Опыты С. И. Вавилова

​

Глаз действительно «воочию» позволяет убедиться в квантовой, прерывной структуре света.

С. И. Вавилов

 

Способ наблюдения фотонов невооруженным глазом предложил С. И. Ва­вилов. Идея опытов была такой. При обычной интенсивности света число фо­тонов, попадающих в глаз человека (приемное устройство), настолько велико, что мы не замечаем дискретности излучения. Однако если световой поток слаб, то число фотонов, достигающих сетчатки глаза за короткие промежутки вре­мени, будет изменяться, даже если средняя интенсивность света остается по­стоянной. Эти изменения может зафиксировать глаз.

Опыты Вавилова основаны на следующем свойстве зрительного восприятия: если энергия излучения, попадающего на сетчатку, меньше некоторого определенного значения (порога зрительного ощущения), то глаз совсем не воспринимает свет. Минимальное число фотонов, вызывающих зрительное ощущение, составляет, по оценке Вавилова, несколько десятков фотонов (а мо­жет быть, и несколько фотонов).

Опыты, проведенные Вавиловым и его сотрудника­ми, были поставлены следующим образом. Между наблюдателем и лампочкой установили черный диск с отверстием.

Яркость накала лампы можно было не­прерывно уменьшать. Диск вращался и прерывал по­ток света от лампы.

Отверстие имело такие размеры, что диск пропускал свет в течение 0,1 с и задерживал его в течение 0,9 с. Тем самым создавалась вспышка в течение 0,1 с, а в течение 0,9 с глаз отдыхал. Пока лам­па горела ярко, наблюдатель фиксировал все вспышки света. Когда яркость лампы уменьшили, наблюдатель одни вспышки видел, а другие — нет. Этот результат
опыта можно объяснить тем, что число фотонов, достигающих глаза наблюда­теля, было меньше порогового значения, поэтому наблюдатель не видел свет, хотя он и проходил сквозь отверстие диска. Таким образом, опыты Вавилова по наблюдению слабых световых потоков подтвердили наличие у света кван­товых свойств.

​

Фотон и его характеристики. Двойственность свойств света

 

«Волновые» и «корпускулярные» свойства никогда не встречаются в отдельности, а всегда в единстве; они представляют различные стороны одних и тех же явлений.

Э. Шредингер

 

Современная квантовая оптика представляет свет как распространение квантов света — фотонов. Ознакомимся подробнее со свойствами фотонов.
Основная характеристика фотона — его энергия, определяемая по формуле E=hv.

Фотон обладает импульсом, равным

                                                                 
Направление вектора импульса фотона р совпадает с направлением рас­пространения света.
•      Масса фотона равна нулю.
•      Скорость фотона равна скорости света в вакууме.
•      Заряд фотона равен нулю.
Таким образом, фотон, подобно любой движущейся частице, обладает энер­гией и импульсом, которые можно назвать корпускулярными характеристи­ками. Длина волны и частота — волновые характеристики фотона.
Что же представляет собой свет — поток фотонов или непрерывные элек­тромагнитные волны? «Неужели мы должны считать свет состоящим из кор­пускул в понедельник, вторник и среду, пока мы проводим опыты с фото­эффектом... и представлять себе его волнами в четверг, пятницу и субботу, когда мы работаем с явлениями дифракции и интерференции?» — так эмоцио­нально поставил этот вопрос известный английский физик У. Брэгг. Обратим внимание на то, что корпускулярные характеристики фотона связаны с волно­выми характеристиками света — его частотой и длиной волны. В этом находит свое выражение корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) свойств света.
Свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов.
Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях распространения света, интерференции, дифракции, поляризации, а корпус­кулярные — в процессах взаимодействия света с веществом. Можно сказать, что фотон распространяется как волна, но поглощается или излучается ато­мами всегда целиком, как частица. Чем больше длина волны света, тем мень­ше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить квантовые свойства света. Это следует, например, из существования красной границы фотоэффек­та. Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энер­гия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует на кристалличе­ской решетке твердого тела. Таким образом, квантовые и волновые свойства света взаимно дополняют друг друга и отражают взаимосвязанные закономер­ности распространения света и его взаимодействия с веществом.

​

Давление света

 

Я обязан работать на пределе своих сил, а то, что легко, пусть решают другие.

