Cuantificarea câmpului electromagnetic - ipoteza fotonilor, efectul fotoelectric și efectul Compton

Ideea structurii atomiste a luminii este veche şi a fost dezvoltată încă de Newton ca o teorie coerentă, în limitele concepţiilor fizicii clasice Succesele acestei teorii au fost totuşi destul de modeste Dimpotrivă, teoria ondulatorie a lui Huygens, care admitea o structură continuă a luminii, a permis interpretarea satisfăcătoare a unui mare număr de fenomene luminoase, iar teoria maxwelliană a undelor electromagnetice părea să explice toate nuanţele opticii

Radiaţia termică de echilibru a fost unul din fenomenele pe care teoria clasică nu le-a putut interpreta Pentru explicarea legilor radiaţiei termice, Planck a fost obligat să accepte o ipoteză cu totul străină de spiritul fizicii clasice şi anume ipoteza cuantelor

În conformitate cu acestă ipoteză, oscilatorii microscopici nu se puteau găsi în orice stări, ci doar într-o mulţime selecţionată de stări, variaţia de energie între două stări învecinate fiind proporţională cu frecvenţa a oscilatorului :

(1.1)

unde : [Js] - constanta universală sau constanta lui Planck

Pasul următor l-a făcut Einstein introducănd în 1905 ipoteza fotonilor În concepţia lui Einstein asupra emisiei şi absorbţiei luminii, concepţie astăzi unanim acceptată, se admite că în cazul în care energia unui oscilator microscopic scade cu , se generează un foton a cărui energie este chiar Reciproc, la absorbţia unui foton de către oscilator, energia acestuia creşte cu

Fotonul este prima particulă studiată de fizicieni ca o particulă cuantică, deci radical diferită de obiectele clasice Într-adevăr, conceptul de foton, nou introdus, urmând a explica toate fenomenele pe care teoria ondulatorie le interpretase cu succes, trebuia să fie o sinteză dialectică între conceptul de corpuscul şi cel de undă, adică în fapt ceva radical diferit atât de conceptul clasic de particulă, cât şi de cel clasic de undă, dar care să prezinte atât aspecte corpusculare cât şi ondulatorii

În acest scop, caracteristicile corpusculare, energie şi impuls, se leagă de caracteristicile ondulatorii, frecvenţă şi vector de undă, prin relaţiile :

(1.2)

(1.3)

Fotonii, fiind particule care se deplasează cu viteză egală cu cea a luminii (c), nu au referenţial propriu, aşa încât noţiunea de masă de repaus nu are sens În ceea ce priveşte masa dinamică, aceasta are valoarea :

(1.4)

Interacţiunea dintre un foton şi un microsistem are loc cu conservarea energiei şi a impulsului :

(1.5 a)

(1.5 b)

În particular, în cazul emisiei unui foton, avem relaţiile :

(1.6 a)

(1.6 b)

iar în cazul absorbţiei fotonului, avem relaţiile :

(1.7 a)

(1.7 b)

Ipoteza fotonilor s-a dovedit a fi deosebit de fertilă pentru înţelegerea a numeroase procese legate de radiaţia electromagnetică Din punct de vedere istoric, prezintă interes, în primul rând, posibilitatea explicării în cadrul acestei ipoteze a efectului fotoelectric şi a efectului Compton În cele ce urmează, se vor discuta aceste două fenomene, precum şi interpretarea lor în teoria fotonilor

În cazul efectului fotoelectric, absorbţia unui foton de către un electron are drept rezultat creşterea energiei electronului cu valoarea Ca urmare, electronul poate rămâne mai departe în sistem (atom, moleculă sau reţea cristalină), fiind însă promovat într-o altă stare (efect fotoelectric intern) sau poate fi chiar eliberat din sistem, dacă energia fotonului depăşeşte energia de legătură a electronului în sistem (efect fotoelectric extern)