To ciekawe

Co to znaczy, że promieniowanie elektromagnetyczne ma korpuskularną naturę? Oznacza to, że promieniowanie składa się z niepodzielnych cząstek, fotonów, które poruszają się z prędkością światła. Energia fotonu wynosi $E=hf$, gdzie $f$ jest częstotliwością fali. Przyjrzyjmy się temu wzorowi. Po lewej stronie mamy energię fotonu – cząstki promieniowania elektromagnetycznego. Natomiast po prawej stronie – częstotliwość fali elektromagnetycznej. Czym więc jest foton? Cząstką czy falą? Odpowiedź jest zaskakująca. Foton to jednocześnie cząstka i fala. Promieniowanie elektromagnetyczne w niektórych zjawiskach ukazuje swą naturę falową, w innych przypadkach zachowuje się jak zbiór cząstek. Zajmiemy się tu zjawiskami, które można wyjaśnić tylko korpuskularną naturą promieniowania elektromagnetycznego.

R1dXcAKxGK7Pb

Rys. a. przedstawia wzór na energię fotonu: E=hf wraz z objaśnieniami w formie małych prostokątów połączonych z literami E i f wraz z napisami w środku: energia cząstki i częstotliwość fali.

Warto przeczytać

W wieku XIX fizycy byli przekonani, że promieniowanie elektromagnetyczne jest falą, czyli rozchodzącym się w przestrzeni zaburzeniem pola elektromagnetycznego. Rzeczywiście, również obecnie, falowym charakterem promieniowania elektromagnetycznego tłumaczymy wiele zjawisk, takich jak dyfrakcja, interferencja, czy załamanie światła. Jednak pod koniec XIX wieku pojawiły się kłopoty, gdy badano zjawisko promieniowania termicznego. Promieniowanie termiczne to fale elektromagnetyczne emitowane przez wszystkie ciała. Przyczyną powstawania tego promieniowania jest ruch termiczny cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym, które są składnikami materii.

Problem polegał na całkowitej niezgodności przewidywań falowej teorii promieniowania z otrzymanym eksperymentalnie widmem promieniowania termicznego.

Zagadkę tę rozwiązał Max Planck, proponując w 1900 roku inny opis emisji promieniowania termicznego. Przyjął on rewolucyjną hipotezę, że promieniowanie emitowane jest pewnymi porcjami. Takie założenie pozwoliło otrzymać doskonałą zgodność z doświadczeniem.

R19pPJDNMZK4I

Rys. 1. przedstawia fotografię fotorezystora. Na rozmytym tle w barwach czerwono‑szarych widnieje metalowy przedmiot w kształcie małej srebrnej blaszki z narysowaną krzywą przypominającą sinusoidę. Z dolnej części blaszki odchodzą 2 pręty metalowe w kolorze ciemnoszarym.

Kolejny krok w zrozumieniu natury promieniowania elektromagnetycznego zrobił Albert Einstein, wyjaśniając zjawisko fotoelektryczne. Zjawisko fotoelektryczne polega na wybijaniu elektronów z metalu oświetlonego światłem. Pewnych własności tego zjawiska, na przykład niezależności energii wybitych elektronów od natężenia światła, nie da się wytłumaczyć na gruncie falowej teorii światła. Einstein założył, że promieniowanie nie tylko emitowane jest porcjami, ale rozchodzi się jako zbiór cząstek, fotonów, o energii wprost proporcjonalnej do częstotliwości fali, a odwrotnie proporcjonalnej do długości fali elektromagnetycznej

gdzie $f$ jest częstotliwością fali, $\lambda$ – długością fali, $c=3\cdot {10}^8\frac{m}{s}$ – prędkością światła, $h$ – stałą Plancka ($h=6,63\cdot {10}^{-34}J\cdot slub4,14·{10}^{-15}eV·s$, gdzie eV oznacza elektronowoltElektronowolt (eV)elektronowolt).

R1be5eU25k68z

Rys. 2. przedstawia schemat emisji elektronów (niebieskie punkty z wektorami po stronie prawej) z powierzchni metalu (szary poziomy prostokąt na dole) pod wpływem padających fotonów (czerwone "impulsy falowe" po lewej).

Gdy foton pada na metal, jego energia jest przekazana jednemu elektronowi, który zostaje wybity z metalu (Rys. 2.). Energia wybitego elektronu zależy tylko od energii fotonu, a więc od częstotliwości promieniowania. Nie może natomiast zależeć od natężenia światła, czyli liczby fotonów padających na metal. Zwiększenie natężenia światła spowoduje tylko zwiększenie liczby wybitych elektronów.

Jednak jeszcze długo fizycy podejrzliwie traktowali korpuskularną teorię światła – bardziej jako pewien sposób matematycznego opisu zjawiska, niż rzeczywistość. Sądzili, całkiem niesłusznie, że przyjęcie tej teorii wymaga odrzucenia opisu promieniowania elektromagnetycznego jako fali. Prof. Andrzej K. Wróblewski w „Historii fizyki” przytacza powiedzenie słynnego duńskiego fizyka, Nielsa Bohra, że „nawet jak Einstein prześle mi telegram, zawiadamiając o udowodnieniu istnienia kwantów światła, to ta wiadomość może dotrzeć do mnie tylko za pośrednictwem fal elektromagnetycznych”.

Podsumowując, promieniowanie elektromagnetyczne ma podwójną naturę – jest jednocześnie falą i zbiorem cząstek, fotonów, poruszających się w próżni z prędkością światła. Gdy foton w zjawisku fotoelektrycznym oddaje całą energię elektronowi, wówczas po prostu znika – nie istnieje foton w spoczynku.

Korpuskularna natura promieniowania elektromagnetycznego przejawia się tym wyraźniej, im mniejsza jest długość fali promieniowania, a większa częstotliwość. Największą częstotliwość spośród wszystkich rodzajów promieniowania elektromagnetycznego ma promieniowanie gamma. We wszystkich obserwowanych zjawiskach fotony gamma zachowują się jak cząstki. Choć promieniowanie gamma to fala elekromagnetyczna, nie obserwuje się dla tego promieniowania zjawisk falowych, takich jak dyfrakcja. Z drugiej strony fale radiowe, czyli promieniowanie elektromagnetyczne o największej długości fali i najmniejszej częstotliwości, nie przejawiają swojej korpuskularnej natury – wszystkie zjawiska ich dotyczące są typowe dla fal.

Jeśli trudno ci zrozumieć podwójną naturę promieniowania elektromagnetycznego -  korpuskularną i falową - to pocieszyć cię może fakt, że jesteś w dobrym towarzystwie. Wielu znakomitych fizyków, laureatów Nagrody Nobla, również miało z tym trudności. Dopiero, gdy wyjaśniono efekt ComptonaEfekt Comptonaefekt Comptona i gdy odkryto, że poruszający się elektron ulega dyfrakcji (co jest typowe dla fal), powszechnie zaakceptowano dualizm korpuskularno‑falowy oznaczający, że obiekty takie, jak fotony czy elektrony, przejawiają, w zależności od sytuacji, właściwości falowe (dyfrakcja, interferencja) lub korpuskularne (czyli zachowują się jak cząstki).

Słowniczek