В качестве коэффициента пропорциональности для энергии фотона в этой формуле вместо величины АШ используют величину аш с чертой, равную отношению АШ к двум ПИ, численно равную, по современным данным, 1,0545726 •10-34 Дж•с. Тогда энергия фотона выражается так: энергия кванта равна произведению коэффициента пропорциональности АШ с чертой на циклическую частоту Омега. В то же время энергия согласно теории относительности всегда связана с массой соотношением: энергия равна ЭМ Ц квадрат, где Ц скорость света. Так как энергия фотона равна hv АШ НЮ, то, следовательно, его масса m получается равной отношению АШ НЮ к Ц в квадрате. Так как фотона не существует в состоянии покоя, т.е. он не имеет собственной массы, а при рождении сразу имеет скорость Ц. Масса, определяемая формулой (3), — это масса движущегося фотона. Зная массу и скорость фотона можно найти его импульс. Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча. Как следует из формул, чем больше частота v Ню, тем больше энергия Е и импульс р фотона, а, значит, и отчетливее проявляются корпускулярные свойства света. Так как постоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайне незначительна. Например, фотоны, соответствующие зеленому свету, имеют энергию 4 • 10-19 Дж. В своих опытах С. И. Вавилов установил, что человеческий глаз, этот точнейший из «приборов», способен реагировать на различие освещенностей, измеряемое даже единичными квантами. На основе представления о том, что свет - это поток частиц – фотонов, можно объяснить законы   теплового излучения и фотоэффекта. Но такие явления как интерференция и дифракция света свидетельствуют и о волновых свойствах света. Делаем вывод: свет обладает двойственностью свойств, так называемым дуализмом. Волновые свойства проявляются при распространении света, а корпускулярные – при взаимодействии с веществом, т. е. при излучении и поглощении. Это, конечно, странно и непривычно, так как частица и волна - абсолютно разные физические объекты. Но мы до настоящего времени не имеем возможности представить себе наглядно в полной мере процессы в микромире, так как они совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые люди наблюдали на протяжении миллионов лет и основные законы которых были сформулированы к концу XIX в. Рассмотрим гипотезу де Бройля. Длительное время представление о материи, непрерывно распределенной в пространстве, связывалось с электромагнитным полем, а электроны представлялись как некоторые крохотные частички материи. Французский ученый Луи де Бройль засомневался в данном предположении и в 1923 г. высказал свою мысль: «Электрон и другие частицы обладают не только корпускулярными, а также и волновыми свойствами». Он начал проводить эксперименты с частицами, электронами, чтобы подтвердить свое предположение. В результате своих опытов де Бройль доказал, что с движением частиц связано распространение некоторых волн, нашел длину волны этих волн. Связь длины волны с импульсом частицы точно такая же, как и у фотонов (импульс равен отношению постоянной Планка к длине волны). Если выразим отсюда длину волны получим, что она равна отношению постоянной Планка к импульсу. Это и есть знаменитая формула де Бройля — одна из основных в физике микромира, доказанная экспериментально. Предсказанные де Бройлем волновые свойства частиц впоследствии также были обнаружены экспериментально. Например, дифракция электронов и других частиц наблюдалась на кристаллах.
Вывод.
1.    Фотон — элементарная частица, не имеющая массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом.
2.    Фотон - это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами.
3.    Поглощение и излучение электромагнитной энергии отдельными порциями — проявление корпускулярных свойств электромагнитного поля.
4.    Двойственность или корпускулярно-волновой дуализм — общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне.
Где же применяется свойство фотоэффекта? Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. С помощью фотоэффекта «заговорило» кино, стала возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов в индустриальной промышленности позволило создать станки, которые без участия человека изготовляют детали по заданным чертежам без участия человека. Приборы, основанные на фотоэффекте, контролируют размеры изделий лучше человека, вовремя включают и выключают уличное освещение и т. п. Такие возможности у человека появились благодаря изобретению особых устройств фотоэлементов, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в нее. Вакуумные фотоэлементы представляют собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода. Это катод 1. Через прозрачное окошко свет проникает внутрь колбы, в центре которой расположена проволочная петля или диск — анод 2, который служит для улавливания фотоэлектронов. Анод присоединяют к положительному полюсу батареи. Фотоэлементы реагируют на видимое излучение и даже на инфракрасные лучи. При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический ток, который включает или выключает реле. Такая комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество различных «видящих» автоматов. Одним из них является автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает перегородку) при пересечении светового пучка, если предварительно не пропущена карточка. Подобные автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне. С помощью фотоэлементов воспроизводится звук, записанный на кинопленке.
Полупроводниковые фотоэлементы. В полупроводниках широко применяется внутренний фотоэффект. На   явлении внутреннего фотоэффекта основано устройство фоторезисторов — приборов, сопротивление которых зависит от освещенности, а также сконструированы полупроводниковые фотоэлементы, создающие ЭДС (электродвижущую силу) и непосредственно преобразующие энергию излучения в энергию электрического тока. ЭДС, называемая в данном случае фото ЭДС, возникает в области р—n- (П ЭН) перехода двух полупроводников при облучении этой области светом. Под действием света образуются пары электрон — дырка. В области р—n – (П ЭН) перехода существует электрическое поле. Это поле заставляет неосновные носители полупроводников перемещаться через контакт. Дырки из полупроводника n-типа перемещаются в полупроводник р-типа, а электроны из полупроводника р-типа — в область n-типа, что приводит к накоплению основных носителей в полупроводниках n-и р-типов. В результате потенциал полупроводника p-типа увеличивается, а n-типа уменьшается. Это происходит до тех пор, пока ток неосновных носителей через р—n-(П ЭН) переход не сравняется с током основных носителей через этот же переход. Между полупроводниками устанавливается разность потенциалов, равная фото ЭДС. Если замкнуть цепь через внешнюю нагрузку, то в цепи пойдет ток, определяемый разностью токов неосновных и основных носителей через р—n-переход. Сила тока зависит от интенсивности падающего света и сопротивления нагрузки R. Фотоэлементы с n-переходом создают ЭДС порядка 1—2 В. Их выходная мощность достигает сотен ватт при коэффициенте полезного действия до 20%. Фотоэлементы малой мощности используются, например, в фотоэкспонометрах, приборах для определения освещенности при настройке фотоаппарата для дальнейшего фотографирования.
Также очень широко применяются полупроводниковые фотоэлементы при изготовлении солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях. К сожалению, пока такие батареи довольно дороги.