Физика излучения и фотоэффект. Фотоны и корпускулярно-волновой дуализм физической реальности.

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля (т.е. иначе говоря - взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников - движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

К электромагнитному излучению относятся радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и жесткое (гамма-)излучение.

Электромагнитное излучение способно распространяться в вакууме (пространстве, свободном от вещества), но в в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).

Гамма-излучение, гамма-лучи (γ-лучи) — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно маленькой длиной волны — < 5×10−3 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-квантами являются фотоны высокой энергии.

Фотоэффект – это испускание электронов веществом под действием света.

В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

В 1839 году Александр Беккерель наблюдал явление фотоэффекта в электролите. Затем этот эффект изучался Герцем. Однако,   само явление фотоэффекта было объяснено А. Эйнштейном на основе гипотезы Макса Планка.В 1887 году Томпсон открывает электрон.Розенфорд предлагает   планетарную систему атома. В последующем Н. Бор вводит постулат о «запрещённых орбитах» т.е. электрон переходит с одной орбиты на другую не согласно волне, но скачкообразно.   Дискретность имела огромное значение в связи с объяснением фотоэффекта.Согласно классической физике, между освещёнием пластинки и явлением фотоэффекта должно пройти много времени, но эксперимент показал обратное.   Свет состоит из частиц (фотонов) и именно эти фотоны ударяются об электроны, а те, получив энергию, создают фотоэффект (Эйнштейн).Понятие фотона позволило представить физическую реальность как корпускулярно-волновой дуализм. Природа в самом своём фундаменте существует так, что элементарные кирпичики характеризуются и карпускулярными и волновыми свойствами.  

Фото́н — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света).

Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как элементарной частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой , поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами

Корпускулярно-волновой дуализм  — теория в квантовой механике, гласящая, что в зависимости от системы отсчета поток электромагнитного излучения можно рассматривать и как поток частиц (корпускул), и как волну. В частности, свет — это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны.

Гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств частиц   Французский ученый Луи де Бройль (1892–1987) в 1924 г . в докторской диссертации «Исследования по теории квантов» выдвинул смелую гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, утверждая, что поскольку свет ведет себя в одних случаях как волна, а в других – как частица, то и материальные частицы (электроны и др.) в силу общности законов природы должны обладать волновыми свойствами. «В оптике, – писал он, – в течение столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым; не делалась ли в теории вещества обратная ошибка? Не думали ли мы слишком много о картине «частиц» и не пренебрегали ли чрезмерной картиной волн?» В то время гипотеза де Бройля выглядела безумной. Лишь в 1927 г ., три года спустя, наука пережила огромное потрясение: физики К. Дэвиссон и Л. Джермер экспериментально подтвердили гипотезу де Бройля, получив дифракционную картину электронов. Согласно квантовой теории света А. Эйнштейна, волновые характеристики фотонов света (частота колебаний v и длина волна л = c/v) связаны с корпускулярными характеристиками (энергией ε ф , релятивистской массой m ф и импульсом р ф ) соотношениями: По идее де Бройля, любая микрочастица, в том числе и с массой покоя ш 0 Ц 0, должна обладать не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Соответствующие частота v и длина волны л определяются при этом соотношениями, подобными эйнштейновским: Отсюда длина волны де Бройля — Таким образом, соотношения Эйнштейна, полученные им при построении теории фотонов в результате гипотезы, выдвинутой де Бройлем, приобрели универсальный характер и стали одинаково применимыми как для анализа корпускулярных свойств света, так и при исследовании волновых свойств всех микрочастиц.