Sebagaimana dicatat dalam § 184, hukum efek fotolistrik dijelaskan pada tahun 1905 oleh A. Einstein menggunakan konsep kuanta cahaya (foton). Menurut gagasan tersebut, energi medan elektromagnetik tidak dapat dibagi menjadi bagian-bagian yang sembarang, tetapi selalu dipancarkan dan diserap dalam porsi tertentu yang sama dengan . Berikut adalah frekuensi osilasi radiasi, dan konstanta Planck. Bagian energi medan elektromagnetik inilah yang disebut kuanta cahaya atau foton.
Sifat kuantum radiasi elektromagnetik biasanya terwujud dalam eksperimen ketika energi setiap foton cukup tinggi dan jumlah foton tidak terlalu besar. Namun dalam banyak eksperimen optik di mana sifat gelombang cahaya diamati dengan jelas, kita menghadapi situasi sebaliknya, ketika energi foton kecil dan jumlahnya sangat besar (lihat contoh di § 184). Itulah sebabnya sifat kuantum cahaya telah lama luput dari perhatian para peneliti.
Seperti disebutkan sebelumnya, dalam percobaan efek fotolistrik pada konduktor, ditemukan bahwa energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan di bawah pengaruh cahaya (yang disebut fotoelektron) berhubungan dengan fungsi kerja dan frekuensi gelombang elektromagnetik yang menyinari konduktor. konduktor oleh relasi
Hubungan ini dikonfirmasi pada tahun 1916 oleh fisikawan Amerika R. Millikan. Pengukuran Millikan yang halus dan hati-hati, yang dilakukan sesuai dengan skema eksperimental yang dijelaskan dalam § 183, memungkinkan untuk membangun hubungan linier antara energi maksimum yang diterima oleh elektron dari cahaya dan frekuensi cahaya ini, untuk menentukan sifat universal dari Planck. konstan dan untuk mengukur nilai ini 
. Dalam percobaan lebih lanjut, frekuensi kejadian radiasi pada permukaan logam bervariasi dalam rentang yang luas - dari cahaya tampak hingga sinar-X, dan sepanjang rentang frekuensi yang dipelajari, hasil pengukuran ternyata sangat sesuai dengan teori.
Dalam eksperimen dengan radiasi sinar-X, gagasan tentang kuanta mengalami pengujian yang sangat menyeluruh dan komprehensif. Memang, kuanta cahaya tampak (foton) memiliki energi yang sangat rendah - misalnya, untuk cahaya kuning dan 
. Oleh karena itu, untuk mendaftarkan cahaya seperti itu di sebagian besar eksperimen, kita harus berurusan dengan sejumlah besar foton per satuan waktu. Oleh karena itu, aksi yang dihasilkan oleh kuanta cahaya yang tersebar secara acak dan terbang ke segala arah sulit dibedakan dengan aksi gelombang yang menyebar secara merata ke segala arah. Semakin besar energi kuanta, semakin mudah untuk mengamati aksi kuantum individu dan, oleh karena itu, lebih mudah untuk melakukan percobaan untuk mengamati penyebaran energi radiasi tidak merata ke segala arah, tetapi dalam sekejap dalam satu arah. arah atau lainnya. Energi foton di wilayah spektrum sinar-X secara signifikan melebihi energi foton cahaya tampak. Selain itu, dalam eksperimen dengan radiasi sinar-X, lebih mudah untuk menerapkan kondisi emisi sejumlah kecil kuanta per satuan waktu.
Untuk memperoleh radiasi sinar-X, anoda tabung sinar-X perlu dibombardir dengan elektron (lihat §§ 151, 153). Setiap penghentian (pengereman) elektron pada zat anoda disertai dengan pancaran sinar-X. Teori kuanta cahaya memperkirakan bahwa dalam kasus yang paling menguntungkan, seluruh energi kinetik elektron setelah berhenti akan sepenuhnya diubah menjadi satu foton, yang energinya ditentukan dari kondisi tersebut. Jika elektron dipercepat oleh beda potensial, maka.
Jadi, frekuensi maksimum radiasi sinar-X diberikan oleh relasinya
Memang benar, pengukuran menegaskan bahwa spektrum sinar-X dalam percobaan tersebut dicirikan oleh batas panjang gelombang pendek
dimana adalah kecepatan cahaya, dan frekuensi radiasi maksimum sesuai dengan kondisi (209.2). Gelombang yang lebih pendek (nilai frekuensi yang lebih tinggi) tidak pernah diamati, tetapi lebih banyak gelombang panjang sesuai dengan transformasi hanya sebagian energi kinetik elektron menjadi sinar X. Penentuan batas panjang gelombang pendek spektrum sinar-X dapat dilakukan dengan sangat andal. Oleh karena itu, eksperimen tersebut digunakan untuk menentukan nilai konstanta Planck (sesuai dengan (209.2)). Pengukuran terbaik yang dilakukan dengan metode ini memberikan. Data ini sesuai dengan hasil pengukuran percobaan efek fotolistrik. Dengan demikian, teori kuantum dikonfirmasi dengan baik tidak hanya melalui eksperimen penyerapan energi radiasi (efek fotolistrik), tetapi juga melalui eksperimen emisinya.
