Жарықтың кванттық қасиеттері 11сынып

Жарықтың кванттық қасиеттері және оған мектепте есеп шығарудың методикасы
І. Жарықтың кванттық қасиеттері
Стефан-Больцман және Вин заңдары
Абсалют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілеті оның температурасы жоғарылаған сайын күшейе түседі. Яғни, температура жоғарылағанда дененің жарқырауы да күшейіп, одан шығатын сәуленің түсі де өзгереді. Олай болса, белгілі бір температурада абсалют қара дененің әр түрлі толқын ұзындығына сәйкес салыстырма сәуле шығарғыштық қабілетін эксперименттік қисықтарынан байқауға болады. (118-с. 1-сурет)

Өте жоғары температурада дене қатты қызып, оның түсі қызғылт болады. Кейінірек температура одан ары жоғарылағанда түсі бірте-бірте ақ түске айналады. Сөйтіп, әрбір қисықтың максимумы температура артқан сайын қысқа толқындар алқабына қарай ығыса бастайды. Ол дене температурасы төмен болса, онда қисықтың максимум мәндері ұзын толқындар алқабына қарай ығысып, дене инфрақызыл сәулелерді шығарар еді. Міне, осыдан жылыулық сәулеленудің теориясын тереңірек зерттеу қажет болды.
Абсалют қара дененің сәуле шығару қисығын сан жағынан зерттеудің нәтижесінде мынадай заңдылықтар ашылған болатын.
Абсалют қара дененің толық жарқырауы R оның төрт дәрежеленген абсалют температурасына пропорционал болады, яғни
Мұндағы Стефан-Больцман тұрақтылғы.
Австрия физигі М.Стефан (1835-1893) 1879 жылы эксперименттердің нәтижелерін зерттей келе және Л.Больцман 1884 жылы термодинамикалық әдісті қолданып, теория жүзінде бір-біріне тәуелсіз абсалют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетінің температураға тәуелділігін анықтады. Сондықтан (1) формула Стефан-Больцман заңы деп аталады. Осы заңды пайдаланып, абсалют қара дененің бетінен бірлік уақытта шығарылатын сәулелік энергия мөлшерін есептеп, табуға болады. 1877 жылы неміс физигі В.Вин (1864-1928) термодинамика және электродинамика заідарына сүйене отырып жоғарыда айтылған (1-суреттегі) функциясының максимум мәніне сәйкес келетін толқын ұзындығының (Т) температураға тәуелділік заңдылығын ашты. Сонда абсалют қара дененің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілетінің максимал мәніне сәйкес келетін толқын ұзындығы оның (Т) абсалют температурасына кері пропорционал болады, яғни:
(2)
Мұндағы тәжірибемен табылған Вин тұрақтысы.
Сондықтан да сәулелік энергияның максимум шамасы толқын ұзындығына сәйкес ығысып, отыратындықтан, (2) өрнекті Виннің ығысу заңы деп атайды. Егер температура өсетін болса, онда энергияның максимум шамасы толқын ұзындығының ұзару жағына қарай (ИҚ аймаққа) ығысатын болады. Вин заңының негізінде сәуле шығаратын денелердің өте жоғары температураларын өлшеу әдісі табылады. Ол үшін арнайы приборлар арқылы максимал энергияға сәйкес толқын ұзындығын біле отырып, (2) формуласы арқылы температурасын анықтайды. Мысалы, күн сәулесінің спектрлерін зерттеуде оның максимум энергиясына сәйкес келетін толқын ұзындығы
болса, онда ескеріп, Күннің беткі сәуле шығарушы қабатының температурасын шамамен мынаған тең деуге болады

