Kama ilivyoonyeshwa katika § 184, sheria za athari ya picha zilielezewa mnamo 1905 na A. Einstein kwa kutumia dhana ya quanta nyepesi (photons). Kwa mujibu wa mawazo haya, nishati ya uwanja wa umeme haiwezi kugawanywa katika sehemu za kiholela, lakini daima hutolewa na kufyonzwa katika sehemu fulani sawa na. Hapa kuna mzunguko wa oscillation kwa mionzi, na ni ya Planck ya mara kwa mara. Ni sehemu hizi za nishati ya uwanja wa sumakuumeme ambazo huitwa quanta nyepesi au fotoni.
Asili ya quantum ya mionzi ya sumakuumeme hujidhihirisha katika majaribio kama haya wakati nishati ya kila fotoni iko juu vya kutosha na idadi ya fotoni sio kubwa sana. Lakini katika majaribio mengi ya macho ambayo mali ya wimbi la mwanga huzingatiwa wazi, tunakutana na hali tofauti, wakati nishati za photon ni ndogo na idadi yao ni kubwa sana (angalia mfano katika § 184). Ndio maana asili ya quantum ya mwanga kwa muda mrefu imekuwa ikikosa umakini wa watafiti.
Kama ilivyoelezwa hapo awali, katika majaribio juu ya athari ya picha ya kondakta, iligunduliwa kuwa kiwango cha juu cha nishati ya kinetic ya elektroni iliyotolewa chini ya ushawishi wa mwanga (kinachojulikana kama photoelectrons) inahusiana na kazi ya kazi na mzunguko wa mawimbi ya sumakuumeme inayowasha. kondakta kwa uhusiano
Uhusiano huu ulithibitishwa mwaka wa 1916 na mwanafizikia wa Marekani R. Millikan. Vipimo vya hila na makini vya Millikan, vilivyofanywa kulingana na mpango wa majaribio ulioelezwa katika § 183, ilifanya iwezekanavyo kuanzisha uhusiano wa mstari kati ya nishati ya juu iliyopokelewa na elektroni kutoka kwa mwanga na mzunguko wa mwanga huu, ili kuamua asili ya ulimwengu ya Planck. mara kwa mara na kupima thamani hii 
. Katika majaribio zaidi, mzunguko wa tukio la mionzi kwenye uso wa chuma ulitofautiana kwa anuwai - kutoka kwa mwanga unaoonekana hadi mionzi ya X, na katika safu nzima ya masafa iliyosomwa, matokeo ya kipimo yalikubaliana vyema na nadharia.
Katika majaribio ya mionzi ya X-ray, mawazo kuhusu quanta yalifanyiwa majaribio ya kina na ya kina. Hakika, quanta ya mwanga inayoonekana (photons) ina nishati ndogo sana - kwa mfano, kwa mwanga wa njano na 
. Kwa hiyo, kusajili mwanga huo katika majaribio mengi mtu anapaswa kukabiliana na idadi kubwa ya photoni kwa wakati wa kitengo. Kwa mujibu wa hili, hatua inayozalishwa na quanta ya mwanga iliyosambazwa kwa nasibu kuruka pande zote ni vigumu kutofautisha kutoka kwa hatua ya wimbi linaloenea kwa usawa katika pande zote. Nishati kubwa ya quanta, ni rahisi zaidi kuchunguza hatua ya mtu binafsi na, kwa hiyo, ni rahisi kufanya majaribio ya kuchunguza kuenea kwa nishati ya mionzi si sawasawa katika pande zote, lakini kwa mwanga katika moja. mwelekeo au mwingine. Nishati ya fotoni katika eneo la X-ray ya wigo kwa kiasi kikubwa huzidi nishati ya fotoni za mwanga unaoonekana. Kwa kuongeza, katika majaribio ya mionzi ya X-ray, ni rahisi kutekeleza masharti ya utoaji wa idadi ndogo ya quanta kwa muda wa kitengo.
Ili kupata mionzi ya x-ray, ni muhimu kupiga bomba anode ya bomba la x-ray na elektroni (tazama §§ 151, 153). Kuacha yoyote (braking) ya elektroni katika dutu ya anode kunafuatana na utoaji wa X-rays. Nadharia ya quanta nyepesi inatabiri kuwa katika hali nzuri zaidi, nishati nzima ya kinetic ya elektroni baada ya kuacha itabadilishwa kabisa kuwa fotoni moja, nishati ambayo imedhamiriwa kutoka kwa hali hiyo. Ikiwa elektroni iliharakishwa na tofauti inayowezekana, basi.
Kwa hivyo, mzunguko wa juu wa mionzi ya X-ray hutolewa na uhusiano
Hakika, vipimo vilithibitisha kuwa wigo wa X-ray katika majaribio kama haya una sifa ya mpaka wa urefu wa wimbi fupi.
ni wapi kasi ya mwanga, na mzunguko wa juu wa mionzi ni sawa na hali (209.2). Mawimbi mafupi (maadili ya juu ya mzunguko) hayazingatiwi kamwe, lakini zaidi mawimbi marefu yanahusiana na mabadiliko ya sehemu tu nishati ya kinetic elektroni kwenye x-rays. Uamuzi wa mpaka wa urefu mfupi wa wigo wa X-ray unaweza kufanywa kwa uhakika kabisa. Kwa hiyo, majaribio hayo yalitumiwa kuamua thamani ya mara kwa mara ya Planck (kulingana na (209.2)). Vipimo bora vilivyotengenezwa na njia hii vilitoa. Data hizi zinalingana na matokeo ya kipimo katika majaribio ya athari ya fotoelectric. Kwa hivyo, nadharia ya quantum imethibitishwa vizuri sio tu na majaribio juu ya kunyonya nishati ya mionzi (athari ya picha), lakini pia na majaribio juu ya utoaji wake.
Kwa kurekebisha idadi ya elektroni zinazoshambulia anodi ya bomba la X-ray, tunaweza kubadilisha idadi ya fotoni za X-ray iliyotolewa. Ikiwa sasa tutafichua sahani ya chuma kwa mionzi ya X-ray, na hivyo kusababisha kutolewa kwa photoelectrons, basi, kama majaribio yanavyoonyesha, nishati ya kinetic ya elektroni hizi itakuwa sawa na nishati ya X-ray quanta (kwani nishati ya elektroni na X-ray quanta katika majaribio hayo ni makumi ya kilovolts, basi kazi ya kazi ya elektroni kutoka chuma - volts chache elektroni - inaweza kupuuzwa).
Kwa hivyo, mzunguko mzima wa mabadiliko ya nishati katika majaribio haya inaonekana kama hii: 1) mabadiliko ya kazi uwanja wa umeme ndani ya nishati ya kinetic ya elektroni kwenye bomba la X-ray; 2) ubadilishaji wa nishati ya kinetic ya elektroni kuwa nishati iliyotolewa na elektroni wakati wa kuvunja mkali wa quantum ya X-ray; 3) kunyonya kwa fotoni na elektroni na ubadilishaji wa nishati yake kuwa nishati ya kinetic ya photoelectron:
Majaribio kama haya yanaweza kubadilishwa sana kwa kuchukua fursa ya hali rahisi ya majaribio na mionzi ya X-ray. Zote zinaonyesha kuwa nishati huhamishwa katika matukio haya katika sehemu zilizojilimbikizia, na hazikusanyiko polepole, kama ingekuwa kesi na uhamishaji unaoendelea wa nishati katika fomu. wimbi la umeme. Moja ya majaribio ya kushawishi ya aina hii yalifanywa na Abram Fedorovich Ioffe (1880-1960). Majaribio ya moja kwa moja yalifanywa pia kurekodi picha za mtu binafsi, kuonyesha kwamba nishati ya mionzi ya X-ray hueneza kutoka kwa anode ya tube kwa njia tofauti si wakati huo huo, lakini kwa namna ya sehemu (quanta) kuruka kwa mwelekeo mmoja au nyingine.
Kwa hivyo, uchunguzi wa athari ya picha ya umeme na majaribio ya mionzi ya X-ray umeonyesha kwa hakika kwamba mwanga hutenda katika matukio haya sio kama wimbi, lakini kama chembe fulani - photon, ambayo huundwa wakati wa mionzi, nzi katika mwelekeo fulani na, inapofyonzwa, hutoa nishati yake yote chembe nyingine. Lakini ikiwa fotoni hufanya kama chembe iliyo na nishati jumla, basi lazima pia iwe na kasi fulani. Photon ina kasi sawa na kasi ya mwanga. Kwa hivyo, kutoka kwa fomula za jumla za mechanics ya relativitiki (ona §§ 199, 200) inapaswa kutarajiwa kuwa itakuwa na kasi.
(209.3)
Kama tulivyoona hapo awali (§200), kipengele tofauti photon ni sawa na sifuri ya wingi wake wa kupumzika: fotoni daima husogea kwa kasi ya mwanga na haiwezi kuwepo kama chembe wakati wa kupumzika.
Ukweli kwamba fotoni zina kasi hufuata moja kwa moja kutoka kwa majaribio ya shinikizo la mwanga (§ 65). Uwezo wa mwanga kutoa shinikizo kwenye uso unaoakisi au unaonyonya unapaswa kufasiriwa kama matokeo ya uhamishaji wa kasi na fotoni, kama vile molekuli za gesi zinavyoakisiwa kutoka kwa ukuta wa kasi ya uhamishaji wa kontena kwenda kwake na kushinikiza juu yake (ona Kiasi mimi).
Jukumu muhimu sana katika ukuzaji wa maoni juu ya fotoni kama chembe zingine za msingi zilichezwa na majaribio ya mwanafizikia wa Amerika Arthur Compton (1892-1962), ambayo ilionyeshwa moja kwa moja kuwa fotoni kwenye migongano na elektroni hufanya kama chembe na nishati na. kasi inayohusiana na kila mmoja na uhusiano (209.3).
Wakati akisoma kutawanya kwa mionzi ya X-ray katika dutu iliyotengenezwa na atomi nyepesi (Mchoro 371), Compton mnamo 1923 aligundua kuwa katika kesi hii mabadiliko ya urefu wa mionzi ya X-ray hufanyika, na akaanzisha uhusiano kati ya mabadiliko. kwa urefu wa wimbi na pembe ya kutawanya:
(209,4)
Mchele. 371. a) Mpango wa majaribio ya Compton. b) Wigo wa mionzi ya X-ray iliyotawanyika
Hapa mara kwa mara iliamuliwa awali kutokana na uzoefu. Matokeo ya majaribio haya yanapingana na mawazo ya kitamaduni kuhusu kutawanyika kwa mawimbi ya sumakuumeme na atomi, kulingana na ambayo atomi, chini ya ushawishi wa mionzi ya tukio, inapaswa kupata msisimko wa kulazimishwa na kuwa chanzo cha mawimbi yaliyotawanyika kuwa na mzunguko sawa (yaani. urefu sawa wa wimbi) kama wimbi la tukio.
Jambo lililogunduliwa na Compton, hata hivyo, lilitafsiriwa kikamilifu kwa kutumia dhana ya fotoni. Majaribio ya Compton yalifanywa kwa x-ray quanta na nishati. Nishati hii ni kubwa ikilinganishwa na nishati ya kisheria ya elektroni katika atomi nyepesi (volti kadhaa za elektroni). Kwa hiyo, tunaweza kudhani kuwa katika majaribio mgongano wa photon na elektroni ya bure (na si kwa atomi kwa ujumla) ilitokea, kukumbusha mgongano wa mipira ya elastic. Kwa kutumia sheria za uhifadhi wa nishati na kasi (Kielelezo 372) kwa mgongano huu, tunapata.
(209.5)
Mchele. 372. Mgongano wa elastic wa fotoni na elektroni. Kabla ya mgongano, elektroni imepumzika: - kasi ya fotoni ya tukio, - kasi ya fotoni iliyotawanyika, - kasi ya elektroni, - pembe ya kutawanyika kwa fotoni.
