Фотонның массасы мен импульсі. Жарықтың корпускулалық (кванттық) және толқындық қасиеттерінің бірлігі

формулаларын пайдалана отырып, фотонның энергиясына, массасына және импульсіне арналған өрнектерді аламыз:

Бұл қатынастар фотонның кванттық (корпускулалық) сипаттамаларын - массасын, импульсі мен энергиясын - жарықтың толқындық сипаттамасымен – оның жиілігімен байланыстырады.

Жарықтың бір уақытта таралу заңдылықтарында, интерференция, дифракция, поляризация құбылыстарында байқалатын толқындық және жарықтың затпен әсерлесу құбылыстарында (жарық шығару, жұту, шашырату) көрінетін корпукулалық қасиеттері бар.

Жарықтың қысымы.

Егер фотонның импульсі болса, онда денеге түскен жарық осы денеге қысым түсіру қажет.

Айталық, жиілігі монохромат сәуле бетке перпендикуляр түссін. Егер 1с ішінде 1м² бетке N фотон түссе, онда жарықтың беттен ρ шағылу коэффициентінде дененің бетінен ρN фотон шағылады, ал (1-ρ)N фотон – жұтылады. Әрбір жұтылған фотон бетке р_γ импульс береді, ал әрбір шағылған фотон – -2р_γ. Жарықтың бетке түсірген қысымы 1с ішінде N фотоның бетке беретін импульсіне тең:

Беттің энергетикалық жарықталуы: (бірлік уақыт ішінде бірлік ауданға түскен барлық фотондардың энергиясы). Жарық энергиясының көлемдік тығыздығы:

.

Сонда:

Максвелл теңдеулеріне негізделген жарықтың толқындық теориясы дәл осындай нәтижеге алып келеді. Жарықтың толқындық теориясында жарықтың қысымы электромагниттік толқынның электр өрісі әсерінен металдардағы электрондар -ге қарсы бағытта қозғалуымен түсіндіріледі (суретте белгіленген бағытта). Электромагниттік толқынның магнит өрісі қозғалыстағы электрондарға металл бетіне перпендикуляр бағытта Лоренц күшімен әсер етеді (сол қол ережесі бойынша). Демек, электромагниттік толқын металл бетіне қысым түсіреді.

Комптон эффекті.

Жарықтың корпускулалық қасиеттері Комптон эффектінде айқын байқалады – қысқа толқынды электромагниттік сәулелердің (рентген және γ сәулеленудің) заттың бос (әлсіз байланысқан) электрондарында серпімді шашырауы. Осының салдарынан толқын ұзындығы ұзарады. Бұл ұзару түскен сәуленің толқын ұзындығына және шашыратқыш заттың табиғатына тәуелді емес, тек шашырау бұрышымен ғана анықталады:

Мұндағы λ’ шашыраған сәуленің толқын ұзындығы, λ_С – комптондық толқын ұзындығы. Электронда шашырағанда:

Фотон (энергиясы және импульсі ) электронмен соғылғанда ( электронның тыныштықтағы энергиясы, - электронның тыныштықтағы массасы), оған өз энергиясының және импульсінің бір бөлігін береді де қозғалыс бағытын өзгертеді (шашырайды). Осы серпімді соқтығыс кезінде энергияның және импульстің сақталу заңдары орындалады, мұндағы - соқтығыстан кейінгі электронның релятивлік энергиясы.

Сонымен

, .

Бұдан . ескерген мына өрнекті аламыз:

.

Комптон эффекті спектрдің көріну аймағында бақыланбайды, себебі көрінетін жарық фотонының энергиясы электронның атоммен байланыс энергиясына жуық, мұндай жағдайда тіпті атомның сыртқы электроның бос деп санауға болмайды.

Комптон эффекті, абсолют қара дененің жарық шығаруы және фотоэффект, жарықтың кванттық (корпускулалық) қасиеттерінің бар екенін көрсететін дәлел болып табылады.