Стефан-Больцман және Вин заңдарының практикалық маңызы зор,бірақ солай бола тұра бұл заңдылықтардың кемшілігі бар.Себебі,ииииии функциясының тәуелділігін өткен ғасырдың соңғы кезінде орыс ғалымы В.А.Михельсон және тағы басқа ғалымдар тәжірибенің болымсыздығынан энергияның максимум мәнінің неліктен толқын ұзындығының қысқа жағына қарай ығысу заңдылығын түсіндіре алмады.Сол сияқты эксперименттердің нәтижелері теориялық қорытындыларға сәйкес келмеді.
Жарықтың кванттық теориясының пайда болуы.
Сонымен классикалық физика заңдары абсолют қара дене спектіріндегі энергияның әр түрлі температураға сәйкес таралуындағы тәжірибелердің нәтижелері мен теория қорытындыларының арасындағы алшақтықты түсіндірмек болып еді,бірақ оларда нәтиже бермеді.
Сондықтан бұл мәселені тек 1900 жылы неміс физигі М.Планк (1858-1947) бұрынғы қалыптасқан классикалық физика заңдарын қабылдамай,жаңа теориялық пікір ұсынды.Планк жарық үздік-үздік,белгілі бір мөлшерде,энергия порциялары немесе энергия кванттары түрінде шығарылады деп жорып,энергия кванты тербеліс жиілігіне пропорционал деді.
(3)
Мұндағы Планк тұрақтысы деп аталады.Бірақ сәулелену порция түрінде шығатын болғандықтан,энергия осцилляторы тек арнаулы дискретті мәндерді ғана қабылдай алады.Планк өзі ұсынған гипотезаны-жылулық сәулеленудің кванттық теориясының негізі ретінде қарап және статистикалық физика заңдарын пайдалана отырып,абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетінің толқын ұзындығы мен температураға тәуелділігін дұрыс көрсететін формула қорытып шығарды.
(4)
Мұндағы, R-Больцман тұрақтысы
h-Планк тұрақтысы
C-жарық жылдамдығы
T-абсолют температура (4) формуланың теориялық қорытып шығару әдісін М.Планк1900 ж,немістің физика қоғамының мәжілісінде баяндап берді.
Планк формуласы температуралық жарық шығарудың негізгі заңы болып табылады.Сөйтіп,Планктың энергия кванттары жайындағы гипотезасы тек абсолют қара денелердің сәуле шығару заңдарын түсіндіріп қана қоймай,сонымен қатар осы күнгі физиканың негізгі заңдарының бірі болып есептеледі.
Сонымен абсолют қара дене спектрінде энергияның әр түрлі температураға сәйкес таралуын зерттеу мынадай заңдылықтарды қорытындылауға мүмкіндік береді:
1)абсолют қара дененің сәулелену спектірі тұтас болып келеді;
2)сәулелену спектіріндегі энергияның таралуы толқын ұзындығына тәуелді.Себебі толқын ұзындығы ұзарған сайын,оған сәйкес энергетикалық жарқыраудың спектірлік тығыздығы артып,максимум мәніне жеткеннен кейін қайта кеми бастайды;
3)температураның өсуіне байланысты сәулеленудің максимум мәні толқын ұзындығының қысқа жағына қарай ығысады.
Біз жоғарыда Стефан-Больцман және Вин заңдарын Планк заңының дербес түрлері деп айттық.
Олай болса,бұл заңдарды Планк формуласының негізінде қорытып шығаруға болады.Мысалы,Стефан-Больцман формуласын былайша табамыз:

Мұндағы
Сонымен
Ал Вин заңы: мұндағы
Оптикалық пирометрия
Жылулық сәулелену заңдарын қызған және сәуле шығарғыш денелердің температураларын өлшеу үшін қолданылады.Олай болса,қызған денелердңің өте жоғары температура ларын өлшеу әдісі оптикалық пирометрия деп аталады.
Егер сәуле шығарушы дене абсолют қара болмаса,онда формуласы бойынша табылған температура дененің шын температурасы болмай,оны дененің түс температурасы Тm деп атайды.
Қызған денелер температурасын оның жарықтылығын абсолют қара дене жарықтылығымен салыстыра отырып табуға болады.Ол үшін абсолют қара денені пайдаланып,пирометрді градуирлейді де,кез келген температураларды өлшейді.Егер зерттеліп отырған дене абсолют қара дене болса,онда пирометр оның шын температурасын көрсетеді(T).Ал дене абсолют қара болмаса,онда өлшенген температура оның шын температурасы болмай,оның жарықтылық температурасы –Tж болады.Ол үшін қылы көрінбей кететін пирометрдің түрі қолданылады.
Стефан-Больцман заңы арқылы абсолют қара денелердің температурасын,денелердің шығарған толық сәулелік энергиясын радиациялық пирометр деп аталатын прибормен өлшеуге болады.Егер дене абсолют қара болмаса,онда радиациялық пирометрмен өлшенген температура оның шын температурасы болмай,оның радиациялық температурасы Тр болады.
Сөйтіп бұл температура мынаған тең болады.
(5)
Сонымен,дененің радиациялық температурасы-толық сәулелік энергиясы,осы дененің толық сәулелік энергиясына тең абсолют қара дене температурасы болып шығады.Қара емес денелердің шын температурасы олардың радиациялық температурасынан жоғары болады.
Сөйтіп әр түрлі әдістерді пайдаланып,Тm-түс температурасын,Tp-радиациялық температураны және Tж-жарықтылық температурасын өлшеуге болады.
Сыртқы фотоэффект құбылысы және оның заңдары
Электромагниттік толқындарды тапқан неміс ғалымы Генрих Герц 1887 жылы электр ұшқындары пайда болатын вибратор саңылауына ультракүлгін сәулелерімен жарық түсіргенде,электр ұшқындары көбейіп,электр разрядының күшейетіндігін бірінші рет байқаған.Онан кейін ғалымдар осы құбылысты зерттей отырып,мысалы теріс зарядталған таза мырыш плпстинаға ультракүлгін сәулелері түсірілгенде,оның теріс заряды бірте-бірте кеміп,керісінше оң зарядталатындығын анықтады.(2-суре