Wakati wa kuamua, mtu anapaswa kuzingatia asili ya vector ya sheria ya uhifadhi wa kasi na kutumia theorem ya trigonometric juu ya uhusiano kati ya urefu wa pande za pembetatu (Mchoro 372).
Fotoni za X-ray zenye nishati nyingi zinapotawanywa, elektroni za nyuma zinazopokea kasi kutoka kwa fotoni hizi zinaweza kuwa na kasi zinazolingana na kasi ya mwanga. Kwa hiyo, mtu anapaswa kuzingatia ukuaji wa uwiano wa wingi wao na kutumia sheria za mechanics ya relativistic (ona §§ 199, 200), kama ilivyofanywa katika (209.5). Suluhisho la mfumo wa milinganyo (209.5) huongoza, baada ya mabadiliko fulani, kwa maelezo ya kiasi ya uhusiano wa athari ya Compton (209.4), iliyoanzishwa awali kwa majaribio (ona Zoezi la 19 mwishoni mwa sura). Baadaye, katika majaribio. na quanta ya juu sana ya nishati, kueneza kwa Compton hakugunduliwa tu kwa mwingiliano na elektroni, lakini pia na chembe nyingine, kwa mfano na protoni na neutroni. Kwa hivyo, katika majaribio haya ilianzishwa moja kwa moja kuwa fotoni hufanya kama chembe ya msingi sio tu katika hali ya athari ya picha na mionzi, lakini pia katika michakato ya mwingiliano na elektroni na chembe zingine.
Majaribio yaliyofuata yalithibitisha wazo kwamba fotoni ni chembe fulani. Michakato imepatikana ambayo fotoni, inapoingiliana na viini vya atomiki, hupotea, na badala yake jozi ya chembe za msingi huundwa: elektroni na positron (chembe iliyo na wingi wa elektroni na chaji chanya sawa na dhamana kamili. malipo ya elektroni), na kiini bado bila kubadilika (tazama § 223). Katika majaribio haya ilithibitishwa kuwa elektroni na positroni hazitolewa kutoka kwenye kiini, kwa sababu kiini kinabakia bila kubadilika, lakini hutokea chini ya ushawishi wa mwanga. Elektroni zilizotawanyika, positron na kiini zina nguvu na msukumo ambazo hukopa kutoka kwa photon iliyopotea.
Iligunduliwa na mchakato wa kurudi nyuma, wakati elektroni na positroni, zikiingiliana na kila mmoja, huacha kuwepo kama chembe za msingi za kushtakiwa: chaji zao hazibadilishwi, na nguvu zao za kupumzika hubadilishwa kuwa nishati ya jozi ya fotoni zinazoundwa katika mchakato huu, zikitawanyika kwa kasi. ya mwanga.
Kama tutakavyoona baadaye (Sura ya XXV), mabadiliko kama haya ya kuheshimiana ya chembe zingine kuwa zingine ni mali muhimu sana na tabia yao, na kwa maana hii, fotoni sio tofauti na chembe ndogo zingine, kama elektroni, protoni, nk.
Mwishowe, inapaswa kusemwa kwamba fotoni, kama chembe zingine zote, zinaweza kupata utendakazi wa uwanja wa mvuto. Kwa hivyo, uchunguzi sahihi wakati wa kupatwa kwa jua kwa jumla ya nafasi ya nyota, mwanga ambao hupita karibu na Jua, unaonyesha kuwa mwanga huu unakabiliwa na mvuto wa Jua na hutoka kwenye njia yake ya awali. Hii inaweza kueleweka kwa ubora ikiwa tutazingatia kwamba fotoni zina nishati, ambayo inalingana na "wingi wa mwendo" hadi kiwango cha uso wa Dunia; iliwezekana kuona mabadiliko katika mzunguko wa fotoni, ambayo sanjari kikamilifu na. utabiri wa kinadharia:
,
kwa hivyo kuthibitisha kwamba fotoni ziko chini ya ushawishi wa mvuto.
Kwa hivyo, kama tulivyoweza kuona kwa kuzingatia majaribio mengi na anuwai, katika hali kadhaa mwanga unapaswa kuzingatiwa kama mkondo wa corpuscles - fotoni ambazo zina mali asili katika chembe ndogo zingine. Hata hivyo, ili kueleza matukio kama vile kuingiliwa na kutofautisha, mtu lazima aendelee kutoka kwa sifa za wimbi la mionzi ya sumakuumeme. Vipengele vyote viwili vya asili - wimbi na mwili - vinageuka kuwa muhimu sawa. Kwa hiyo, ili kuelezea vipengele vyote vya tabia ya mionzi, ikawa ni muhimu kutambua kwamba mawimbi ya umeme chini ya hali fulani yanaonyesha mali ya mtiririko wa chembe. Kwa haki sawa, kauli iliyo kinyume inaweza kufanywa: chembe za uwanja wa umeme - photons - maonyesho mali ya wimbi. Uwili huo wa chembe ya wimbi (uwili) wa fotoni unapingana na classical iliyoanzishwa, tofauti na kila mmoja, maoni juu ya mawimbi na chembe.
Mwanzoni ilionekana kuwa fotoni zilikuwa na hizi mali isiyo ya kawaida, hutofautiana kwa kiasi kikubwa na chembe nyingine, kama vile elektroni au protoni. Hata hivyo, maendeleo zaidi ya fizikia ya microworld imefanya iwezekanavyo kuanzisha kwamba uwili wa chembe ya wimbi sio kipengele maalum cha fotoni, lakini ni ya asili zaidi ya jumla.
Photon ni chembe ya msingi, quantum ya mionzi ya umeme.
Nishati ya picha: ε = hv, ambapo h = 6.626 · 10 -34 J s - Planck ya mara kwa mara.
Uzito wa picha: m = h·v/c 2 . Fomula hii hupatikana kutoka kwa fomula
ε = hv na ε = m·c 2. Misa, iliyofafanuliwa na fomula m = h·v/c 2, ni wingi wa fotoni inayosonga. Photon haina misa ya kupumzika (m 0 = 0), kwani haiwezi kuwepo katika hali ya kupumzika.