Dengan mengatur jumlah elektron yang membombardir anoda tabung sinar-X, kita dapat mengubah jumlah foton sinar-X yang dipancarkan. Jika sekarang kita memaparkan pelat logam ke radiasi sinar-X, sehingga menyebabkan pelepasan fotoelektron, maka, seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen, energi kinetik elektron-elektron ini akan sama dengan energi kuanta sinar-X (karena energi elektron dan Kuanta sinar-X dalam percobaan tersebut adalah puluhan kilovolt, maka fungsi kerja elektron dari logam - beberapa elektron volt - dapat diabaikan).
Jadi, keseluruhan siklus transformasi energi dalam percobaan ini terlihat seperti ini: 1) transformasi usaha Medan listrik menjadi energi kinetik elektron dalam tabung sinar-X; 2) konversi energi kinetik elektron menjadi energi yang dipancarkan elektron selama pengereman tajam kuantum sinar-X; 3) penyerapan foton oleh elektron dan konversi energinya menjadi energi kinetik fotoelektron:
Eksperimen semacam itu dapat didiversifikasi secara signifikan dengan memanfaatkan kondisi eksperimen yang nyaman dengan radiasi sinar-X. Semuanya menunjukkan bahwa energi ditransfer dalam fenomena ini dalam porsi yang terkonsentrasi, dan tidak terakumulasi secara bertahap, seperti halnya transfer energi terus menerus dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Salah satu eksperimen paling meyakinkan jenis ini dilakukan oleh Abram Fedorovich Ioffe (1880-1960). Eksperimen langsung juga dilakukan untuk merekam foton individu, menunjukkan bahwa energi radiasi sinar-X merambat dari anoda tabung ke arah yang berbeda tidak secara bersamaan, tetapi dalam bentuk bagian (kuanta) yang terbang ke satu arah atau yang lain.
Jadi, studi tentang efek fotolistrik dan eksperimen dengan radiasi sinar-X telah secara meyakinkan menunjukkan bahwa cahaya dalam fenomena ini berperilaku bukan sebagai gelombang, tetapi sebagai partikel tertentu - foton, yang terbentuk selama radiasi, terbang ke beberapa arah dan, ketika diserap, melepaskan seluruh energinya ke partikel lain. Namun jika foton berperilaku seperti partikel dengan energi total, maka ia juga harus mempunyai momentum tertentu. Sebuah foton mempunyai kecepatan yang sama dengan kecepatan cahaya. Oleh karena itu, dari rumus umum mekanika relativistik (lihat §§ 199, 200) diharapkan mempunyai momentum
(209.3)
Seperti yang telah kita lihat sebelumnya (§200), ciri khas foton sama dengan nol massa diamnya: foton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya dan tidak dapat eksis sebagai partikel diam.
Fakta bahwa foton memiliki momentum secara tidak langsung berasal dari eksperimen tekanan cahaya (§ 65). Kemampuan cahaya untuk memberikan tekanan pada permukaan yang memantulkan atau menyerap harus ditafsirkan sebagai hasil dari transfer momentum oleh foton, seperti halnya molekul gas yang dipantulkan dari dinding wadah mentransfer momentum ke sana dan memberikan tekanan padanya (lihat Volume SAYA).
Peran yang sangat penting dalam pengembangan gagasan tentang foton sebagai beberapa partikel elementer dimainkan oleh eksperimen fisikawan Amerika Arthur Compton (1892-1962), di mana secara langsung ditunjukkan bahwa foton ketika tumbukan dengan elektron berperilaku seperti partikel dengan energi dan momentum berhubungan satu sama lain melalui relasi (209.3).
Saat mempelajari hamburan radiasi sinar-X dalam zat yang terbuat dari atom ringan (Gbr. 371), Compton pada tahun 1923 menemukan bahwa dalam hal ini terjadi perubahan panjang gelombang radiasi sinar-X, dan ia membuat hubungan antara perubahan tersebut. dalam panjang gelombang dan sudut hamburan:
(209,4)
Beras. 371. a) Skema eksperimen Compton. b) Spektrum radiasi sinar-X yang tersebar
Di sini konstanta awalnya ditentukan berdasarkan pengalaman. Hasil percobaan ini bertentangan dengan gagasan klasik tentang hamburan gelombang elektromagnetik oleh atom, yang menyatakan bahwa atom, di bawah pengaruh radiasi yang datang, harus mengalami osilasi paksa dan menjadi sumber gelombang hamburan yang memiliki frekuensi yang sama (yaitu, frekuensi). panjang gelombang yang sama) dengan gelombang datang.
Fenomena yang ditemukan oleh Compton, bagaimanapun, ditafsirkan secara sempurna menggunakan konsep foton. Eksperimen Compton dilakukan dengan kuanta sinar-X dengan energi. Energi ini besar dibandingkan energi ikat elektron pada atom ringan (beberapa elektron volt). Oleh karena itu, kita dapat berasumsi bahwa dalam percobaan terjadi tumbukan foton dengan elektron bebas (dan bukan dengan atom secara keseluruhan), mengingatkan pada tumbukan bola elastis. Menerapkan hukum kekekalan energi dan momentum (Gbr. 372) pada tumbukan ini, kita peroleh
(209.5)
Beras. 372. Tumbukan elastis foton dan elektron. Sebelum tumbukan, elektron dalam keadaan diam: - momentum foton datang, - momentum foton hamburan, - momentum elektron, - sudut hamburan foton
Saat menentukan, sifat vektor dari hukum kekekalan momentum harus diperhitungkan dan teorema trigonometri tentang hubungan antara panjang sisi-sisi segitiga harus diperhitungkan (Gbr. 372).
