Światło jako fala. Światło jako cząstka.

Fizyka mikroświata.
Podstawy fizyki atomu i jądra atomowego.
Fizyka cząstek elementarnych.
Podstawy fizyki kwantowej.
Zasada nieoznaczoności Heisenberga.
Światło.
Światło jako fala.
Światło jako cząstka.
Foton.
Kwant.
Energia fotonu.

W oddziaływaniach z materią światło pokazuje dwoistą naturę:
- falową;
- korpuskularną (cząsteczkową).

Falowa natura światła przejawia się w takich zjawiskach jak:
- dyfrakcja (ugięcie kierunku rozchodzenia się światła) na krawędziach i otworach;
- interferencja (nakładanie się różnych fal o tej samej długości);
- polaryzacja – wyróżnianie kierunku drgań wektora natężenia pola elektrycznego;
- załamanie światła na granicy dwóch ośrodków przezroczystych;
- odbicie światła na granicy dwóch ośrodków optycznych.

Załamanie światła i odbicie światła można wytłumaczyć także przy przyjęciu cząsteczkowej natury światła (tak zrobił Newton).

Istnieją także zjawiska, których nie można wytłumaczyć korzystając z falowej teorii światła.

Te zjawiska to:
- efekt fotoelektryczny;
- emisja światła przez pojedyncze atomy i cząsteczki;
- absorpcja światła przez atomy i cząsteczki;
- zjawisko Comptona (odbicia fotonów promieni Rentgena na elektronach).

Historycznie szczególnie ważne okazało się zjawisko fotoelektryczne. Polega ono na tym, że światło wybija z powierzchni czystych metali elektrony.

Zaobserwowano doświadczalnie właściwości zjawiska:
- istnienie granicznej długości fali świetlnej, przy której zjawisko zachodzi;
- niezależność zjawiska od natężenia światła;
- dla światła o długości wywołującej zjawisko ilość wybitych elektronów zależy od natężenia światła.

Stwierdzone eksperymentalnie cechy zjawiska nie dały się wytłumaczyć za pomocą teorii falowej światła. Wyjaśnienie zjawiska wymagało przyjęcia koncepcji kwantowej natury światła.

Teoria ta zakłada, że światło o określonej częstotliwości przenosi energię w ściśle określonych porcjach. Wartość energii w jednej porcji światła czyli kwant światła równa jest iloczynowi stałej i częstotliwości światła. Stała proporcjonalności nazywana jest stałą Plancka.

Drugi ważny element modelu zjawiska fotoelektrycznego to zasada zachowania energii. Zasada ta w tym przypadku stwierdza, że kwant energii (foton) wywołujący zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne rozdziela się na dwie części:
- stałą dla danego metalu wartość – tzw. praca wyjścia elektronu z powierzchni metalu;
- energię kinetyczną elektronu.

Równanie opisujące zasadę zachowania energii dla zjawiska fotoelektrycznego nazywane jest równaniem Milikena-Einsteina.

Przykład

Światło o określonej długości (300 nm) wywołuje efekt fotoelektryczny w metalu o pracy wyjścia W=2,16 eV (rubid). Jaką maksymalną prędkość mogą uzyskać fotoelektrony?

Maksymalna prędkość fotoelektronów jest ogromna – 840 tysięcy metrów na sekundę czyli 840 kilometrów na sekundę.