Kasi ya Photon: Fotoni zote husogea kwa kasi c = 3 · 10 8 m/s. Ni wazi kasi ya photon P = m c, ambayo ina maana kwamba
P = h·v/c = h/λ.
4. Athari ya nje ya picha ya umeme. Tabia za sasa za voltage ya athari ya picha ya umeme. Sheria za Stoletov. Equation ya Einstein
Athari ya nje ya photoelectric ni jambo la utoaji wa elektroni na dutu chini ya ushawishi wa mwanga.
Utegemezi wa sasa kwenye voltage katika mzunguko huitwa tabia ya sasa ya voltage ya photocell.
1) Idadi ya photoelectrons N’ e zilizotolewa kutoka kwa cathode kwa kila kitengo cha saa inalingana na ukubwa wa tukio la mwanga kwenye cathode (sheria ya Stoletov). Au kwa maneno mengine: sasa ya kueneza ni sawia na nguvu ya tukio la mionzi kwenye cathode: Ń f = P/ε f.
2) Kasi ya juu ya V max ambayo elektroni inayo wakati wa kutoka kwa cathode inategemea tu mzunguko wa mwanga ν na haitegemei ukubwa wake.
3) Kwa kila dutu kuna mzunguko wa cutoff wa mwanga ν 0, chini ambayo athari ya photoelectric haizingatiwi: v 0 = A nje / h. Mlinganyo wa Einstein: ε = A nje + mv 2 max /2, ambapo ε = hv ni nishati ya fotoni iliyonyonywa, A nje ni kazi ya elektroni inayoacha dutu hii, mv 2 max / 2 ni nishati ya juu zaidi ya kinetic. elektroni iliyotolewa.
Equation ya Einstein, kwa kweli, ni moja ya aina za kuandika sheria ya uhifadhi wa nishati. Mkondo kwenye seli ya picha utaacha ikiwa elektroni zote zinazotolewa zitapunguzwa kasi kabla ya kufikia anodi. Ili kufanya hivyo, ni muhimu kutumia reverse (kushikilia) voltage u kwa photocell, thamani ambayo pia hupatikana kutoka kwa sheria ya uhifadhi wa nishati:
|e|u з = mv 2 max /2.
5. Shinikizo la mwanga
Shinikizo la mwanga ni shinikizo linalotolewa na mwanga kuanguka juu ya uso wa mwili.
Ikiwa tunazingatia mwanga kama mkondo wa fotoni, basi, kwa mujibu wa kanuni za mechanics ya classical, chembe juu ya athari na mwili lazima kuhamisha kasi, kwa maneno mengine, kutoa shinikizo. Shinikizo hili wakati mwingine huitwa shinikizo la mionzi. Ili kuhesabu shinikizo la mwanga, unaweza kutumia formula ifuatayo:
uk = W/c (1+ uk), ambapo W ni kiasi cha tukio la nishati ya radiant kawaida kwenye 1 m2 ya uso katika s 1; c ni kasi ya mwanga, uk- mgawo wa kutafakari.
Ikiwa mwanga huanguka kwa pembe kwa kawaida, basi shinikizo linaweza kuonyeshwa na formula:
6. Athari ya Compton na maelezo yake
Athari ya Compton (athari ya Compton) ni jambo la kubadilisha urefu wa wimbi la mionzi ya sumakuumeme kutokana na kutawanywa kwake na elektroni.
Kwa kutawanyika kwa elektroni iliyosimama, mzunguko wa fotoni iliyotawanyika ni:
iko wapi pembe ya kutawanya (pembe kati ya maelekezo ya uenezi wa photon kabla na baada ya kueneza).
Urefu wa wimbi la Compton ni kigezo cha kigezo cha urefu sifa ya michakato ya quantum inayohusiana.
λ С = h/m 0 e c = 2.4∙10 -12 m - Compton wavelength ya elektroni.
Athari ya Compton haiwezi kuelezewa ndani ya mfumo wa electrodynamics ya classical. Kutoka kwa mtazamo wa fizikia ya classical, wimbi la umeme ni kitu kinachoendelea na, kama matokeo ya kutawanyika na elektroni za bure, haipaswi kubadili urefu wake wa wimbi. Athari ya Compton ni ushahidi wa moja kwa moja wa ujazo wa wimbi la sumakuumeme; kwa maneno mengine, inathibitisha uwepo wa fotoni. Athari ya Compton ni uthibitisho mwingine wa uhalali wa uwili wa chembe ya wimbi ya chembe ndogo ndogo.
Katika tafsiri yake ya kisasa, hypothesis ya quantum inasema kwamba nishati E mitetemo ya atomi au molekuli inaweza kuwa sawa na hν, 2 hν, 3 hν, n.k., lakini hakuna mzunguuko na nishati katika muda kati ya nambari mbili mfululizo ambazo ni zidishi za . Hii inamaanisha kuwa nishati sio endelevu, kama ilivyoaminika kwa karne nyingi, lakini quantized , i.e. inapatikana tu katika sehemu tofauti zilizoainishwa madhubuti. Sehemu ndogo zaidi inaitwa kiasi cha nishati . Nadharia ya quantum pia inaweza kutengenezwa kama taarifa kwamba katika kiwango cha atomiki-molekuli, mitetemo haitokei kwa amplitudo yoyote. Thamani halali amplitudes yanahusiana na mzunguko wa vibration ν .
Mnamo 1905, Einstein aliweka mbele wazo dhabiti ambalo lilijumlisha nadharia ya quantum na kuiweka kama msingi wa nadharia mpya ya mwanga (nadharia ya quantum ya athari ya picha ya umeme). Kulingana na nadharia ya Einstein , mwanga na mzungukoν Siyo tu iliyotolewa, kama Planck alivyodhani, lakini pia huenea na kufyonzwa na dutu hii katika sehemu tofauti (quanta), ambao nishati. Kwa hivyo, uenezaji wa mwanga haupaswi kuzingatiwa kama mchakato wa mawimbi unaoendelea, lakini kama mkondo wa quanta nyepesi iliyojanibishwa katika nafasi, ikisonga kwa kasi ya uenezi wa mwanga katika utupu. Na). Kiasi cha mionzi ya umeme inaitwa pichani .