Ketika foton sinar-X berenergi tinggi dihamburkan, elektron mundur yang menerima momentum dari foton tersebut dapat memiliki kecepatan yang sebanding dengan kecepatan cahaya. Oleh karena itu, seseorang harus memperhitungkan pertumbuhan relativistik massanya dan menggunakan hukum mekanika relativistik (lihat §§ 199, 200), seperti yang dilakukan pada (209.5). Penyelesaian sistem persamaan (209.5), setelah beberapa transformasi, mengarah pada penjelasan kuantitatif mengenai hubungan efek Compton (209.4), yang sebelumnya ditetapkan secara eksperimental (lihat Latihan 19 di akhir bab ini). dengan kuanta energi yang sangat tinggi, hamburan Compton ditemukan tidak hanya pada interaksi dengan elektron, tetapi juga dengan partikel lain, misalnya dengan proton dan neutron. Jadi, dalam percobaan ini secara langsung ditetapkan bahwa foton berperilaku seperti partikel elementer tidak hanya dalam fenomena efek fotolistrik dan radiasi, tetapi juga dalam proses interaksi dengan elektron dan partikel lainnya.
Eksperimen selanjutnya menegaskan gagasan bahwa foton adalah partikel tertentu. Proses telah ditemukan di mana foton, ketika berinteraksi dengan inti atom, menghilang, dan sebagai gantinya terbentuk sepasang partikel elementer: elektron dan positron (partikel yang memiliki massa elektron dan muatan positif yang nilai absolutnya sama dengan muatan elektron), dan inti tetap tidak berubah (lihat § 223). Dalam percobaan tersebut terbukti bahwa elektron dan positron tidak terlepas dari inti, karena inti tetap tidak berubah, tetapi muncul di bawah pengaruh cahaya. Elektron, positron, dan inti yang tersebar memiliki energi dan impuls yang dipinjam dari foton yang hilang.
Ditemukan dan proses terbalik, ketika sebuah elektron dan positron, berinteraksi satu sama lain, tidak ada lagi sebagai partikel bermuatan elementer: muatannya saling dinetralkan, dan energi diamnya diubah menjadi energi sepasang foton yang terbentuk dalam proses ini, berhamburan dengan kecepatan cahaya.
Seperti yang akan kita lihat nanti (Bab XXV), transformasi timbal balik dari beberapa partikel menjadi partikel lain merupakan sifat yang sangat penting dan khas dari partikel tersebut, dan dalam pengertian ini, foton tidak berbeda dengan mikropartikel lain, seperti elektron, proton, dll.
Terakhir, harus dikatakan bahwa foton, seperti semua partikel lainnya, dapat mengalami aksi medan gravitasi. Dengan demikian, pengamatan akurat selama gerhana matahari total terhadap posisi bintang-bintang yang cahayanya lewat di dekat Matahari menunjukkan bahwa cahaya tersebut dipengaruhi oleh gaya tarik Matahari dan menyimpang dari jalur aslinya. Hal ini dapat dipahami secara kualitatif jika kita memperhitungkan bahwa foton memiliki energi, yang sesuai dengan “massa gerak” hingga tingkat permukaan bumi; adalah mungkin untuk mengamati perubahan frekuensi foton, yang bertepatan dengan prediksi teoretis:
,
dengan demikian menegaskan bahwa foton tunduk pada pengaruh gravitasi.
Jadi, seperti yang dapat kita lihat dengan mempertimbangkan banyak dan beragam eksperimen, dalam beberapa kasus cahaya harus dianggap sebagai aliran sel - foton yang memiliki sifat yang melekat pada mikropartikel lain. Namun, untuk menjelaskan fenomena seperti interferensi dan difraksi, kita harus melanjutkan dari sifat gelombang radiasi elektromagnetik. Kedua aspek alam - gelombang dan sel darah - sama pentingnya. Oleh karena itu, untuk menjelaskan semua ciri perilaku radiasi, ternyata perlu diketahui bahwa gelombang elektromagnetik dalam kondisi tertentu menunjukkan sifat aliran partikel. Pernyataan sebaliknya dapat dibuat dengan hak yang sama: partikel medan elektromagnetik - foton - dipamerkan sifat gelombang. Dualisme gelombang-partikel (dualitas) foton bertentangan dengan gagasan klasik yang sudah mapan, terpisah satu sama lain, tentang gelombang dan partikel.
Pada awalnya nampaknya foton memiliki ini sifat yang tidak biasa, berbeda secara signifikan dari partikel lain, seperti elektron atau proton. Namun, perkembangan lebih lanjut dari fisika dunia mikro telah memungkinkan untuk menetapkan bahwa dualisme gelombang-partikel sama sekali bukan ciri khusus foton, tetapi bersifat lebih umum.
Foton adalah partikel elementer, kuantum radiasi elektromagnetik.
Energi foton: ε = hv, dimana h = 6,626 · 10 -34 J s – Konstanta Planck.