Осы екі құбылысты заттың бетіне түсірілген жарық әсерінен заттан электрондардың бөлініп шығатындығымен түсіндіруге болады.Олай болса,түскен жарық ықпалынан заттан электрондардың бөлініп шығу құбылысын фотоэлектрлік эффект (фотоэффект) деп аталады.
Фотоэффект құбылысын 1888 жылы орыс физигі.А.Г.Столетов (1889-1896) тереңірек зерттеді.Мұндай құбылыстар Сыртқы фотоэлектрлік құбылыстар деп аталады.Сыртқы фотоэффект құбылысын толығырақ түсіндіру үшін Столетов мынадай тәжірибе жасады.(3-сурет).Анод (А) және катод (К) электродтары бар,ішінен ауасы сорылған шыны түтік ток көзімен қосылған.Монохромат жарық сәулелерінің әсерінен катодтан электрондар бөлініп шығады, осындай электрондар фотоэлектрондар,ал олардың ағыны фотоэлектр тогы немесе фототок деп аталады.Тізбектегі фототок (mA)гольвонометрмен,Б-батарея қыздырған электродтар арасындағы потенциалдар айырмасы (U) вольтметрмен өлшенеді.Шыны түтіктегі катодты толқын ұзындықтары әр түрлі жарық сәулелерімен сәулелендірудің нәтижесінде Столетов мынадай заңдылықтарды қорытындылады:
Жарық әсерінен котодтан тек теріс зарядты электрондар бөлініп шығатындығы анықталды.
Катодқа күлгін және ультракүлгін сәулелер түсірілсе,бұл құбылыстың күшейе түсетіндігі байқалды;
Катодтан бөлініп шығатын электрондардың мөлшері катод бетінің жарықталынуына немесе түскен жарық ағынына тура пропорционал болады.
Катод бетінен,жарықтың әсерінен,тек теріс зарядты электрондар бөлініп шығатындығын 1899 жылы неміс ғалымы Ф.Ленорд(1862-1947) және У.Томсон электр және магнит өрістерінде зарядтардың ауытқуы кезінде олардың меншікті зарядын анықтау арқылы дәлелдеді.Енді фотоэффект құбылысының вольт-амперлік сипаттамасын зерттейік.Яғни,фототок күшінің (Іф) потенциалдар айырмасына (U) тәуелділігін қарастырайық (4-сурет).

Катодқа әсер етуші жарықтың спектрлік құрамы және оның ағынының ағынының қуаты тұрақты болса,фототок күші потенциалдар айырмасына тәуелді болады,яғни

Үдетуші потенциалдар айырмасы (Ur) артканда фототокта Іф артады.Ал үдетуші потенциалдың мәні белгілі бір шамаға жеткенде фототок күші өзінің қанығу мәніне жетеді (Iқ).Өйткені катодтан шыққан электрондар түгелімен анодқа жетеді.Сонымен қанығу фототок шамасы фотоэлектрондар санына пропорционал болады:
(6)
Мұндағы n-катодтан бірлік уақыт ішінде шыққан электрондар саны.
e-электрондар заряды.
Бұл тәжірибеден,катод пен анод арасындағы потенциалдар айырмасы U=0 болғанда да,фототок шамасы нөлге тең болмайды,себебі электрондардың бастапқы жылдамдықтарының әсерінен нөлге тең емес кинетикалық энергиясы болады.
(7)
мұндағы U электронның бастапқы максимал жылдамдығы.Сыртқы фотоэффект құбылысы үшін Столетов мынадай үш заңын тағайындайды.
1)Фотоэлектрондардың алғашқы максимал жылдамдығы фотолатодқа түскен жарықтың интенсивтігіне тәуелді болмай,тек жарықтың тербеліс жиілігіне байланысты анықталады.
2)Бірлік уақыт ішінде катодтан бөлініп шыққан фотоэлектрондар саны түскен жарық интенсивтілігіне пропорционал болады.
3)Кез-келген заттың әліде болса фотоэффект құбылыстарын қоздыра алатын жарық жиілігін фотоэффектінің қызыл шегі деп атайды.
Сонымен фотоэлектрондардың кинематикалық энергиясы жарықтың тербелістер жиілігіне тәуелді болады,катодқа түскен жарықтың тербеліс жиілігі көп болса,электрондардың жылдамдығы да соғұрлым кқп болады.
Фотоэффект теориясы Эйнштейн теңдеуі.
Фотоэффект құбылысын Максвелдің электродинамика заңдарының негізінде түсіндірмек болған пікірлердің бәрі нәтижесіз болды.Сонымен қатар электрондар металлдан бөлініп шыққанда белгілі бір жұмыс ооооооо.Осы жұмыстың шамасын шығу жұмысы деп атайды.Сөйтіп фотоэлектрондар металлдан бөлініп шығуы үшін жарық толқыны өрісінен электронға берілетін энергия мөлшері әлгі шығу жұмысына тең боларлықтай болуы керек.Жарық жиілігі фотоэффектінің қызыл шегіне сәйкес жиіліктен,яғни,кем болмаса,жарық интенсивтілігі қаншама аз болғанымен,фотоэффект құбылысы байқалады.
Сонымен классикалық физика фотоэффект құбылысын түсіндіре алмады.Бұл құбылысты атақты неміс физигі А.Эйнштейн 1905 ж Плонктың жарықтың үздік-үздік сәулесінің энергия шығаруы жөніндегі идеясын пайдаланып,бірінші рет жарықтың кванттық теоиясының негізінде түсіндірді.Эйнштейннің пікірінше,белгілі бір жиіліктегі жарық кеңістікте тарала отырып,жеке порциялар түрінде зат бетіде жұтылады және шығарылады.Олай болса,жарық таралғанда энергия кванттары ағын түрінде таралады.Яғни,жарық энергиясының кванттары фотондар деп аталады.Сонымен жарық ағыны дегеніміз фотондар ағыны болып есептеледі.
Эйнштейннің пікірінше,фотоэффект құбылысы кезінде әрбір электрон және әрбір фотонның әсерінен бөлініп шығады.Яғни,әрбір фотоэлектрон тек бір фотон энергиясын жұта алады.Сөйтіп жұтылған фотон энергиясы (hU) фотоэлектронды металл бетінен бөлініп шығатын шығу жұмысына (Аш) және оның кинеткалық энергияға айналады.Олай болса,Эйнштейн теңдеуі мына түрде жазылады:
(8)
Бұл теңдеу фотоэффектіге қатысты негізгі мәселелерді түсіндіруге мүмкіндік береді.Егер жарықтың жиілігі U белгілі бір минимал Uc мәнінен артық болса ғана,кез келген зат үшін фотоэффект байқалады.Фотоэлектронды металдан,оған кинематиеалық энергия берместен бұрын шығарып алу үшін Аш шығу жұмысы істелуі керек.Олай болса,жарық квантының энергиясы бұл жұмыстан артық болуға тиіс:

