Světlo II: Světlo jako částice

V prvním dílu seriálu o světle jsme se pokusili popsat vlastnosti světla pomocí elektromagnetického vlnění. Uvidíme, že tento popis světla je správný, ale dnes si ukážeme jevy, které povedou na další možnost popisu světla.

V roce 1905 Albert Einstein navrhl hypotézu, která neplynula z Maxwellových rovnic, ale kterou o pět let dříve použil Max Planck ve své přelomové práci o záření absolutně černého tělesa (i o ní si budeme v některém z příštích dílů seriálu povídat). Při emisi nebo absorpci světla atomem se energie přenáší diskrétně, tedy po malých “balíčcích” tzv. kvantech. Od roku 1926 se těmto malým “balíčkům” energie říká foton.

Má-li foton frekvenci f , pak podle této teorie má energii

kde h = 6,63 x 10^-34 Js se nazývá Planckova konstanta. Je to jedna z nejdůležitějších konstant dnešní fyziky, ale neboť má tak malou hodnotu, v makrosvětě se příliš neprojevuje. Podobně to je i v minulém díle zmiňovanou rychlostí světla c = 3 x 10⁸ m/s. S takovými rychlostmi se běžně nesetkáváme, proto jsou nám většinou jevy způsobené konečnou rychlostí světla běžně neznámy. Ve fyzice je výhodné používat redukovanější vztah pro energii

= 1,054 x 10^-34 Js je tzv. redukovaná Planckova konstanta.

Einsteina na tuto myšlenku přivedl pokus, za jehož vysvětlení obdržel Nobelovu cenu a to tzv. fotoelektrický jev.

Obr. 2: Schéma měření fotoelektrického jevu.Pokus spočíval v ozařování svazkem světla s dostatečně krátkou vlnovou délkou čistého kovového povrchu. Světlo z tohoto povrchu svou energií vyráželo elektrony jejichž energii bylo možné měřit pomocí proudu protékajícího obvodem. Překvapující na tomto pokus je, že nemá-li světlo dostatečnou frekvenci, žádné elektrony nebyly vyraženy, ať jsme intenzitu záření zvyšovali sebevíc. Navíc energie elektronu přesně odpovídala stavu kvantování.

Ještě větší průlom přineslo Einsteinovo rozšíření hypotézy o fotonech v roce 1916. Při interakci s hmotou můžou fotony předávat nejen energii, ale i hybnost. Navíc podobně jako při kvantování energie, i pro hybnost platil určitý zákon nejmenšího možného dělení. Dokázal, že hybnost se dá zapsat jako

kde je λ vlnová délka.

Takže nyní můžeme na světlo (svazek fotonů) pohlížet jako na proud částic! Zdá se to být postavené na hlavu? Bohužel ne. Příroda se nechová tak jednoduše, jak si lidé do té doby mysleli. Nesporný důkaz, že světlo má opravdu tuto povahu přinesl v roce 1923 Arthur Compton.

Ten měřil (a správně popsal) rozptyl rentgenového záření, který se dá vysvětlit pouze, tím že fotony mají hybnost.

Dnes již není pochyb o tomto zvláštním chování světla tzv. dualizmu. Navíc netrvalo dlouho a v roce 1924 Luis de Broglie  (na uvodním obrázku) ukázal, že nejen světlo se chová jako částice, ale že i všechny nám známe částice (elektrony, kvarky, apod.) mají i světelný dualizmus, tj. chovají se jako vlny.

Tato věda postoupila velmi dopředu a není možné v rámci tohoto seriálu povyprávět o všem, i proto se dnešní fyzici dělí na “vlnaře” a “částicové optiky”.

V příštím díle seriálu se dozvíme, co je to polarizované světlo a jak ho dnes využíváme.

jméno (povinné)

e-mail (nebude zveřejněn) (povinné)

web