Massa foton: m = h·v/c 2 . Rumus ini didapat dari rumus
ε = hv dan ε = m·c 2. Massa, yang didefinisikan dengan rumus m = h·v/c 2, adalah massa foton yang bergerak. Foton tidak mempunyai massa diam (m 0 = 0), karena foton tidak dapat berada dalam keadaan diam.
Momentum foton: Semua foton bergerak dengan kecepatan c = 3·10 8 m/s. Jelas sekali momentum foton P = m c, yang artinya
P = h·v/c = h/λ.
4. Efek fotolistrik eksternal. Karakteristik arus-tegangan dari efek fotolistrik. hukum Stoletov. persamaan Einstein
Efek fotolistrik eksternal adalah fenomena emisi elektron oleh suatu zat di bawah pengaruh cahaya.
Ketergantungan arus pada tegangan pada rangkaian disebut karakteristik arus-tegangan fotosel.
1) Jumlah fotoelektron N’ e yang dikeluarkan dari katoda per satuan waktu sebanding dengan intensitas cahaya yang mengenai katoda (hukum Stoletov). Atau dengan kata lain: arus saturasi sebanding dengan kekuatan radiasi yang datang pada katoda: Ń f = P/ε f.
2) Kecepatan maksimum V max yang dimiliki elektron saat keluar dari katoda hanya bergantung pada frekuensi cahaya ν dan tidak bergantung pada intensitasnya.
3) Untuk setiap zat terdapat frekuensi potong cahaya ν 0, di bawahnya tidak terjadi efek fotolistrik: v 0 = A keluar /jam. Persamaan Einstein: ε = A out + mv 2 max /2, dimana ε = hv adalah energi foton yang diserap, A out adalah fungsi kerja elektron yang meninggalkan zat, mv 2 max /2 adalah energi kinetik maksimum dari elektron yang dipancarkan.
Persamaan Einstein sebenarnya merupakan salah satu bentuk penulisan hukum kekekalan energi. Arus dalam fotosel akan berhenti jika semua fotoelektron yang dipancarkan diperlambat sebelum mencapai anoda. Untuk melakukan ini, perlu menerapkan tegangan balik (penahan) u ke fotosel, yang nilainya juga diperoleh dari hukum kekekalan energi:
|e|u з = mv 2 maks /2.
5. Tekanan ringan
Tekanan ringan adalah tekanan yang diberikan oleh cahaya yang jatuh pada permukaan suatu benda.
Jika kita menganggap cahaya sebagai aliran foton, maka menurut prinsip mekanika klasik, partikel yang bertabrakan dengan suatu benda harus mentransfer momentum, dengan kata lain, memberikan tekanan. Tekanan ini kadang-kadang disebut tekanan radiasi. Untuk menghitung tekanan ringan, Anda dapat menggunakan rumus berikut:
P = W/c (1+ P), dimana W adalah jumlah energi radiasi yang datang secara normal pada 1 m2 permukaan dalam 1 s; c adalah kecepatan cahaya, P- koefisien refleksi.
Jika cahaya jatuh membentuk sudut terhadap garis normal, maka tekanan dapat dinyatakan dengan rumus:
6. Efek Compton dan penjelasannya
Efek Compton (efek Compton) adalah fenomena perubahan panjang gelombang radiasi elektromagnetik akibat hamburan elektron.
Untuk hamburan oleh elektron yang diam, frekuensi foton yang dihamburkan adalah:
dimana adalah sudut hamburan (sudut antara arah rambat foton sebelum dan sesudah hamburan).
Panjang gelombang Compton adalah karakteristik parameter dimensi panjang dari proses kuantum relativistik.
λ С = h/m 0 e c = 2,4∙10 -12 m – Panjang gelombang Compton elektron.
Efek Compton tidak dapat dijelaskan dalam kerangka elektrodinamika klasik. Dari sudut pandang fisika klasik, gelombang elektromagnetik adalah benda kontinu dan, sebagai akibat hamburan elektron bebas, tidak boleh mengubah panjang gelombangnya. Efek Compton adalah bukti langsung kuantisasi gelombang elektromagnetik; dengan kata lain, efek ini menegaskan keberadaan foton. Efek Compton adalah bukti lain validitas dualitas gelombang-partikel mikropartikel.
Dalam interpretasi modernnya, hipotesis kuantum menyatakan energi E getaran suatu atom atau molekul bisa sama dengan Hν, 2 Hν, 3 Hν, dst., tetapi tidak ada osilasi energi dalam interval antara dua bilangan bulat berurutan yang merupakan kelipatan . Ini berarti bahwa energi tidak bersifat kontinu, seperti yang diyakini selama berabad-abad, namun terkuantisasi , yaitu. hanya ada dalam bagian-bagian terpisah yang ditentukan secara ketat. Bagian terkecil disebut kuantum energi . Hipotesis kuantum juga dapat dirumuskan sebagai pernyataan bahwa pada tingkat atom-molekul, getaran tidak terjadi dengan amplitudo apapun. Nilai yang valid amplitudo berhubungan dengan frekuensi getaran ν .