Kama tulivyokwisha sema, utoaji wa elektroni kutoka kwa uso wa chuma chini ya ushawishi wa tukio la mionzi juu yake unalingana na wazo la mwanga kama wimbi la sumakuumeme, kwa sababu. uwanja wa umeme Wimbi la sumakuumeme huathiri elektroni katika chuma na kugonga baadhi yao. Lakini Einstein alizingatia ukweli kwamba maelezo ya athari ya picha ya umeme iliyotabiriwa na nadharia ya wimbi na nadharia ya photon (quantum corpuscular) ya mwanga hutofautiana kwa kiasi kikubwa.
Kwa hivyo, tunaweza kupima nishati ya elektroni iliyotolewa kulingana na nadharia ya wimbi na photon. Ili kujibu swali la nadharia ambayo inafaa zaidi, hebu tuchunguze maelezo kadhaa ya athari ya picha ya umeme.
Wacha tuanze na nadharia ya wimbi na tuchukue hiyo sahani inaangazwa na mwanga wa monochromatic. Wimbi la mwanga lina sifa ya vigezo vifuatavyo: ukali na mzunguko(au urefu wa mawimbi). Nadharia ya wimbi inatabiri kwamba sifa hizi zinapobadilika, matukio yafuatayo hutokea:
· kwa kuongezeka kwa nguvu ya mwanga, idadi ya elektroni zilizotolewa na nishati yao ya juu inapaswa kuongezeka, kwa sababu kiwango cha juu cha mwanga kinamaanisha amplitude kubwa ya uwanja wa umeme, na uwanja wa umeme wenye nguvu hutoa elektroni na nishati zaidi;
elektroni zilizopigwa; nishati ya kinetic inategemea tu ukubwa wa mwanga wa tukio.
Nadharia ya photon (corpuscular) inatabiri kitu tofauti kabisa. Kwanza kabisa, tunaona kuwa katika boriti ya monochromatic fotoni zote zina nishati sawa (sawa na hν). Kuongezeka kwa ukubwa wa boriti ya mwanga kunamaanisha kuongezeka kwa idadi ya picha kwenye boriti, lakini haiathiri nishati yao ikiwa mzunguko unabaki bila kubadilika. Kulingana na nadharia ya Einstein, elektroni hutolewa kutoka kwa uso wa chuma wakati fotoni moja inapogongana nayo. Katika kesi hiyo, nishati zote za photon huhamishiwa kwa elektroni, na photon huacha kuwepo. Kwa sababu elektroni hushikiliwa ndani ya chuma na nguvu za kuvutia; nishati kidogo inahitajika kugonga elektroni kutoka kwa uso wa chuma A(ambayo inaitwa kazi ya kazi na, kwa metali nyingi, ni juu ya utaratibu wa volts kadhaa za elektroni). Ikiwa mzunguko ν wa mwanga wa tukio ni mdogo, basi nishati na nishati ya photon haitoshi kubisha elektroni kutoka kwenye uso wa chuma. Ikiwa , basi elektroni huruka kutoka kwenye uso wa chuma, na nishati katika mchakato kama huo imehifadhiwa, i.e. nishati ya fotoni ( hν) ni sawa na nishati ya kinetic ya elektroni iliyotolewa pamoja na kazi ya kugonga elektroni kutoka kwa chuma:
| (2.3.1) |
Equation (2.3.1) inaitwa Mlinganyo wa Einstein kwa athari ya nje ya umeme.
Kulingana na mambo haya, nadharia ya photonic (corpuscular) ya mwanga inatabiri yafuatayo.
1. Kuongezeka kwa mwangaza kunamaanisha kuongezeka kwa idadi ya fotoni za tukio, ambazo huondoa elektroni zaidi kutoka kwa uso wa chuma. Lakini kwa kuwa nishati ya photon ni sawa, nishati ya juu ya kinetic ya elektroni haitabadilika ( imethibitishwa I sheria ya athari ya photoelectric).
2. Kadiri mzunguko wa mwanga wa tukio unavyoongezeka, kiwango cha juu cha nishati ya kinetic ya elektroni huongezeka kwa mstari kulingana na fomula ya Einstein (2.3.1). ( Uthibitisho II sheria ya athari ya photoelectric) Grafu ya utegemezi huu imewasilishwa kwenye Mtini. 2.3.
 ,
|
Mchele. 2.3
3. Ikiwa frequency ν ni chini ya masafa muhimu, basi elektroni hazijatolewa kutoka kwa uso (III). sheria).
Kwa hivyo, tunaona kwamba utabiri wa nadharia ya corpuscular (photon) ni tofauti sana na utabiri wa nadharia ya wimbi, lakini inafanana sana na sheria tatu zilizoanzishwa kwa majaribio za athari ya photoelectric.
Mlinganyo wa Einstein ulithibitishwa na majaribio ya Millikan yaliyofanywa mnamo 1913-1914. Tofauti kuu kutoka kwa majaribio ya Stoletov ni kwamba uso wa chuma ulitakaswa katika utupu. Utegemezi wa kiwango cha juu cha nishati ya kinetic kwenye mzunguko ulisomwa na mara kwa mara ya Planck iliamuliwa h.
Mnamo 1926, wanafizikia wa Urusi P.I. Lukirsky na S.S. Prilezhaev alitumia njia ya utupu capacitor spherical kusoma athari photoelectric. Anode ilikuwa kuta zilizopambwa kwa fedha za silinda ya glasi ya duara, na cathode ilikuwa mpira ( R≈ 1.5 cm) kutoka kwa chuma chini ya utafiti, kuwekwa katikati ya nyanja. Sura hii ya elektroni ilifanya iwezekane kuongeza mteremko wa tabia ya sasa ya voltage na kwa hivyo kuamua kwa usahihi zaidi voltage ya kuchelewesha (na, kwa hivyo, h) Thamani ya mara kwa mara ya Planck h, iliyopatikana kutokana na majaribio haya, inalingana na maadili yanayopatikana na mbinu nyingine (kutoka kwa mionzi nyeusi ya mwili na kutoka kwa makali ya urefu mfupi wa wigo unaoendelea wa X-ray). Yote hii ni uthibitisho wa usahihi wa equation ya Einstein, na wakati huo huo nadharia yake ya quantum ya athari ya photoelectric.
