Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №12

Когда электрон переходит из внешней оболочки атома во внутреннюю, он теряет энергию, высвобождаемую в виде фотона. Если электрон переходит с энергетического уровня Е₁, на более низкий энергетический уровень Е₂, энергия испускаемого фотона hf = Е₁ — Е₂. Легкие атомы испускают фотоны видимого или ультрафиолетового диапазона. Фотоны рентгеновского излучения испускаются, когда заполняются места во внутренних оболочках больших атомов, γ-фотоны испускаются, когда ядра с избытком энергии возвращаются к основному состоянию.

Для точечного источника фотонов, излучающего энергию с интенсивностью W, количество

N фотонов, излучаемых источником в секунду, равно W/hf, поскольку каждый фотон обладает энергией hf. Отсюда количество фотонов в секунду, проходящих под прямым углом через единицу площади поверхности на расстоянии r от источника равно (W/hf)/4πr². Интенсивность излучения на расстоянии r от источника равна энергии, проходящей в секунду под прямым углом через единицу поверхности W

/4πr² = Nhf/4πr². Следовательно, интенсивность зависит от расстояния и изменяется согласно закону обратного квадрата, который применим и к свету, излучаемому звездой, и к интенсивности радиации из источника γ-излучения. В обоих, случаях предполагается, что излучение не поглощается, поэтому интенсивность уменьшается от того, что излучение распространяется равномерно во всех направлениях.

См. также статьи «Законы обратных квадратов», «Энергетические уровни атомов».

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Фотонная теория электромагнитного излучения была разработана Эйнштейном для объяснения фотоэлектрического эффекта, который представляет собой испускание электронов холодным металлом при направлении на его поверхность луча света свыше определенной частоты. Этот эффект открыл в 1888 году Холвакс, обнаруживший, что изолированная заряженная цинковая пластина разряжалась, когда ее облучали ультрафиолетовым светом. Дальнейшие исследования показали: металл испускает электроны при освещении и эффект не возникает, если частота света меньше определенной пороговой величины, независимо от интенсивности света.

В каждом металле содержатся электроны проводимости, оторванные от ядер и свободно движущиеся между ними. При нагревании металла эти электроны приобретают кинетическую энергию и начинают двигаться быстрее. Находясь у поверхности металла, они могут приобретать кинетическую энергию также под действием света, направленного на поверхность. Наличие пороговой частоты не объясняется из волновой теории света, согласно которой свет любой частоты мог бы служить причиной фотоэлектронной эмиссии.

В 1905 году Эйнштейн предложил новое объяснение: свет состоит из мельчайших порций электромагнитного излучения, которые ученый назвал фотонами. Он предположил, что энергия фотона Е пропорциональна его частоте/в соответствии с уравнением Е = hf где h — постоянная Планка. Если свет направлен на поверхность металла, электроны на его поверхности поглощают фотоны. Каждый электрон, поглощающий фотон, в результате этого приобретает кинетическую энергию, равную энергии фотона (hf

). Чтобы оторваться от поверхности незаряженного металла, электрон должен приобрести минимальное количество энергии, называемой работой выхода ф. Кинетической энергией электрона до того, как он поглотил фотон, можно пренебречь. Отсюда электрон, поглотивший фотон, может оторваться от поверхности металла, если энергия фотона превысит работу выхода (т. е. hf>ф). Таким образом, фотоэлектронная эмиссия может происходить на поверхности незаряженного металла, только если частота света превышает ф/h что и называется пороговой частотой металла.

См. также статьи «Фотон», «Электромагнитные волны».

ЦВЕТ 1 — СПЕКТР БЕЛОГО СВЕТА

Спектр белого света состоит из электромагнитных волн, имеющих длину от 350 (фиолетовый) до 650 нм (красный). Мы воспринимаем цвет благодаря трем типам светочувствительных клеток, называемых колбочками и расположенных в сетчатке глаза. Каждый тип клеток обладает максимальной чувствительностью к разным частям светового спектра, соответствующим основным цветам света — синему, зеленому и красному.

• Когда мы смотрим на белый предмет в белом свете, наш глаз воспринимает фотоны различных длин волн в диапазоне от 350 до 650 нм, отразившиеся от поверхности этого предмета и попавшие в наш глаз. В результате возбуждаются все три типа колбочек, а наш мозг воспринимает их сигналы как белый цвет.

• Когда мы наблюдаем какой-то отдельный цвет радуги, фотоны определенной длины возбуждают один определенный тип колбочек; здесь возможны сочетания. Например, желтый свет состоит из фотонов с длиной волны около 600 нм, возбуждающих колбочки, чувствительные к красному и зеленому цветам. Мозг интерпретирует поступающие от них сигналы как желтый цвет.