Pada tahun 1905, Einstein mengemukakan gagasan berani yang menggeneralisasi hipotesis kuantum dan menjadikannya dasar bagi teori cahaya baru (teori kuantum efek fotolistrik). Menurut teori Einstein , ringan dengan frekuensiν Tidak hanya dipancarkan, seperti yang diasumsikan Planck, tetapi juga menyebar dan diserap oleh zat dalam porsi terpisah (kuanta), energi siapa. Dengan demikian, perambatan cahaya harus dianggap bukan sebagai proses gelombang kontinu, tetapi sebagai aliran kuanta cahaya diskrit yang terlokalisasi di ruang angkasa, bergerak dengan kecepatan rambat cahaya dalam ruang hampa ( Dengan). Kuantum radiasi elektromagnetik disebut foton .
Seperti yang telah kami katakan, emisi elektron dari permukaan logam di bawah pengaruh radiasi yang mengenainya sesuai dengan gagasan cahaya sebagai gelombang elektromagnetik, karena Medan listrik Gelombang elektromagnetik mempengaruhi elektron dalam logam dan melumpuhkan beberapa di antaranya. Namun Einstein menarik perhatian pada fakta bahwa rincian efek fotolistrik yang diprediksi oleh teori gelombang dan teori cahaya foton (sel kuantum) berbeda secara signifikan.
Jadi, kita dapat mengukur energi elektron yang dipancarkan berdasarkan teori gelombang dan foton. Untuk menjawab pertanyaan teori mana yang lebih disukai, mari kita perhatikan beberapa rincian efek fotolistrik.
Mari kita mulai dengan teori gelombang dan berasumsi demikian pelat tersebut disinari dengan cahaya monokromatik. Gelombang cahaya dicirikan oleh parameter berikut: intensitas dan frekuensi(atau panjang gelombang). Teori gelombang memperkirakan bahwa ketika karakteristik ini berubah, fenomena berikut akan terjadi:
· dengan meningkatnya intensitas cahaya, jumlah elektron yang dikeluarkan dan energi maksimumnya akan meningkat, karena intensitas cahaya yang lebih tinggi berarti amplitudo medan listrik yang lebih besar, dan medan listrik yang lebih kuat mengeluarkan elektron dengan energi yang lebih besar;
elektron tersingkir; energi kinetik hanya bergantung pada intensitas cahaya datang.
Teori foton (sel darah) meramalkan sesuatu yang sangat berbeda. Pertama-tama, kita perhatikan bahwa dalam berkas monokromatik semua foton memiliki energi yang sama (sama dengan Hν). Peningkatan intensitas berkas cahaya berarti peningkatan jumlah foton dalam berkas, namun tidak mempengaruhi energinya jika frekuensinya tetap tidak berubah. Menurut teori Einstein, sebuah elektron terlempar dari permukaan logam ketika sebuah foton bertabrakan dengannya. Dalam hal ini, seluruh energi foton ditransfer ke elektron, dan foton lenyap. Karena elektron ditahan di dalam logam oleh gaya tarik-menarik; energi minimal diperlukan untuk menjatuhkan elektron dari permukaan logam A(yang disebut fungsi kerja dan, untuk sebagian besar logam, berada pada urutan beberapa elektron volt). Jika frekuensi cahaya datang kecil, maka energi dan energi foton tidak cukup untuk melumpuhkan elektron dari permukaan logam. Jika , maka elektron terbang keluar dari permukaan logam, dan energi dalam proses seperti itu dipertahankan, yaitu energi foton ( Hν) sama dengan energi kinetik elektron yang dipancarkan ditambah usaha menjatuhkan elektron dari logam:
| (2.3.1) |
Persamaan (2.3.1) disebut Persamaan Einstein untuk efek fotolistrik eksternal.
Berdasarkan pertimbangan tersebut, teori cahaya fotonik (sel darah) memperkirakan hal berikut.
1. Peningkatan intensitas cahaya berarti peningkatan jumlah foton yang datang, yang melumpuhkan lebih banyak elektron dari permukaan logam. Tetapi karena energi fotonnya sama, maka energi kinetik maksimum elektron tidak akan berubah ( dikonfirmasi SAYA hukum efek fotolistrik).
2. Dengan meningkatnya frekuensi cahaya datang, energi kinetik maksimum elektron meningkat secara linier sesuai dengan rumus Einstein (2.3.1). ( Konfirmasi II hukum efek fotolistrik). Grafik ketergantungan ini disajikan pada Gambar. 2.3.
 ,
|
Beras. 2.3
3. Jika frekuensi kurang dari frekuensi kritis, maka elektron tidak terlempar dari permukaan (III hukum).
Jadi, kita melihat bahwa prediksi teori sel (foton) sangat berbeda dengan prediksi teori gelombang, tetapi sangat bertepatan dengan tiga hukum efek fotolistrik yang ditetapkan secara eksperimental.
Persamaan Einstein dikonfirmasi oleh eksperimen Millikan yang dilakukan pada tahun 1913–1914. Perbedaan utama dari eksperimen Stoletov adalah permukaan logam dibersihkan dalam ruang hampa. Ketergantungan energi kinetik maksimum pada frekuensi dipelajari dan konstanta Planck ditentukan H.
