Жарықтың кванттық теориясы

1900ж М.Планк қызған дененің сәуле бөліп шығаруға қабілетін мөлшерлі түрде сипаттауға болатынын көрсетті. Ол үшін ғалым сәулелі энергия денеден бөлініп және сіңірілгенде үздіксіз емес, жеке бөліктермен, порциялармен - кванттармен беріледі деп ұсыныс жасады. Осы әрбір порцияның энергиясы Е сәуленің жиілігімен байланысты және Планк теңдеуі арқылы есептеледі:

Е=h·ν.

Бұндағы h- Планк тұрақтысы, бұл әмбебап тұрақты 6,626·10^-34Дж·с.

Планктың өзі көп уақыт бойы жарықтың квант түрінде бөлінуі мен сіңірілуі сәуле бөліп шығарушы дененің қасиеті деп пайымдады. Алайда, 1905ж. Энштейн фотоэлектрлік эффект құбылысын анализдеп, келесі қорытындыға келді: электромагниттік (сәулелік) энергия тек квант түрінде болады, ендеше сәуле бөліп шығару бөлінбейтін материалдық “бөлшектердің” (фотондардың) ағыны және олардың энергиясы Планк теңдеуімен анықталады.

Сурет 3.3. Фотоэлектрлік эффектіні бақылауға арналған құрылғының сызбасы: А – металл пластинкасы; С – металдық тор; В – тұрақты тоқ көзі;

Фотоэлектрлік эффект дегеніміз түскен жарықтың әсерінен металл беттерінен электрондардың бөлініп шығу құбылысы. Бұл құбылысты 1888-1890ж.ж. А.Г.Столетов зерттеген. Фотоэффектіні өлшеу қондырғысының сызба-нұсқасы суретте 3.3 көрсетілген. Егер қондырғыны вакуумға орналастырып, А пластинкасына теріс потенциал беретін болсақ, онда тізбекте тоқ байқалмайды, себебі пластинка мен торша арасында зарядталған бөлшектер жоқ. Алайда пластинканы жарық көзімен қамтамасыз етсек, гальванометр тоқтың (фототоқтың) пайда болғанын көрсетеді. Бұндай тоқты тасушы-металды жарықтандыру кезінде бөлініп шыққан электрондар.

Жарықтың интенсивтігін өзгерткенде металдан бөлінетін электрондар саны ғана, яғни фототоқ күші өзгеретіні анықталды. Металдан бөлініп шыққан әрбір электронның максималды кинетикалық энергиясы жарықтың интенсивтігінен тәуелді емес, ол тек металлға түскен жарықтың жиілігін өзгерткенде ғана өзгеріске ұшырайды. Толқын ұзындықтары ұлғайғанда (яғни жиіліктері азайғанда) металдан бөлінетін электрондар энергиясы кемиді, ал әрбір металдың өзіне тән белгілі толқын ұзындығында фотоэффект жойылады және жарықтың өте жоғары интенсивтілігінде де пайда болмайды. Мысалы, натрий қызыл немесе қызыл-сары жарықпен әсер еткенде фотоэффектіні көрсетпейді, ал толқын ұзындығы 590 нм кіші (сары түсті жарық) жағдайында электрон бөліне алады; литийде фотоэффект 516 нм бастап (жасыл түсті жарық) байқалады.

Фотоэлектрлік эффектінің қарастырылған қасиеттері жарықтың классикалық толқындық теориясы тұрғысынан түсіндіріле алмайды, оған сәйкес фотоэффект уақыт бірлігінде металл бетімен сіңірілген энергия мөлшерімен анықталуы тиіс. Алайда бұл қасиеттер жеңіл әрі анық түсіндіріледі, егер сәулелену белгілі энергиясы бар жеке порциялардан, фотондардан тұратын ескерсек.

Металдағы электрон металл атомымен байланысқан, оны бөліп алу үшін белгілі энергия жұмсалуы қажет. Егер фотонда қажетті энергия қоры болса (ал фотон энергиясы сәулелену жиілігімен анықталады), онда электрон бөліне алады, фотоэффект байқалады. Металмен әрекеттесу нәтижесінде фотон энергиясын түгел электронға береді, өйткені фотон бөлшектерге бөліне алмайды. Фотон энергиясының бір бөлігі электронның металдан бөлінуіне және екінші бөлігі электрон қозғалысының кинетикалық энергиясына жұмсалады. Сондықтан металдан бөлінген электронның максималды кинетикалық энергиясы фотон энергиясы мен электронның металл атомымен байланыс энергиясы айырмасынан артық болмайды. Ендеше, уақыт бірлігінде металл бетіне түсетін фотондар санын арттырғанда (яғни жарық интенсивтігін арттырғанда), металдан бөлінетін электрон саны ғана артады, бұл фототоқтың өсуіне әкеледі, бірақ әрбір электронның энергиясы өспейді. Егер фотон энергиясы электронды металдан бөліп алуға қажетті минималды энергиядан аз болса, жарықтың кез келген интенсивтілігінде фотоэффект байқалмайды.

Энштейннің толықтыруларынан кейін жарықтың кванттық теориясы тек фотоэлектрлік эффектісін түсіндіріп қана қоймай, жарықтың химиялық әсерінің заңдылықтарын да түсіндірді. Бұл теория атом және молекулалар құрылысы туралы түсініктердің дамуына маңызды үлес қосты.

Жарықтың кванттық теориясы фотонды бөлінуге қабілеті жоқ, металдан электронды ығыстырып шығарғанда біртұтас әрекет жасайтын бөлшек ретінде қарастырады. Тұтас бөлшек болып ол фотографиялық пленкаға әсер етіп, белгілі нүктелерде қараюды туғызады. Бұл жағдайларда фотон бөлшектік, яғни корпускулярлық қасиет көрсетеді. Алайда фотонға толқындық қасиеттер де тән, оны фотонның интерференцияға және дифракцияға қабілеттілігі арқылы көруге болады. Фотон классикалық түсінік бойынша бөлшек термині арқылы қарастырыла алмайды, себебі кез келген толқын тәрізді оның кеңістіктегі нақты орны көрсетілуі мүмкін емес. Бірақ ол классикалық толқыннан да ерекшеленеді - бөлшектерге бөлінбейтін қабілеті арқылы. Фотон корпускулярлық және толқындық қасиеттерді жинақтай отыра, не бөлшек, не толқын бола алмайды - оған корпускулярлық - толқындық дуализм тән болады.