Ili kuelezea mionzi ya joto, Planck alipendekeza kuwa mwanga ulitolewa na quanta. Einstein, wakati akielezea athari ya picha ya umeme, alipendekeza kuwa mwanga huingizwa na quanta. Einstein pia alipendekeza kuwa mwanga hueneza kwa quanta, i.e. katika sehemu. Kiasi cha nishati nyepesi inaitwa pichani . Wale. tena tukaja kwenye dhana ya corpuscle (particle).
Uthibitisho wa moja kwa moja wa hypothesis ya Einstein ulitolewa na jaribio la Bothe, ambalo lilitumia njia ya bahati mbaya (Mchoro 2.4).
Mchele. 2.4
Foil nyembamba ya chuma F iliwekwa kati ya mbili mita za kutokwa kwa gesi SCH. Foil iliangazwa na boriti dhaifu ya X-rays, chini ya ushawishi ambao yenyewe ikawa chanzo cha X-rays (jambo hili linaitwa X-ray fluorescence). Kutokana na kiwango cha chini cha boriti ya msingi, idadi ya quanta iliyotolewa na foil ilikuwa ndogo. Wakati quanta ilipiga counter, utaratibu ulisababishwa na alama ilifanywa kwenye mkanda wa kusonga wa karatasi. Ikiwa nishati iliyotolewa ingesambazwa sawasawa katika pande zote, kama ifuatavyo kutoka kwa dhana za mawimbi, vihesabio vyote viwili vingefanya kazi kwa wakati mmoja na alama kwenye tepi zingekuwa kinyume. Kwa kweli, kulikuwa na mpangilio wa nasibu kabisa wa alama. Hii inaweza tu kuelezewa na ukweli kwamba katika vitendo vya mtu binafsi vya chafu chembe za mwanga huonekana, kuruka kwa mwelekeo mmoja au mwingine. Hivi ndivyo kuwepo kwa chembe maalum za mwanga - photons - kuthibitishwa kwa majaribio.
Photon ina nishati
. Kwa mwanga unaoonekana, urefu wa wimbi λ = 0.5 µm na nishati E= 2.2 eV, kwa X-rays λ = µm na E= 0.5 eV.
Photon ina wingi wa inertial , ambayo inaweza kupatikana kutoka kwa uhusiano:
| ; |
| (2.3.2) |
Photon husafiri kwa kasi ya mwanga c= 3 · 10 8 m/s. Wacha tubadilishe thamani hii ya kasi katika usemi wa misa ya uhusiano:
 .
|
Photon ni chembe ambayo haina misa ya kupumzika. Inaweza kuwepo tu kwa kusonga kwa kasi ya mwanga c .
Hebu tutafute uhusiano kati ya nishati na kasi ya fotoni.
Tunajua usemi wa uhusiano wa kasi:
| . | (2.3.3) |
Na kwa nishati:
| . | (2.3.4) |
Photon ni chembe ya msingi, kiasi cha mionzi ya sumakuumeme. Nishati ya quantum (yaani, kwa uwazi), ambapo ni thabiti ya Planck. Tukihusisha na fotoni uwepo wa kinachojulikana. "uwiano wa uhusiano" kulingana na uhusiano, itakuwa Hakuna wingi wa kupumzika kwa fotoni. Athari ya picha ni utoaji wa elektroni kutoka kwa dutu chini ya ushawishi wa mwanga (na, kwa ujumla, mionzi yoyote ya sumakuumeme). Fomula ya Einstein kwa athari ya picha:
hν = A nje + E k
Wapi A nje- kinachojulikana kazi ya kazi (kiwango cha chini cha nishati kinachohitajika ili kuondoa elektroni kutoka kwa dutu); E k ni nishati ya kinetic ya elektroni iliyotolewa (kulingana na kasi, nishati ya kinetic ya chembe ya relativitiki inaweza kuhesabiwa au la), ν ni mzunguko wa fotoni ya tukio na nishati. hν, h- Planck ya mara kwa mara.
Athari ya picha ya nje (utoaji wa photoelectron) ni utoaji wa elektroni na dutu chini ya ushawishi wa mionzi ya sumakuumeme. 1) Kasi ya juu ya awali ya photoelectrons haitegemei ukubwa wa mwanga wa tukio, lakini imedhamiriwa tu na mzunguko wake. 2) Kuna mzunguko wa chini ambao athari ya picha ya umeme inawezekana (mpaka mwekundu) 3) Sasa ya kueneza inategemea ukubwa wa tukio la mwanga kwenye sampuli 4) Athari ya picha ya picha ni jambo lisilo na inertia. Ili kuacha photocurrent, voltage hasi (kuzima voltage) lazima kutumika kwa anode. 
Athari ya picha ya ndani ni mabadiliko katika conductivity ya kielektroniki ya dutu chini ya ushawishi wa mwanga. Photoconductivity ni tabia ya semiconductors. Conductivity ya umeme ya semiconductors ni mdogo na ukosefu wa flygbolag za malipo. Fotoni inapofyonzwa, elektroni husogea kutoka kwa bendi ya valence hadi bendi ya upitishaji. Matokeo yake, jozi ya flygbolag za malipo huundwa: elektroni katika bendi ya uendeshaji na shimo kwenye bendi ya valence. Wafanyabiashara wote wawili wa malipo, wakati voltage inatumiwa kwa semiconductor, huunda sasa ya umeme.
Wakati photoconductivity inasisimuliwa katika semiconductor ya ndani, nishati ya photoni lazima izidi pengo la bendi. Katika semiconductor ya doped, ngozi ya photon inaweza kuambatana na mpito kutoka kwa kiwango kilicho kwenye bandgap, ambayo inaruhusu urefu wa mwanga wa mwanga unaosababisha photoconductivity kuongezeka. Hali hii ni muhimu kwa kugundua mionzi ya infrared. Hali ya upitishaji picha wa hali ya juu pia ni mgawo wa juu wa ufyonzaji mwanga, ambao hutekelezwa katika semiconductors zenye pengo la moja kwa moja.
16. Shinikizo la mwanga.
Shinikizo la mwanga ni shinikizo linalotolewa na tukio la mawimbi ya mwanga wa kielektroniki kwenye uso wa mwili. Nadharia ya quantum ya mwanga inaelezea shinikizo la mwanga kama matokeo ya fotoni kuhamisha kasi yao kwa atomi au molekuli za maada. Acha fotoni N zianguke juu ya uso wa mwili mweusi kabisa wenye eneo S linalolingana kila sekunde: . Kila photon ina kasi. Msukumo wa jumla uliopokelewa na uso wa mwili ni sawa. Shinikizo la mwanga: 
.
- mgawo wa kutafakari, - wiani wa nishati ya mionzi ya volumetric. Nadharia ya classical 
17. Bremsstrahlung na tabia X-ray mionzi.
X-rays ni mawimbi ya sumakuumeme, nishati ya fotoni ambayo iko kwenye kiwango cha mawimbi ya sumakuumeme kati ya mionzi ya ultraviolet na mionzi ya gamma, ambayo inalingana na urefu wa mawimbi kutoka 10 -2 hadi 10 3 Å (kutoka 10 -12 hadi 10 -7 m). . 
Mchoro wa kimkakati wa bomba la X-ray. X - X-rays, K - cathode, A - anode (wakati mwingine huitwa anticathode), C - kuzama kwa joto, U h- voltage ya filamenti ya cathode, U a- kuongeza kasi ya voltage, W katika - maji baridi inlet, W nje - maji baridi plagi. Wakati nishati ya elektroni zinazoshambulia anodi inatosha kubomoa elektroni kutoka kwa ganda la ndani la atomi, mistari mikali huonekana dhidi ya msingi wa bremsstrahlung. tabia mionzi. Mzunguko wa mistari hii hutegemea asili ya dutu ya anode, ndiyo sababu inaitwa tabia.
Bremsstrahlung ni mionzi ya sumakuumeme inayotolewa na chembe iliyochajiwa inapotawanywa (imekatika) kwenye uwanja wa umeme. 
dp/dλ hv haiwezi kuwa kubwa kuliko eU ya nishati. kutoka kwa sheria ya uhifadhi wa nishati Chanzo cha kawaida cha mionzi ya X-ray ni bomba la X-ray, ambalo elektroni huharakishwa sana na uwanja wa umeme hupiga anode (lengo la chuma lililotengenezwa na metali nzito, kama W au Pt). , inakabiliwa na kushuka kwa kasi kwa kasi juu yake. Katika kesi hii, mionzi ya X-ray inaonekana, ambayo ni mawimbi ya sumakuumeme yenye urefu wa takriban 10 -12 -10 -8 m. Asili ya wimbi la mionzi ya X-ray inathibitishwa na majaribio juu ya diffraction yake, iliyojadiliwa katika § 182.
Utafiti wa utungaji wa spectral wa mionzi ya X-ray unaonyesha kuwa wigo wake una muundo tata (Mchoro 306) na inategemea wote juu ya nishati ya elektroni na kwenye nyenzo za anode. Wigo ni superposition ya wigo unaoendelea, mdogo kwa upande mfupi wa wavelength na mpaka fulani min, inayoitwa mpaka wa wigo unaoendelea, na wigo wa mstari - mkusanyiko wa mistari ya mtu binafsi inayoonekana dhidi ya historia ya wigo unaoendelea.
Utafiti umeonyesha kuwa asili ya wigo unaoendelea ni huru kabisa na nyenzo za anode, lakini imedhamiriwa tu na nishati ya elektroni zinazopiga anode. Uchunguzi wa kina wa mali ya mionzi hii ulionyesha kuwa hutolewa na elektroni zinazopiga anode kama matokeo ya kupungua kwao wakati wa mwingiliano na atomi zinazolengwa. Kwa hivyo, wigo unaoendelea wa X-ray huitwa wigo wa bremsstrahlung. Hitimisho hili linakubaliana na nadharia ya classical ya mionzi, kwani wakati malipo ya kusonga yanapungua, mionzi yenye wigo unaoendelea inapaswa kutokea.
Nadharia ya kitamaduni, hata hivyo, haimaanishi kuwepo kwa mpaka wa urefu wa wimbi fupi wa wigo unaoendelea. Kutoka kwa majaribio inafuata kwamba nishati kubwa ya kinetic ya elektroni zinazosababisha X-ray bremsstrahlung, chini ya min. Hali hii, pamoja na uwepo wa mpaka yenyewe, inaelezewa na nadharia ya quantum. Kwa wazi, nishati ya kikomo ya quantum inafanana na kesi ya kuvunja ambayo nishati yote ya kinetic ya elektroni inabadilishwa kuwa nishati ya quantum, i.e.
Wapi U- tofauti inayoweza kutokea kutokana na nishati ambayo hutolewa kwa elektroni E max, max - mzunguko unaofanana na mpaka wa wigo unaoendelea. Kwa hivyo urefu wa wimbi la kukata
Mchoro wa Feynman wa kutawanya kwa photon-photon. Photoni zenyewe haziwezi kuingiliana, kwa kuwa ni chembe zisizo na upande. Kwa hiyo, moja ya photoni hugeuka kwenye jozi ya chembe-antiparticle, ambayo photon nyingine inaingiliana.
Wanafizikia kutoka kwa ushirikiano wa ATLAS kwa mara ya kwanza wamerekodi athari ya kutawanya kwa quanta nyepesi, fotoni, kwenye fotoni. Athari hii ni moja ya utabiri wa zamani zaidi wa elektroni ya quantum; ilielezewa kinadharia zaidi ya miaka 70 iliyopita, lakini bado haijagunduliwa kwa majaribio. Inashangaza, inakiuka milinganyo ya classical ya Maxwell, kuwa jambo la quantum tu. Utafiti huo ulichapishwa wiki hii kwenye jarida hilo Fizikia ya asili, Walakini, nakala ya nakala hiyo ilichapishwa mnamo Februari 2017. Maelezo juu yake yaliripotiwa na portal "Elements.ru"
Moja ya mali kuu ya elektroni ya classical ya Maxwellian ni kanuni ya nafasi ya juu kwa uwanja wa sumakuumeme kwenye utupu. Inakuruhusu kuongeza sehemu moja kwa moja kutoka kwa malipo tofauti. Kwa kuwa fotoni ni msisimko wa nyanja, ndani ya mfumo wa electrodynamics ya classical hawawezi kuingiliana na kila mmoja. Badala yake, wanapaswa kupita kwa uhuru kwa kila mmoja.
ATLAS detector sumaku
Electrodynamics ya Quantum huongeza hatua ya nadharia ya kitamaduni hadi kusongesha kwa chembe zilizochajiwa kwa kasi ya karibu ya mwanga; kwa kuongezea, inazingatia ujanibishaji wa nishati ya shamba. Shukrani kwa hili, katika electrodynamics ya quantum inawezekana kuelezea matukio yasiyo ya kawaida yanayohusiana na michakato ya juu ya nishati - kwa mfano, kuzaliwa kwa jozi za elektroni na positrons kutoka kwa utupu katika mashamba ya juu.
Katika electrodynamics ya quantum, fotoni mbili zinaweza kugongana na kutawanyika. Lakini mchakato huu haufanyiki moja kwa moja - quanta ya mwanga haipatikani na haiwezi kuingiliana na kila mmoja. Badala yake, uundaji wa kati wa jozi ya chembe-antiparticle (electron-positron) kutoka kwa picha moja hutokea, ambayo photon ya pili inaingiliana. Mchakato kama huo hauwezekani sana kwa quanta ya mwanga inayoonekana. Hii inaweza kukadiriwa kutokana na ukweli kwamba nuru kutoka kwa quasars iliyo umbali wa miaka bilioni 10 ya mwanga hufikia Dunia. Lakini kwa kuongezeka kwa nishati ya photon, uwezekano wa mchakato na kuzaliwa kwa elektroni halisi huongezeka.
Hadi sasa, nguvu na nishati ya hata leza zenye nguvu zaidi hazikutosha kuona kutawanyika kwa fotoni moja kwa moja. Walakini, watafiti tayari wamepata njia ya kuona mchakato huu kwa njia isiyo ya moja kwa moja, kwa mfano, katika michakato ya kuoza kwa fotoni moja kwenye jozi ya quanta ya chini ya nishati karibu na kiini nzito cha atomi.
Iliwezekana kutazama moja kwa moja kutawanyika kwa photon kwenye photon tu kwenye Collider Kubwa ya Hadron. Mchakato huo ulionekana katika majaribio baada ya kuongeza nishati ya chembe kwenye kichapuzi mnamo 2015 - na uzinduzi wa Run 2. Wanafizikia wa ushirikiano wa ATLAS walisoma michakato ya migongano ya "ultraperipheral" kati ya nuclei nzito ya risasi, iliyoharakishwa na mgongano hadi nguvu za Teraelectronvolts 5 kwa nucleon ya kiini. Katika migongano kama hiyo, nuclei zenyewe hazigongana moja kwa moja na kila mmoja. Badala yake, uwanja wao wa sumakuumeme huingiliana, ambapo fotoni za nishati kubwa huonekana (hii ni kwa sababu ya ukaribu wa kasi ya viini kwa kasi ya mwanga).
Tukio la kutawanya kwa picha kwenye picha (mihimili ya manjano)
Migongano ya Ultraperipheral ina sifa ya usafi mkubwa. Ndani yao, katika kesi ya kueneza kwa mafanikio, jozi tu ya picha zilizo na msukumo wa transverse zilizoelekezwa kwa njia tofauti zinaonekana. Kinyume chake, migongano ya kawaida ya nyuklia hutokeza maelfu ya chembe mpya za vipande. Miongoni mwa matukio bilioni nne yaliyokusanywa na ATLAS mwaka 2015 kutoka kwa takwimu za migongano ya nuclei ya risasi, wanasayansi waliweza kuchagua 13 sambamba na kutawanyika. Hii ni takriban mara 4.5 zaidi ya ishara ya usuli ambayo wanafizikia walitarajia kuona.
Mpango wa mchakato wa kutawanya katika collider. Mipira miwili ya mizinga inaruka karibu - wao mashamba ya sumakuumeme kuingiliana
Ushirikiano wa ATLAS
Ushirikiano utaendelea kusoma mchakato huo mwishoni mwa 2018, wakati mgongano utakapoandaa tena kikao cha migongano ya viini vizito. Cha kufurahisha ni kwamba, ni kigunduzi cha ATLAS ambacho kiligeuka kuwa kinafaa kwa ajili ya kutafuta matukio adimu ya kutawanyika kwa fotoni-photon, ingawa jaribio lingine, ALICE, liliundwa mahususi kuchanganua migongano ya viini vizito.
Hivi sasa, Gari Kubwa la Hadron Collider inakusanya takwimu za migongano ya protoni na protoni. Hivi majuzi, wanasayansi juu ya ugunduzi wa baryon ya kwanza iliyovutia mara mbili kwenye kiongeza kasi, na katika chemchemi, wanafizikia kutoka kwa ushirikiano wa ATLAS juu ya ziada isiyo ya kawaida ya matukio katika kuzaliwa kwa vifuko viwili vya mwingiliano dhaifu katika eneo lenye nguvu nyingi (takriban teravolti tatu). ) Inaweza kuonyesha chembe mpya nzito zaidi, lakini umuhimu wa takwimu wa mawimbi bado hauzidi sigma tatu.
Vladimir Korolev
| Kuwasiliana na: |