Pada tahun 1926, fisikawan Rusia P.I. Lukirsky dan S.S. Prilezhaev menggunakan metode kapasitor bola vakum untuk mempelajari efek fotolistrik. Anodanya adalah dinding silinder bola kaca berlapis perak, dan katodanya adalah bola ( R≈ 1,5 cm) dari logam yang diteliti, ditempatkan di tengah bola. Bentuk elektroda ini memungkinkan untuk meningkatkan kemiringan karakteristik tegangan arus dan dengan demikian menentukan tegangan retardasi dengan lebih akurat (dan, akibatnya, H). Nilai konstanta Planck H, yang diperoleh dari percobaan ini, konsisten dengan nilai yang ditemukan dengan metode lain (dari radiasi benda hitam dan dari tepi panjang gelombang pendek dari spektrum sinar-X kontinu). Semua ini adalah bukti kebenaran persamaan Einstein, dan sekaligus teori kuantumnya tentang efek fotolistrik.
Untuk menjelaskan radiasi termal, Planck mengusulkan bahwa cahaya dipancarkan dalam bentuk kuanta. Einstein, ketika menjelaskan efek fotolistrik, mengemukakan bahwa cahaya diserap oleh kuanta. Einstein juga mengemukakan bahwa cahaya merambat dengan kuanta, yaitu. dalam porsi. Kuantum energi cahaya disebut foton . Itu. sekali lagi kita sampai pada konsep sel darah (partikel).
Konfirmasi paling langsung terhadap hipotesis Einstein diberikan oleh eksperimen Bothe, yang menggunakan metode kebetulan (Gbr. 2.4).
Beras. 2.4
Kertas logam tipis F ditempatkan di antara dua meter pelepasan gas SCH. Foil tersebut diterangi oleh berkas sinar-X yang lemah, di bawah pengaruhnya ia menjadi sumber sinar-X (fenomena ini disebut fluoresensi sinar-X). Karena intensitas sinar primer yang rendah, jumlah kuanta yang dipancarkan oleh foil menjadi kecil. Ketika kuanta mengenai penghitung, mekanismenya terpicu dan tanda dibuat pada pita kertas bergerak. Jika energi yang dipancarkan didistribusikan secara merata ke segala arah, sebagai berikut dari konsep gelombang, kedua penghitung harus beroperasi secara bersamaan dan tanda pada pita akan berlawanan satu sama lain. Kenyataannya, ada susunan tanda yang acak-acakan. Hal ini hanya dapat dijelaskan oleh fakta bahwa dalam aksi emisi tertentu muncul partikel-partikel cahaya yang terbang ke satu arah atau lainnya. Dengan cara inilah keberadaan partikel cahaya khusus – foton – dibuktikan secara eksperimental.
Sebuah foton memiliki energi
. Untuk cahaya tampak, panjang gelombang λ = 0,5 µm dan energi E= 2,2 eV, untuk sinar-X λ = µm dan E= 0,5 eV.
Foton memiliki massa inersia , yang dapat ditemukan dari relasi:
| ; |
| (2.3.2) |
Foton bergerak dengan kecepatan cahaya C= 3·10 8 m/s. Mari kita substitusikan nilai kecepatan ini ke dalam ekspresi massa relativistik:
 .
|
Foton adalah partikel yang tidak mempunyai massa diam. Ia hanya bisa ada dengan bergerak dengan kecepatan cahaya c .
Mari kita temukan hubungan antara energi dan momentum foton.
Kita mengetahui ungkapan relativistik untuk momentum:
| . | (2.3.3) |
Dan untuk energi:
| . | (2.3.4) |
Foton adalah partikel elementer, kuantum radiasi elektromagnetik Energi kuantum (yaitu, secara diskrit), di mana adalah konstanta Planck. momentum Jika kita menghubungkan dengan foton kehadiran yang disebut. “massa relativistik” berdasarkan hubungannya, maka akan terjadi Tidak ada massa diam untuk foton. Efek foton adalah emisi elektron dari suatu zat di bawah pengaruh cahaya (dan, secara umum, radiasi elektromagnetik apa pun). Rumus Einstein untuk efek foto:
Hν = A keluar + E k
Di mana A keluar- disebut fungsi kerja (energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari suatu zat), E k adalah energi kinetik elektron yang dipancarkan (tergantung kecepatannya, energi kinetik partikel relativistik dapat dihitung atau tidak), adalah frekuensi foton yang datang dengan energi Hν, H- Konstanta Planck.
Efek fotolistrik eksternal (emisi fotoelektron) adalah emisi elektron oleh suatu zat di bawah pengaruh radiasi elektromagnetik. 1) Kecepatan awal maksimum fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya yang datang, tetapi hanya ditentukan oleh frekuensinya. 2) Ada frekuensi minimum di mana efek fotolistrik mungkin terjadi (batas merah) 3) Arus saturasi bergantung pada intensitas cahaya yang datang pada sampel 4) Efek fotolistrik merupakan fenomena bebas inersia. Untuk menghentikan arus foto, tegangan negatif (tegangan mati) harus diterapkan ke anoda. 
Efek fotolistrik internal adalah perubahan konduktivitas elektronik suatu zat di bawah pengaruh cahaya. Fotokonduktivitas adalah karakteristik semikonduktor. Konduktivitas listrik semikonduktor dibatasi oleh kurangnya pembawa muatan. Ketika foton diserap, elektron berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Akibatnya, sepasang pembawa muatan terbentuk: sebuah elektron di pita konduksi dan sebuah lubang di pita valensi. Kedua pembawa muatan, ketika tegangan diterapkan ke semikonduktor, menghasilkan arus listrik.