Шектік жиілік фотоэффектінің қызыл шекарасы деп аталады.Оны мына өрнек арқылы жазамыз:
(9)
Шығу жұмысы (Aш) заттың тегіне тәуелді.Сондықтан әртүрлі заттар үшін фотоэффектінің шектік жиілігі (Uc) түрліше болады.Мысалы, 122-суреттегі шыны түтік ішінде орналасқан катод және анод электродтары әртүрлі материалдан жасалғандықтан олардың фотоэффект шектік жиіліктері әр түрлі болады.Оны тежеуішті кернеуді (Uт) мен фотоэлектрондар жиілігінің арасындағы тәуелділік аралықты көрсетуге ьолады.(5-сурет)

Мұндағы және катод және анод материалдарының фотоэффект қызыл шектік жиіліктері.Ал тежеулі кернеуі мен жиілік арасындағы байланысты (7),(8) және (9) қрнектерден мынадай түрде жазуға болады,Яғни
(10)
Эйнштейн теңдеуінен ооооооо тұрақтысын анықтауға болады.Ол үшін жарық толқынының жиілігін (V),шығу жұмысын (Aш) тәжірибе жүзінде анықтап және фотоэлектрондардың кинематикалық энергиясын өлшеу керек.
Егер жарықтың итенсивтілігі қте жоғары болса,мысалы,лазерлік сәулелер шоғы,онда копеотонды фотоэффект қозады.Яғни,металдан бөлініп шыққан фотоэлектрон бір ғана фотон энергиясын емес,N санды фотондар (N=2,3,4,5 .) энергиясын алады.Ал көпфотонды фотоэффект құбылысы мынадай теңдеу арқылы орындалады.
(11)
Көп фотонды фотоэффект қызыл шегінің жиілігі мынадай:
(11a)
Фотонның массасы мен импульсі.
Жарық шығару немесе жұтылу кезіндегі энергия һV-u тең бөлшектер ағыны болып есептеледі делік.Олай болса,сәуле шығару немесе жұтылу кезінде байқалатын жарықтың қасиеттері корпускалық бөлшек деп аталады.Жарық бөлшегінің өзі фотон немесе жарық квантты болып есептеледі.Фотнның энергиясы болғандықтан,оның массасы мына түрде анықталады
(12)
Фотонның тыныштық күйдегі массасы mо болмайды,яғни ол тыныштықта өмір сүрмейді.
(13)
Фотонның импульсі жарық сәулесімен бағыттас болады.Фотонның заряды және магниттік моменті болмайды.
Сөйтіп,ғалымдар жарықты бөлшектер ағыны деп түсіндіреді.
Сонда жарықтың табиғаты екі жақтылы диалзмдік қасиеттері блдады.Жарықтың таралуы кезінде оның толқындық қасиеттері,ал заттармен әрекеттескенде корпускуллық қасиеттері байқалады.Әрине,осының бәрін көзбен көріп байқау мүмкін емес,бірақ шындық.
Рентгендік сәулелер.
1895 ж неміс ғалымы В.Рентен ауасы сорылған түтіктердегі электр тогын зерттеу үстінде ерекше сәулелердің пайда болатынын байқаған.Бұл сәулелер көзге көрінбейді,бірақ кейбір закттарда жарқыл туғызады және жабық фотография пластинкасын қарайтады.Осы екі қасиетіне қарай бұл ерекше сәулелерді Рентген Х сәулелер деп атаған.Бұл сәулелер кейінірек оны ашқан ғалымның құрметіне рентгендік сәулелер деп аталатын болды.
Рентгендік сәулелер де электромагниттік сәулелерге жатады.Жиілігі бойынша рентгендік сәулелер ультракүлгін сәулелер мен гамма-сәулелердің аралығында орналасқан.
Кванттық пайымдау бойынша электрон үлкен жылдамдықпен металл атомына соғылғанда,оның ядросына неғұрлым жақынырық орналасқан электрондарын жұлып шығарады.Сөйтіп,босаған электрондардың орнына ядродан алысырақ қабаттарда орналасқан электрондар ауысады.Электрондардың осындай ауысуы кезінде атом электромагниттік сәуле,яғни фотондар ағынын шығарады.Міне,осы фотондар ағыны жиілігі үлкен рентгендік сәулелер болып табылады.Тежелу барысында жылдам электрондар біраз мөлшерде кинетикалық энергияларынан айырылады:

Мұндағы Е1 және E2-электрондардың әр түрлі күйлеріндегі кинетикалық энергиялары,Е-электронның жоғалтқан энергиясы.Бұл энергия рентгендік сәулелер фотонының энергиясына түрленеді.

Жылдам электрондардың тежелуі кезінде туындайтын сәулеленуді тежеулік рентгендік сәулелер деп атайды.
Сонымен қатар рентгендік сәулелердің тірі организмге тигізетін залалын да білу қажет.Рентгендік сәулелердің өтінде ұзақ болу өте зиян.Теледидар және компьютер мониторының экрандарына электрондар ағыны соғылғанда да рентгендік сәулелер пайда болады.Мұндай құралдардың қасында өте жақын әрі ұзақ отыру –денсаулыққа нұқсан келтіретінін естен шығармау керек.

Электрондарды үдету механизмінің құпиясы өрістің атқаратын жұмымы арқылы түсіндіріледі.Расында да,өрістің істейтін жұмысы есебіненэлектронның кинетикалық энергиясы өседі,яғни жылдамдығы артады:

Мұндағы U-электродтарға түсірілген кернеу
V-электронның жылдамдығы
mе -электронның массасы
e-электронның заряды
Жарық қысымы.
Максвелл ұсынған жарықтың электромагниттік теориясы басқа әсерлермен қатар жарық қарсы кездесетін тосқауылдарға қысым түсіретіндігін болжап айтқан болатын.Ал ток бағыты болса, жарықтың таралу бағытына перпендикуляр болады. (6-сурет)

Бұл токқа жарық толқынының магнит өрісі әсер етеді.Ол күштің бағыты жарықтың таралу бағытына сәйкес келіп,жарық түскен бетке перпендикуляр болады да,жарық дененің бетіне қысым түсіреді.
Жарықтың кванттық теориясының n болуы жарық қысымының себебін өте оңай түсіндіруге мүмкіндік берді.
Егер де бірлік уақыт ішінде дене бетінің бірлік ауданына перпендикуляр бағытта N фотон түскен болса,онда шағылу коэффиценті r дене бетінен rN фотон шағылып,кері серпіледі.Ал фотонның жұтылған бөлігі (1-r)N болады.Сөйтіп әрбір жұтылған фотонның денеге мөлшерден импульс ауысады да,барлық жұтылған фотондардан оған мөлшерде импульс беріледі.Дене бетінен кері шағылып серпілген фотонның импульс мөлшері болады. Сөйтіп дененің бетіне түскен барлық фотоннан денеге бірлік уақыт ішінде мынадай мөлшерде импульс ауысады.

Жарық қысымын П.Н.Лебедев өлшеді.Толқынның электр өрісінің әсерінен денедегі электрондар тербеліс жасайды.Электр тогы пайда болады.Бұл (өріс) ток электр өрісі кернеулігінің бойымен бағытталған.(6-сурет)
Реттелген қозғалыстағы электрондарға магнит өрісі тарапынан Лоренц күші F әсер етеді.Сол қол ережесі бойынша Лоренц күші толқынның таралу бағытына қарай бағытталған.Жарық қысымының күші деген сол.
Максвелл теориясының дұрыстығын дәлелдеу үшін жарық қысымын өлшеу маңызды болады.Көптеген ғалымдар солай жасамақшы еді,бірақ жарық қысымы өте аз болғандықтан,оның сәті келмеді.Ашық күндері бір метрге не бары 4.10 H күш әсер етеді.Жарық қысымын алғашқы рет атақты орыс физигі Петр Николаевич Лебедев 1900 жылы өлшеді.
Лебедевтің приборы жіңішке шыны қылға ілінген өте жеңіл стерженьнен тұрады,оған жеңіл қанатшалар жапсырылған.(8-сурет). Прибор ауасы сорылып алынған ыдыстың ішіне тұтас орналастырылған.Жарық стерженьнің бір жағына орналасқан қанатшаларға түскен.Қысымының шамасы туралы жіптің шиыршықталу бұрышы бойынша сөз етуге болады.