П. Н. Лебедев

 

В 1873 г. Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на тела, встречающиеся на его пути. Дав­ление света очень мало, поэтому измерить его было чрезвычайно трудно. Впер­вые это удалось сделать П. Н. Лебедеву в 1899 г.

Прибор Лебедева представлял собой весьма чувствительные крутильные весы, подвижная система которых состояла из легкого каркаса с укрепленны­ми на нем легкими крылышками — зеркальными и темными тонкими дисками. Эти крылышки располагались симметрично относительно оси подвеса, вокруг которой каркас мог поворачи­ваться (рис. 7.6).

Свет, падая на крылышки, оказывал на зер­кальные и темные диски различное

давление, в результате чего каркас,  подвешенный на тонкой стеклянной нити,

поворачивал­ся, закручивая нить. О давлении света можно было судить по углу

закручивания нити.

Остроумно преодолев ряд трудностей, возникших в ходе опыта, Лебедев вычислил

значение светового давления.

Опыты Лебедева по измерению светового давления принесли ему мировую славу

выдающегося экспериментатора.

Объясним давление света на основе квантовой теории. Подоб­но тому как давление газа на стенки сосуда есть результат пере­дачи импульса молекулами газа поверхности стенки, давление света на поверх­ность тела является результатом того, что при столкновении с поверхностью какого-либо тела фотоны передают ей свой импульс.

Пусть свет падает перпендикулярно поверхности крылышек и импульс фо­тона равен р. Темная поверхность крылышек поглощает фотон и приобретает его импульс р. Фотон, отраженный от зеркальной поверхности крылышка, передает ей импульс 2р, ибо при отражении вектор импульса фотона изме­нит знак на противоположный и, значит, переданный поверхности импульс в 2 раза больше, чем при поглощении. Это подтвердили результаты измере­ний П. Н. Лебедева.

 

Понятие о химическом действии света

 

В слове «свет» заключена вся физика.

С. И. Вавилов

В некоторых веществах под действием света происходят химические реак­ции. В этом проявляется химическое действие света.

Важнейшая для существования жизни на Земле химическая реакция — фотосинтез — происходит под действием света в зеленом пигменте растений — хлорофилле. В листьях, поглощающих из воздуха углекислый газ, молекулы С02 под действием фотонов расщепляются на составные части — молекулы углерода и кислорода. Из углерода и других элементов, извлекаемых корнями из земли, растения создают молекулы белков, жиров и углеводов, из которых построены живые организмы. Механизм фотосинтеза еще не выяснен до конца.

На химическом действии света основана фотография. Процесс фотографи­рования заключается в освещении чувствительного слоя фотопластинки (или фотопленки) и ее последующей химической обработке — проявлении. Свето­чувствительный слой фотопластинки состоит из кристалликов бромида сереб­ра AgBr, внедренных в желатин. Под действием света происходит фото­химическая реакция разложения AgBr. При этом выделяется металлическое серебро и образуется невидимое (скрытое) изображение фотографируемого объекта.

При проявлении под действием химических реактивов засвеченные места фотопластинки чернеют тем больше, чем ярче было освещено соответствующее место фотопластинки. В результате проявления на пластинке получается не­гативное изображение предмета (негатив), в котором места светлых участков занимают темные, и наоборот.

Для получения позитивного изображения негатив проецируют на фото­бумагу со светочувствительным слоем. После проявления фотобумаги на ней возникает обращенное изображение негатива — позитив, в котором светлые места фотографируемого объекта получаются светлыми, а темные — темными.

Фотография имеет большое значение в науке, технике и культуре. Велика ее роль в запечатлении изображений кратковременных процессов, например раз­рядов молнии. Фотографию широко применяют для наблюдения небесных объек­тов, которые посылают на Землю весьма слабый свет, например галактик, ту­манностей. При длительном действии света от удаленного объекта фотографи­ческий эффект «накапливается». При этом на фотографии можно видеть изоб­ражения объектов, которые не удается наблюдать даже в сильный телескоп.

​

Вопросы для самоконтроля

​

1. Какова идея опытов Вавилова?

2. На каком свойстве зрительного восприятия основаны опыты Вавилова?

3. Что подтвердили опыты Вавилова?

4. Какими корпускулярными и волновыми характеристиками обладает фотон?

5. Какими явления обьясняются волновой теорией света?

6. Что такое корпускулярно- волновой дуализм?

7. Почему давление света на черную и зеркальную поверхности различно?

​