Ketika fotokonduktivitas tereksitasi dalam semikonduktor intrinsik, energi foton harus melebihi celah pita. Dalam semikonduktor yang didoping, penyerapan foton dapat disertai dengan transisi dari tingkat yang terletak di celah pita, yang memungkinkan panjang gelombang cahaya yang menyebabkan fotokonduktivitas meningkat. Keadaan ini penting untuk mendeteksi radiasi infra merah. Kondisi untuk fotokonduktivitas tinggi juga merupakan koefisien penyerapan cahaya yang tinggi, yang diwujudkan dalam semikonduktor celah langsung.
16. Tekanan ringan.
Tekanan ringan adalah tekanan yang dihasilkan oleh gelombang cahaya elektromagnetik yang mengenai permukaan suatu benda. Teori kuantum cahaya menjelaskan tekanan cahaya sebagai akibat foton mentransfer momentumnya ke atom atau molekul materi. Misalkan N foton jatuh pada permukaan benda yang benar-benar hitam dengan luas S tegak lurus setiap detik: . Setiap foton mempunyai momentum. Total impuls yang diterima permukaan benda adalah sama. Tekanan ringan: 
.
- koefisien refleksi, - kerapatan energi radiasi volumetrik. Teori klasik 
17. Bremsstrahlung dan karakteristik radiasi sinar-X.
Sinar-X adalah gelombang elektromagnetik, energi fotonnya terletak pada skala gelombang elektromagnetik antara radiasi ultraviolet dan radiasi gamma, yang sesuai dengan panjang gelombang dari 10 −2 hingga 10 3 Å (dari 10 −12 hingga 10 −7 m) . 
Ilustrasi skema tabung sinar-X. X - sinar-X, K - katoda, A - anoda (kadang disebut antikatoda), C - heat sink, kamu H- tegangan filamen katoda, kamu A- tegangan percepatan, W in - saluran masuk pendingin air, W keluar - saluran keluar pendingin air. Ketika energi elektron yang membombardir anoda menjadi cukup untuk mengeluarkan elektron dari kulit bagian dalam atom, garis-garis tajam muncul dengan latar belakang bremsstrahlung. ciri radiasi. Frekuensi garis-garis ini bergantung pada sifat zat anoda, oleh karena itu disebut karakteristik.
Bremsstrahlung adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh partikel bermuatan ketika dihamburkan (diperlambat) dalam medan listrik. 
dp/dλ hv tidak boleh lebih besar dari energi eU. dari hukum kekekalan energi Sumber radiasi sinar-X yang paling umum adalah tabung sinar-X, di mana elektron-elektron yang dipercepat dengan kuat oleh medan listrik membombardir anoda (target logam yang terbuat dari logam berat, seperti W atau Pt) , mengalami perlambatan tajam di atasnya. Dalam hal ini muncul radiasi sinar-X, yaitu gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang kurang lebih 10 -12 -10 -8 m Sifat gelombang radiasi sinar-X dibuktikan dengan percobaan difraksi yang dibahas pada § 182.
Studi tentang komposisi spektral radiasi sinar-X menunjukkan bahwa spektrumnya memiliki struktur yang kompleks (Gbr. 306) dan bergantung pada energi elektron dan bahan anoda. Spektrum adalah superposisi spektrum kontinu, dibatasi pada sisi panjang gelombang pendek oleh batas tertentu min, yang disebut batas spektrum kontinu, dan spektrum garis - kumpulan garis-garis individual yang muncul dengan latar belakang spektrum kontinu.
Penelitian telah menunjukkan bahwa sifat spektrum kontinu sepenuhnya tidak bergantung pada bahan anoda, namun hanya ditentukan oleh energi elektron yang membombardir anoda. Sebuah studi rinci tentang sifat-sifat radiasi ini menunjukkan bahwa radiasi ini dipancarkan oleh elektron yang membombardir anoda sebagai akibat dari perlambatannya selama interaksi dengan atom target. Oleh karena itu, spektrum sinar-X kontinu disebut spektrum bremsstrahlung. Kesimpulan ini sesuai dengan teori radiasi klasik, karena ketika muatan bergerak diperlambat, radiasi dengan spektrum kontinu seharusnya muncul.
Namun teori klasik tidak menyiratkan adanya batas panjang gelombang pendek dari spektrum kontinu. Dari percobaan dapat disimpulkan bahwa semakin besar energi kinetik elektron yang menyebabkan bremsstrahlung sinar-X, semakin kecil min. Keadaan ini, serta keberadaan batas itu sendiri, dijelaskan oleh teori kuantum. Jelasnya, energi pembatas suatu kuantum berhubungan dengan kasus pengereman di mana semua energi kinetik elektron diubah menjadi energi kuantum, yaitu.
Di mana kamu- perbedaan potensial yang menyebabkan energi diberikan kepada elektron E maks, max - frekuensi yang sesuai dengan batas spektrum kontinu. Oleh karena itu panjang gelombang terputus
Diagram Feynman untuk hamburan foton-foton. Foton sendiri tidak dapat berinteraksi satu sama lain karena merupakan partikel netral. Oleh karena itu, salah satu foton berubah menjadi pasangan partikel-antipartikel, yang berinteraksi dengan foton lainnya.
