Такие явления, как интерференция, поляризация и дифракция служат доказательством волновой природы света. В то же время, согласно некоторым опытам, свет будет проявлять себя подобно потоку частиц (опыты с тепловым излучением, исследование фотоэлектрического эффекта и др.). Свет, таким образом, имеет природу двойственности, сочетая в себе свойства частиц и также волн.
Понятие теплового излучения
Тепловым излучением считается в физике электромагнитное излучение, которое обусловлено возбуждением атомов (молекул тела) вследствие их определенного движения.
Тепловое излучение становится реальным, благодаря внутренней энергии тела и свойственно проявляться в отношении всех тел, независимо от температуры (даже если она будет нулевой).
Тепловое излучение обладает сплошным спектром, то есть в нем зафиксировано присутствие волн с разными частотами (длинами), чьи значения непрерывно меняются. При разности температур будет изменяться и соотношение интенсивностей излучения разных частот.
Тепловое излучение считается единственным явлением, которое способно находиться в состоянии термодинамического равновесия с веществом. При нахождении тела в замкнутой и теплоизолированной от окружающей среды полости, оно (в термодинамическом равновесии) начнет восполнять энергию, израсходованную на тепловое излучение. Даже при условии, что температура тела и стенок полости изначально были различными, в адиабатической замкнутой системе через некоторое время будет зафиксировано выравнивание температур.
Пусть температура тела меньше, чем температура стенок полости, тогда тело будет больше поглощать, чем излучать. Внутренняя энергия вещества начнет увеличиваться до тех пор, пока температура не сравняется с температурой стенок. Дальнейшее повышение температуры невозможно, поскольку вся поглощенная энергия будет излучаться.
Равновесное тепловое излучение считается однородным, не поляризованным и изотропным. Согласно второму закону термодинамики, объемная плотность теплового излучения $WT$ независима от природы вещества, а также геометрических размеров тела, она будет определяться его температурой (представляет универсальную функцию температуры).
Благодаря спектральной поглощательной способности $A_v,T$, мы видим, какая часть энергии в единичном интервале волн электромагнитного излучения будет поглощаться в условиях падения на поверхность тела. Абсолютно черное тело способно к поглощению падающего на него излучения любой частоты и при любой температуре:
$A_v,T$ = $1$.
Излучение абсолютно черного тела
Абсолютно черным телом считается в физике идеальная физическая модель. При этом в природе абсолютно черных тел не существует, поскольку даже, например, сажа в значительной степени будет поглощать излучение только лишь в видимой части спектра электромагнитных волн.
Максимально близкой к абсолютно черному телу будет замкнутая полость, имеющая отверстие малых размеров. Попавший в такое отверстие луч света начинает многократно отражаться и терять при этом часть своей энергии. В конечном итоге, из такого отверстия выйдет только ничтожная часть энергии.
Свет, попавший внутрь сквозь такое отверстие, полностью поглощается после многократных отражений. При этом отверстие снаружи визуально окажется совершенно черным. В то же время, после нагревания такой полости у нее формируется собственное видимое излучение. Излучение внутри полости будет находиться в состоянии термодинамического равновесия со стенками. Исследование законов излучения абсолютно чёрного тела стало одной из предпосылок возникновения квантовой механики.
В 1893 году ученый Вильгельм Вин на основании принципов электромагнитной теории света, вывел такую формулу:
$u_v = v^3f\frac{v}{T}$, где:
- $u_ν$ представляет плотность энергии излучения,
- $ν$—является частотой излучения,
- $T$— это температура излучающего тела,
- $f$— функция, зависящая исключительно от частоты и температуры.
Попытки описания излучения абсолютно черного тела на основе классических принципов термодинамики, способствовали появлению закона Рэлея — Джинса:
$u(\omega,T) = kT\frac{\omega^2}{\pi^2c^3}$
Общую энергию теплового излучения определяет закон Стефана— Больцмана: мощность излучения абсолютно чёрного тела на единицу площади поверхности оказывается прямо пропорциональной четвертой степени температуры тела:
$j = \sigma T^4$, где:
$j$ - мощность на единицу площади излучающей поверхности
Явление фотоэлектрического эффекта
К явлениям, позволяющим обнаруживать квантовые (корпускулярные) свойства света, относят фотоэффект (фотоэлектрический эффект). Фотоэффект является процессом освобождения электронов (под световым воздействием) от связи с атомом или веществом.
Различают (в зависимости от степени освобождения электронов):
- внешний;
- внутренний;
- вентильный фотоэффект.
Гипотеза Планка заключается в следующем: в условии теплового излучения мы наблюдаем выход энергии и ее поглощение не непрерывным способом, а порционно (то есть отдельными квантами):
$E = hv = hw$
$h = \frac{h}{2\pi}$, где:
$h$ – является коэффициентом пропорциональности, впоследствии названным «постоянной Планка».
Фотон считается в физике элементарной частицей (квантом электромагнитного излучения). Он представляет частицу, не обладающую массой и способную к существованию исключительно при движении со скоростью света. Электрический заряд такой частицы имеет нулевое значение.
Принцип внешнего фотоэффекта хорошо объясняется в квантовой теории, согласно которой, электрон получает в полной мере всю энергию фотона сразу:
$e = hv$
Такая энергия будет расходоваться на то, чтобы совершалась работа по выходу электрона из вещества (катода) и также на сообщение кинетической энергии электрону (уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта):
$hv = A_{вых} + \frac{mv^2_{max}}{2}$
К законам фотоэффекта относят следующие:
- число вырываемых за одну секунду фотоэлектронов (с поверхности катода) будет прямо пропорциональным интенсивности падающего на данное вещество света;
- кинетическая энергия фотоэлектронов не будет зависеть от степени интенсивности падающего света, ее зависимость имеет исключительно линейный характер (от его частоты);
- «Красная граница» фотоэффекта зависит лишь от рода вещества катода.