Сонымен бірге,қанатшалардың беттерінің әр түрлі қызуы жіптің шиыршықталуына әсер етеді.Неғұрлым көбірек қызған беттен шағылған молекулалар, аздап қызған беттен молекулаларға қарағанда,қанатшаға үлкен импульс береді.
Сол кездегі эксперименттік техника дәрежесінің төмендегеніне қарамастан,өте үлкен ыдыс және өте жұқа қанатшалар алып,Лебедев осы қиыншылықтардың бәрін жеңе білді.Ақырында жарықтың қатты денелерге қысым түсіретіні дәлелденді және оның шамасы өлшенді.Ол Максвеллдің алдын ала айтқанымен дәл келді.Соңынан үш жыл еңбектеніп,Лебедев бұдан да нәзік экспериментті іс жүзіне асырды: Жарықтың газдарға түсіретін қысымын өлшеді.
Лебедев тәжірибелерін фотондарда импульс болады дегеннің эксперименттік ділелдемесі ретінле қарастыруға болады.
Жарықтың химиялық әсері.Фотосурет.
Молекулалардың кез келген түрленуі-химиялық процесс.Көбінесе жарықтың әсерінен молекула ыдырағанда, тізбектелген химиялық түрленулер басталады.Күн сәулелерінің әсерінен матаның оңуы және күнге тотығу-бұлар жарықтың химиялық әсерінің мысалдары.
Ағаштар мен шөптің жасыл жапырақтарында,қылқан жапырақтылардың қылқандарында,тағы басқа көптеген микроорганизмдерде жарықтың әсерінен аса маңызды химиялық реакциялар жүреді.Күннің әсерінен жасыл жапырақтарда Жердегі барлық тіршілік үшін қажетті процестер жүреді.Олар бізге қорек береді,сондай-ақ бізге дем алу үшін оттегін береді.
Жапырақтар ауадан көмірқышқыл газды жұтады да,оның молекулаларын құрама бөліктеріне:көміртегі мен оттегіне ыдыратады.Орыс биологы Климент Аркадьевич Тимириязев анықтағандай бұл хлорофилл молекулаларында күн спектрінің қызыл сәулелерінің әсерінен орындалады.Мұндағы ең маңыздысы энергияның өзі ғана емес,оның қандай формада келіп түсетіндігі.Фотсинтез тек спектрдің белгілі аралығындағы жарықтың әсері арқылы ғана жүруі мүмкін.
Фотосинтез механизмі ақырына дейін әлі анықталмаған.
Жарықтың химиялық әсеріне сондай-ақ,фотосурет негізделген.
Фотосурет.Фотопластинаның сезгіш қабаты желатинге енгізілген бромды күмістің (AgBr) майда кристалдарынан тұрады.Кристалдарға жарық кванттары түскенде электрондар бромның кейбір иондарынан бөлініп кетеді.Бұл электрондарды күмістің иондары қоршап алады да,кристалдарда шағын мөлшерде күмістің бейтарап атомдары пайда болады.Бірақ осы процестің есебінен бөлініп шыққан металл күйдегі күмістің мөлшері аз.
Шындығында,фотопластинаның уақыт өтуіне байланысты жарықтан аз да болса қараятынын байқауға болады.Бұл қараю металл күмістің пайда болуынан туған.Жарықтың әсерімен обьектінің фотопластинада пайда болған кескінін жасырын деп айтады.
Пластинаны өңдеудегі бірінші операция айқындау болып табылады.
Пластина гидрохинонның,металдың немесе басқа заттардың ертіндісіне батырылады,олардың әсерінен бромды күмістің жеке молекулалары ыдыраған барлық кристалдарынан металл күміс бөлініп шығады.
Бұдан кейінгі операция-бекіту мұнда бромды күмістің қалған кристалдары ерітіледі де,жуылады.Осының салдарынан пластина жарық сезгіш болмай қалады.Бекіту үшін пластинаны гипосульфиттің ерітіндісіне батырады.Суға жуған соң негатив дайын болады.Фотосуреттің ғылым үшін маңызы зор.Мысалы,найзағайдың жарқылы сияқты,өте жылдам процестерді фотоға түсіріп алып,одан әрі тәптіштеп зерттеуге болады.
Қазіргі техниканың арқасында тек күндізгі жарықта ғана емес,сондай-ақ түнде инфрақызыл сәулелерде,фотосуретке түсіру мүмкін болды.Кинодағы дыбысты жазу үшін фотосурет пайдаланылады.
Комптон эффектісі
Классикалық теория бойынша шашыраған сәулелер мен түскен сәулелердің тербеліс жиіліктері бірдей болуға тиіс.Бірақ шашыраған рентген сәулелерінің спектрін зерттеуден бұл пікірдің кейбір жағдайларда орындалмайтындығы байқалады.Мысалы,атомдарының массалары аздау элемент (Li,Be,Cжәне т.б.),сол сияқты жеңіл элементтерден құралған заттардан (графит,парафин) шашыраған қатаңдау рентген сәулелерінің құрамында толқынының ұзындығы бастапқы түскен сәулелердікіндей және толқын ұзындықтары одан гөрі ұзынырақ сәулелердің болатындығы анықталды.Сөйтіп рентген сәулесі шашыраған кезде олардың толқындар ұзындығының өзгеруі Комптон құбылысы немесе Комптон эффектісі деп аталады.Сөйтіп жарықтың корпускулалық қасиетінің айқын болуын бірінші рет 1924 жылы американ физигі А.Комптон (1892-1962) зерттеуі. Тәжірибеден мынау анықталды.Шашыраған рентген сәулелерінің спектрінде толқын ұзындығы –ға тең бастапқы сәулемен қатар, толқын ұзындығы болатын басқа сәуленің бар екендігі байқалды.Бұл толқын ұзындықтарының айырмасы шашыратқыш және бастапқы түскен сәуленің толқынының ұзындығына тәуелді болмай,тек сәулелердің шашырау бағытына байланысты болады.Егер шашырау бұрышын Ө десек,онда мен Ө арасындағы байланысты былайша өрнектеуге болады:

Мұндағы – шашыраған сәуленің толқын ұзындығы, - Комптон анықтаған толқын ұзындығы,ол мынаған тең: Әрине,Комптон эффектісін классикалық электромагниттік теория арқылы түсіндіру мүмкін емес,оны тек кванттық теория бойынша түсіндіреді.Кванттық теория тұрғысынан рентген сәулелері дегеніміз фотондардың ағыны болып табылады.Ал әрбір фотонның белгілі бір энергиясы және импульсі бар.Олай болса Комптон эффектісі импульсі мен еркін электрондардың соғылысу нәтижесінде деп қарастыруға болады.Бұл соғылысу серпімді болғандықтан,фотон мен электрон соғылысқанда оның энергиясы мен импульсі өзгереді,себебі электрон соғылысудың нәтижесінде импульс және кинетикалық энергия алады.Комптон өзінің тәжірибесінде пайдаланған фотондар энергиясы 17,5кэВ рентген сәулелері болды.Міне осындай электрондардың шамасы ғана электрондардың атомдармен байланысын бұза алады.
Енді энергиясы hv фотон тыныштықтағы (массасы-mo) электронмен соқтығысқанда қандай өзгерістерге ұшырайды осыны қарастырайық. (9-сурет)

Соқтығысу кезінде фотон энергиясының кемуі шашыраған сәулелердің толқын ұзындығының өсетіндігін көрсетеді.Сөйтіп шашыраған фотонның энергиясы болса, импульсі тең болады. Ал тыныштықтағы тұрған электронның қабылдаған импульсі ,энергиясы E=mc2тең.
Энергияның сақталу заңына сәйкес мына теңдеуді жазайық:

Мұндағы электронның тыныштықтағы энергиясы, E=hv фотонның энергиясы.
Импульстің сақталу заңына сәйкес мынаны жазайық:

Мұндағы -фотонның импульсі
Импульстің сақталу заңы теңдеудегі шамалардың мәндерін ескеріп және энергияның сақталу заңына сәйкес тең өрнектегі шамаларды орындарына қойсақ мына теңдеу шығады:

Электронның m массасы оның V жылдамдығымен былайша байланысты:

Соңғы екі теңдеулерді біріктірсек,

Егер және болса,ең соңында мына формуланы аламыз

Мұндағы комптондық толқын ұзындығы деп аталады.
Бұл өрнекті мәндерін қойсақ болады.
Сөйтіп,Комптон фотондардың тек қана фотоэффект құбылысында құбылысында байқалатын бөлшектер емес,сонымен қатар шашыраған сәулелерде де болатын бөлшектер екендігін дәлелдеді.Сондықтан жоғарыдағы айтылған эксперимент және оның теориясын жасағаны үшін Комптон 1927жылы Нобель сыйлығына ие болады.
Жарықтың табиғаты.Жарықтың толқындық және корпускулалық теорияларының дамуы.
XVII ғасырдың аяқ кезінде жарықтың табиғаты туралы екі түрлі ғылыми түсінік болды.Олардың біреуі-жарықтың толқындық теориясы да,екіншісі жарықтың корпускулалық теориясы.
Жарықтың корпускулалық теориясын тұжырымды етіп баяндаған ағылшын ғалымы И.Ньютон(1672) болды.Бұл теория бойынша,жарық дегеніміз жарқырауық денелерден ұшып шыққан жарық бөлшектерінің ағыны (корпускула –бөлшек деген ұғым),яғни жарық бөлшектері инерция заңына ұқсас түзу сызық бойымен қозғалады,сондықтан жарық біртекті ортада түзу бойымен таралады.Яғни,айнаға түскен жарық бөлшектерінің шағылу бұрышы түсу бұрышына тең.
Екі мөлдір ортаның шекарасында жарықтың сыну себебі жарық бөлшектері екінші ортаның бөлшектеріне тартылады,соның салдарынан бірінші ортадан екінші ортаға өткенде жарық бөлшектерінің жылдамдығ өзгереді,сонда бірінші ортаға тқарағанда екінші орта тығыздау болса,жарық бөлшектеріің жылдамдығы артады.Корпусколалық теория бойынша жарықтың сыну көрсеткіші (n) жарықтың екінші ортадағы жылдамдығының (V) бірінші ортадағы (C) қатынасына тең,яғни

