Строение электронных орбиталей атомов

Корпускулярно-волновой дуализм

В XIX в. трудами Т. Юнга (1773—1829) и О. Френеля (1788—1827) было установлено, что свет имеет волновую природу: он способен, как и обычные волны, к интерференции и дифракции.

Интерференция — это физическое явление, при котором волны, накладываясь, усиливают или ослабляют друг друга. В случае интерференции света на экране получаются чередующиеся темные и светлые полосы — интерференционная картина.

Дифракция имеет место при огибании волной какого-либо препятствия. В результате дифракции света также получается интерференционная картина (два обогнувших тело луча интерферируют друг с другом).

Во второй половине XIX в. Дж. Максвелл (1831—1879) показал, что свет — это электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью ~3 • 108 м/с.

Однако в начале XX в. были открыты законы, которые волновая теория объяснить не могла: законы излучения абсолютно черного тела и законы фотоэффекта.

Если тело нагрето, оно излучает. Это легко заметить при нагревании, например, металла. Сначала он становится красным, а при повышении температуры — белым, например таким, как нити в лампах накаливания. Для исследования теплового излучения часто используют модельную систему абсолютно черного тела — тела, поглощающего весь падающий на него свет. Оно является наиболее эффективным как поглотителем, так и излучателем световой энергии.

Ученые пытались получить уравнение, описывающее спектр излучения абсолютно черного тела — зависимость интенсивности его излучения от длины волны. Это удалось немецкому физику М. Планку (1859— 1947) в 1900 г., для этого он сделал революционное предположение, что нагретое тело изучает энергию не волнами, а частицами — квантами. Причем энергия каждого кванта Е пропорциональна частоте испускаемого излучения v (частота — величина, обратная длине волны X):

Связывающий эти величины коэффициент пропорциональности № = 6,63 • 10"34 Дж • с) назвали постоянной Планка, а уравнение (1.1) — уравнением Планка. Энергия тела может меняться на величины, кратные /iv, подобно тому как электрический заряд может меняться лишь на величину, кратную заряду электрона.

Дальнейшее развитие концепция квантов получила в работах А. Эйнштейна, посвященных фотоэффекту.

Фотоэффект — это явление испускания электронов поверхностью металлов при облучении ее светом, он был открыт в 1889 г. А. Г. Столетовым (1839—1896). Было установлено, что энергия вылетающих электронов (кинетическая энергия) не зависит от интенсивности падающего света, а определяется исключительно его частотой. Чем больше частота света (меньше К), тем большую энергию несет выбитый электрон. При этом красный (длинноволновый свет) не способен выбить электроны ни при какой его интенсивности: существует так называемая красная граница фотоэффекта. С позиций классической физики объяснить эти закономерности фотоэффекта невозможно. Действительно, энергия вылетевших электронов должна быть пропорциональна интенсивности света: чем больше световой поток, тем больше энергии поглощает металл и тем выше энергия фотоэлектронов. Этого в экспериментах не наблюдали. Кроме того, волна просто не способна выбить частицу (электрон), она ее огибает, как препятствие. Выбить частицу может только вторая частица, как катящийся бильярдный шар выбивает другой шар.

В 1905 г. А. Эйнштейн для объяснения законов фотоэффекта предположил, что свет не только испускается квантами, как это следовало из теории Планка, но распространяется и поглощается в форме квантов, т.е. свет — это поток частиц — квантов электромагнитного поля, фотонов, энергия каждого из которых равна hv. Чем больше частота, тем больше их энергия. Поэтому выбить электроны из металла способны лишь фотоны большой энергии — фотоны коротковолнового излучения. Отсюда и наличие у фотоэффекта красной границы.

Энергия поглощенного металлом фотона расходуется на вырывание электрона из кристаллической решетки, на это необходима энергия/— работа выхода электрона из металла. Оставшаяся энергия фотона идет на разгон электрона, т.е. на сообщение ему кинетической энергии ?кин. Уравнение, которое в итоге получил Эйнштейн и которое носит его имя, имеет вид

Оно объяснило все законы фотоэффекта. Например, красная граница наблюдается, когда hv < /.

В то же время, как уже отмечалось, известны явления, которые можно объяснить, только считая свет волновым движением, — это интерференция и дифракция. Получается так, что в одних явлениях свет ведет себя как поток частиц, а в других — как волна, такое его двойственное его поведение физики назвали корпускулярно-волновъьч дуализмом.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >