Какой аспект частиц необходим для объяснения фотоэлектрического эффекта или эффекта Комптона?

Что мы имеем в виду, когда говорим, что для объяснения фотоэлектрического эффекта или эффекта Комптона требуется корпускулярная природа излучения, т. е. фотонов?

И фотон, и электрон являются точечными частицами в таблице элементарных частиц .

Нельзя сказать, что импульс и энергия являются отличительными свойствами частицы. Этими свойствами обладают и волны.

Классически частица описывается не только энергией и импульсом, но и конкретной точкой центра масс (x, y, z), что позволяет определить уникальную траекторию при заданных начальных условиях. Если это точечная частица, тем более. Точки удара также четко известны по траектории. Классическая частица ударяется о стену в определенной точке (y, z).

Ни один из этих двух процессов (фотоэлектрический и комптоновский) не годится для отображения корпускулярной природы элементарных частиц, поскольку их обнаружение зависит от распределения вероятностей, измеряемого накоплением множества событий.

Фотоэлектрический эффект демонстрирует, что фотоны существуют как отдельные энергетические пакеты, а не как непрерывная классическая волна, несущая энергию. То же самое с комптоновским рассеянием, когда фотон отдает часть своей энергии электрону. Но оба они не могут быть использованы как четкая демонстрация классического поведения частиц, потому что оба зависят от вероятностных распределений траекторий, нет уникальности траектории для одних и тех же граничных условий.

ИМО лучшая поучительная демонстрация двойственной природы элементарных частиц дается экспериментом с двумя щелями.

Природа частицы — это след каждого отдельного электрона, представляющий собой уникальную точку x, y на экране, как и ожидается в траектории частицы. Его положение кажется случайным, пока в скоплении не проявится волновая природа. Это распределение вероятностей, которое можно описать как комплексно-сопряженный квадрат волновой функции, описывающей «рассеяние электронов на двух щелях».

Лучшей демонстрацией природы частиц является изображение пи мюе распада в пузырьковой камере.

Пион от основного взаимодействия распадается на

Затем мюон распадается :

Трек до точки распада действует как классическая траектория, при этом импульсе и том же магнитном поле он будет иметь такой же круговой трек. В точке взаимодействия вступает вероятностный характер, связанный с волновой природой элементарной частицы: существует вероятностное распределение распределения того, как мю+ и ню_мю делят энергию импульса, и такое же распределение е+ nu_e и анти-nu_mu во втором распаде, и именно распределения вероятностей проявляют волновую природу.

Мгновенный ответ

Классическому электромагнитному излучению, падающему на металлическую пластину, потребовалось бы довольно много времени, чтобы накопить достаточно энергии, чтобы выбить электроны. Предположим, мощность$P = 1 \, \text{W}$на площади$A = 1 \, \text{m}^2$(соответствует$\sim 5 \cdot 10^{18}$поверхностные атомы). Сколько времени потребуется атому, чтобы собрать$e \Phi \sim 5 \, \text{eV} \approx 8 \cdot 10^{-19} \, \text{J}$требуется для ионизации? Если бы мощность распределялась между всеми поверхностными атомами поровну, это заняло бы$t = \frac{8 \cdot 10^{-19} \, \text{J}}{5 \cdot 10^{18} \cdot 1 \, \text{W}} = 4 \, \text{s}$пока у атома не будет достаточно энергии, чтобы высвободить один электрон. Но вы наблюдаете, что как только вы включаете свет, начинается эмиссия электронов. Само по себе это не обязательно требует объяснения с квантованным светом, поскольку можно прийти к идее о том, что интенсивность света неравномерно распределяется по металлической пластине или о некоторых механизмах в металле, которые имеют тенденцию концентрировать энергию на отдельных атомах ( и тем самым нарушая термодинамику).

Энергия высвобожденных электронов

Другое дело, что классическое электромагнитное поле не определяет энергию испускаемых электронов. Особенно в случае «классических» механизмов перераспределения энергии должен быть большой разброс энергий. Но что вы наблюдаете, когда освещаете металлическую пластину монохроматическим светом фотонной энергии?$h \nu$заключается в том, что кинетическая энергия электронов имеет очень резкий пик при$E_{\text{el}} = h \nu - e \Phi$(энергия фотона минус энергия связи металла).

Более того, если вы увеличиваете световой поток, это не меняет энергию электронов – увеличивается только их количество. Опять же, классического объяснения этому нет. Квантово-механическое объяснение квантов света (фотонов), взаимодействующих один на один с квантами заряда (электронами), решает как проблему с мгновенным откликом, так и проблему зависимости от потока энергии.

Дальнейшее обсуждение можно найти, например, в этом ответе на аналогичный вопрос, возможно, зайдя слишком далеко, чтобы объяснить его старшекласснику.

Комптон заметил, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения всегда больше длины волны входящего рентгеновского излучения. Этот сдвиг длины волны (частоты) - комптоновский сдвиг нельзя объяснить с помощью классической теории электромагнитных волн.

В низкоэнергетическом режиме рассеяние света свободной заряженной частицей называется рассеянием Томсона. В классической картине заряженная частица колеблется в электрическом поле падающего света и испускает излучение с той же частотой, но с интенсивностью, зависящей от интенсивности падающего света.

При комптоновском рассеянии рассеянный свет имеет большую длину волны, а значит, и меньшую энергию. Этот сдвиг зависит от угла рассеяния, а не от интенсивности падающего света.

Что касается фотоэлектрического эффекта, если вы рассматриваете свет как электромагнитную волну, вы ожидаете, что фотоэлектроны будут выбрасываться с некоторой задержкой во времени, потому что электромагнитная волна непрерывно передает энергию. Но это не то, что происходит.

Кроме того, с классической точки зрения интенсивность света должна влиять на кинетическую энергию фотоэлектронов, поскольку более высокая интенсивность означает более сильное электрическое поле. Но происходит то, что интенсивность света влияет на количество фотоэлектронов, а не на их кинетическую энергию. Другой аргумент заключается в том, что фотоэлектрический эффект возникает только в том случае, если падающий свет имеет достаточную энергию. В классической картине фотоэффект должен происходить независимо от частоты, если свет достаточно интенсивен. Но фотоэлектрический эффект возникает только в том случае, если частота света превышает пороговую частоту.