Мұндағы V-жарықтың белгілі бір ортадағы таралу жылдамдығы,C-жарықтың вакуумдағы таралу жылдамдығы. түсу бұрышының синусы,сыну бұрышының синусы.Мысалы,жарық ауадан суға өткенде сыну көрсеткіші 1,33 яғни 1- артық екендігі тәжрибеден мәлім.Демек,Нъютонның жарықтың сыну көрсеткіші жайындағы қорытындысы дұрыс емес.Сөйтіп бұл теория жарықтың табиғатын толық түсіндіре алады.Сондықтан голланд ғалымы Х.Гюгенс (1678) жарық құбылыстарын түсіндіретіндей жарықтың толқындық теориясын ұсынды.Бұл теория бойынша жарық дегеніміз ерекше серпіледі ортада яғни эфирде таралатын толқындық процесс.Гюгенстің пікірінше жарық дыбысқа ұқсас сфералық беттер және толқындар түрінде тарлады.Сөйтіп жарық толқындары эфирде тралатын механикалық серпінді тербелістер болып табылады.Бұдан Гюгенс принйипі деп аталатын мынадай қорытынды шығады.Толқындық ет жеткен ортаның әрбір нүктесі элементар толқындардың дербес көзі болады,сол элементар толқындарды ораушы бет жаңа толқындық беттің орнын көрсетеді.Толқындық беттерге тік жүргізілген түзулер жарық таралатын бағытты көрсетеді.Осы толқындық теория бойынша,тығыздығы аздау ортадан тығыздығы көбірек ортаға өткенде жарық жылдамдығы кемиді,яғни тығыздығы көбірек сыну көрсеткіші тең болатындығы тәжірибе де анықталады.Сонымен,жарықтың сыну көрсеткішінің мазмұнын толқындық теория дұрыс түсіндіргемен жарықтың түзу сызық бойымен тарлу заңдығын түсіндіре алмады.Сөйтіп XVIII ғасыр бойы жарықтың корпускалық және толқындық теориялардың арасындағы тартыс тоқтамады.XIX ғасырдың бас кезінде ғана толқындық теория үстем бола бастады.Себебі,Ж.Фуко (1819-1868) бірінші рет жарықтың судағы жылдамдығын өлшеп,толқындық теорияның дұрыстығын растады.Сол сияқты ағылшын физигі Т.Юнг (1773-1829) жарықтың интерференсия құбылысы туралы жаңа пікірлер айтты.Юнг бұл құбылысты жарық толқындарының бір бірімен қосылуынан деп ұқты,ол жұқа пластиналардың бетінде байқалатын әртүсті дөңгелекшелердің,яғни Нъютон сақиналарының пайда болуын осы тұрғыдан қарастырады.Сөйтіп,интерорфенсия әдісін пайдаланып,көрінетін сәулелер толқындарының ұзындығын өлшеді.Француз физигі З.Малюс (1809ж) полярциясы құбылысын байқады.Сөйтіп жарық ерекше серпінді ортада эфирде көлденең тербелістер түрінде таралады деген қорытынды жасады.
Максвелл электромагниттік толқын мен жарықтың абиғаты бір,яғни жарық дегеніміз электромагнитті толқындардың дербес түрі деген қорытынды жасады.Ал неміс физигі Г.Герц (1888ж) тәжірибе жасап,электромагниттік толқындармен жарықтың негізгі қсиеттерінің ұқсас екендігін дәлелдеді.Біақ бұл теория жарыұтың затта таралу ерекшеліктерін,яғни заттың жарық сыну көрсеткішінің жарық толқынының ұзындығына тәуелділігін түсіндіре алмады,бірақ бұл мәселені 1896ж электрондық теорияға сүйене отырып Г.Лоренц түсіндірді.
Атақты неміс физигі 1900 ж Н.Планк (1858-1947) абсолют қара дененің сәуле шығару заңын қорытып шығарды,яғни жарық шығаратын осциляторлар тербелгенде сәулелік энергия мөлшері үздік үздік порция түр үлесі түрінде шығады деді.
Энергия осындай үлесі квант деп аталады.Мұны мына қатынас арқылы өрнектеп жазуға болады: мұндағы планк тұрақтысы жаықтың тербеліс жиілігі.
Осы энергия кванттары жалпы физикаға үлкен өзгеріс енгізіп,бұрын түсініксіз болған құбылыстарды кванттық теория негізінде түсіндірді.Эйнштейн жарық дегеніміз кванттар ағыны деп жорыды.Жарық кванттары қазіргі уақытта фотондар деп аталады да,фотондар ағыны болып есептеледі.Осындай теорияны жарық фотондық теориясы деп атайды.
Сонымен,жарықтың әрі толқындық әрі корпускалық қасиеттері бар жарық табиғатының екі жақтылығы шығады.
Осындай көзқарасты белгілі француз физигі Луй де-Бройль(1924ж) ұсынды.Жарықтың осындай екі жақтылы қасиеттері заттың элементар бөлшектеріне де тән.
Қорыта келе,жарық материяның бір формасы да,онда материяның барлық негізгі қасиеттері болады.