Fisikawan dari kolaborasi ATLAS untuk pertama kalinya mencatat efek hamburan kuanta cahaya, foton, pada foton. Efek ini adalah salah satu prediksi elektrodinamika kuantum tertua; efek ini telah dijelaskan secara teoritis lebih dari 70 tahun yang lalu, namun belum ditemukan secara eksperimental. Menariknya, hal ini melanggar persamaan klasik Maxwell, karena merupakan fenomena kuantum murni. Studi ini dipublikasikan minggu ini di jurnal Fisika Alam, namun, pracetak artikel tersebut diterbitkan pada bulan Februari 2017. Detail tentang hal itu dilaporkan oleh portal "Elements.ru"
Salah satu sifat utama elektrodinamika Maxwellian klasik adalah prinsip superposisi medan elektromagnetik dalam ruang hampa. Ini memungkinkan Anda untuk langsung menambahkan bidang dari biaya yang berbeda. Karena foton adalah eksitasi medan, dalam kerangka elektrodinamika klasik, foton tidak dapat berinteraksi satu sama lain. Sebaliknya, mereka harus melewati satu sama lain dengan bebas.
Magnet detektor ATLAS
Elektrodinamika kuantum memperluas pengaruh teori klasik pada pergerakan partikel bermuatan dengan kecepatan mendekati cahaya; selain itu, ia memperhitungkan kuantisasi energi medan. Berkat ini, dalam elektrodinamika kuantum, fenomena tidak biasa yang terkait dengan proses energi tinggi dapat dijelaskan - misalnya, kelahiran pasangan elektron dan positron dari ruang hampa di medan intensitas tinggi.
Dalam elektrodinamika kuantum, dua foton dapat saling bertabrakan dan berhamburan. Namun proses ini tidak terjadi secara langsung - kuanta cahaya tidak bermuatan dan tidak dapat berinteraksi satu sama lain. Sebaliknya, terjadi pembentukan perantara pasangan partikel-antipartikel virtual (elektron-positron) dari satu foton, yang dengannya foton kedua berinteraksi. Proses seperti ini sangat tidak mungkin terjadi pada kuanta cahaya tampak. Hal ini dapat diperkirakan dari fakta bahwa cahaya dari quasar yang terletak 10 miliar tahun cahaya mencapai Bumi. Tetapi dengan meningkatnya energi foton, kemungkinan terjadinya proses kelahiran elektron maya meningkat.
Hingga saat ini, intensitas dan energi laser terkuat sekalipun tidak cukup untuk melihat hamburan foton secara langsung. Namun, para peneliti telah menemukan cara untuk melihat proses ini secara tidak langsung, misalnya, dalam proses peluruhan satu foton menjadi sepasang kuanta berenergi lebih rendah di dekat inti atom yang berat.
Pengamatan langsung hamburan foton pada foton hanya dapat dilakukan di Large Hadron Collider. Proses ini menjadi terlihat dalam eksperimen setelah peningkatan energi partikel dalam akselerator pada tahun 2015 - dengan peluncuran Run 2. Fisikawan dari kolaborasi ATLAS mempelajari proses tumbukan “ultraperipheral” antara inti timbal berat, yang dipercepat oleh penumbuk menjadi energi sebesar 5 teraelektronvolt per nukleon inti. Dalam tumbukan seperti itu, inti-inti itu sendiri tidak saling bertabrakan secara langsung. Sebaliknya, medan elektromagnetiknya berinteraksi, di mana foton berenergi sangat besar muncul (hal ini disebabkan oleh kedekatan kecepatan inti dengan kecepatan cahaya).
Peristiwa hamburan foton-ke-foton (sinar kuning)
Tabrakan ultraperiferal sangat murni. Di dalamnya, jika hamburan berhasil, hanya sepasang foton dengan impuls transversal yang diarahkan ke arah berbeda yang muncul. Sebaliknya, tumbukan nuklir biasa menghasilkan ribuan partikel fragmen baru. Di antara empat miliar peristiwa yang dikumpulkan oleh ATLAS pada tahun 2015 dari statistik tumbukan inti timbal, para ilmuwan dapat memilih 13 yang terkait dengan hamburan. Ini sekitar 4,5 kali lebih besar dari sinyal latar belakang yang diharapkan oleh fisikawan.
Skema proses hamburan di collider. Dua bola meriam terbang mendekat - mereka medan elektromagnetik berinteraksi
Kolaborasi ATLAS
Kolaborasi ini akan terus mempelajari prosesnya pada akhir tahun 2018, ketika collider akan kembali menjadi tuan rumah sesi tumbukan inti berat. Menariknya, detektor ATLAS-lah yang ternyata cocok untuk mencari peristiwa hamburan foton-foton yang jarang terjadi, meskipun eksperimen lain, ALICE, dirancang khusus untuk menganalisis tumbukan inti atom berat.
Saat ini, Large Hadron Collider sedang mengumpulkan statistik tumbukan proton-proton. Baru-baru ini, para ilmuwan tentang penemuan baryon terpesona ganda pertama pada akselerator, dan pada musim semi, fisikawan dari kolaborasi ATLAS tentang kejadian berlebih yang tidak biasa dalam kelahiran dua boson interaksi lemah di wilayah energi tinggi (sekitar tiga teraelektronvolt). ). Ini mungkin menunjukkan partikel superberat baru, tetapi signifikansi statistik dari sinyal tersebut belum melebihi tiga sigma.
Vladimir Korolev
| Berhubungan dengan: |