Главной задачей учителя при изучении темы «Световые кванты» в рамках квантовой физики является ознакомление учащихся со свойствами фотона и двойственностью свойств света. После изучения фотоэффекта и явления Комптона обобщают полученные учащимися знания о фотоне и обсуждают корпускулярно-волновой дуализм его свойства.
При подготовке к этому уроку школьникам необходимо повторить как уже пройденные вопросы этой главы, так и главу «Электромагнитные волны». В ходе беседы учитель подводит учеников к следующим выводам:
1. Фотон – частица электромагнитного излучения (квант электромагнитного поля).
2. Фотон, будучи квантом электромагнитного поля, существует только в движении. Он либо движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, либо не существует. Остановить, замедлить и ускорить фотон нельзя, как нельзя увеличить или уменьшить скорость света в вакууме.
3. Эти частицы сравнительно легко могут зарождаться (излучаться) и исчезать (поглощаться). Фотоны неделимы. Когда атом испускает или поглощает свет, то это испускание и поглощение происходит только целыми фотонами. Поглощенный фотон прекращает свое самостоятельное существование, а его энергия превращается в какой-либо другой вид энергии.
4. Фотон обладает определённой энергией, массой и импульсом. Энергия фотона E = hν. По закону взаимосвязи массы и энергии энергия фотона связана с массой соотношением Е = mс2, следовательно, масса фотона равна m = E/c2 = = hν/c2.
Масса фотона – мера его энергии. Эту массу нужно рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией. Так как фотон существует только в движении, то у него нет массы покоя. Масса покоя фотона равна нулю, и в этом заключается принципиальное отличие фотона от частиц вещества.
Импульс – векторная величина. Направление вектора импульса фотона совпадает с направлением распространения света. Наличие у фотона импульса подтверждает существование светового давления и эффекта Комптона.
Учащиеся должны уяснить, что свет проявляет и волновые и корпускулярные свойства, т.е. обладает дуализмом свойств. Это находит своё выражение, в частности, в формулах, определяющих корпускулярные характеристики фотона (энергию, импульс, массу) через частоту:
В проявлении двойственности свойств света имеется определённая закономерность. Так как энергия отдельного фотона при малых частотах (например, у инфракрасного света) мала, то для этого диапазона частот корпускулярные свойства проявляются мало, а в большей степени проявляются волновые свойства излучения. Интерференцию, дифракцию, поляризацию такого излучения легко демонстрируют с помощью несложной аппаратуры, фотохимические же действия обнаружить труднее. При больших частотах (когда энергия отдельного фотона сравнительно велика) корпускулярные свойства света обнаружить легче. В видимом свете волновые и корпускулярные свойства проявляются примерно в равной мере. Отражение, преломление, давление света можно объяснить как на основе волновых, так и корпускулярных представлений.
Можно отметить, что при некоторых условиях в типично волновом явлении обнаруживаются квантовые свойства света. Например, эти свойства обнаружены в известных опытах С.И. Вавилова по квантовым флуктуациям в интерференционном поле при малых световых потоках. Свои наблюдения флуктуации световых потоков С.И. Вавилов рассматривал как одно из важнейших доказательств квантовых свойств излучения.
Чтобы учащиеся убедились в этом, полезно предложить им задачи на определение частоты, импульса, энергии фотонов различных длин волн оптического диапазона.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему