Interpretation der Teilchen-Wellen-Dualität der Lichteigenschaften. Welle-Teilchen-Dualismus – Mythos oder Realität

Der Begriff „Dualismus“ bedeutet in der Physik im weiteren Sinne:

1) die Existenz entgegengesetzter Eigenschaften in physischen Objekten;

2) die Verwendung gegensätzlicher Konzepte bei der Beschreibung und Erklärung physikalischer Phänomene;

3) das Vorhandensein gegensätzlicher (sich gegenseitig ausschließender) Aussagen bei der Formulierung von Gesetzen, die physikalische Phänomene regeln.

Die grundlegendsten Erscheinungsformen des Dualismus sind:

1) Teilchen-Wellen-Dualismus in den Eigenschaften von Elementarteilchen;

2) das Vorhandensein von Teilchen und Antiteilchen, entgegengesetzten elektrischen Ladungen, unterschiedlichen Vorzeichen der Lepton- und Baryonenzahlen (siehe Teil IV, § 23) usw. in der Natur;

3) gegensätzliche Eigenschaften von Materieteilchen und Kraftfeldern, d. h. „Korpuskular“- und „Feld“-Materie;

4) Verwendung der Begriffe „Energie“ und „Arbeit“;

5) die Existenz abstoßender und anziehender Kräfte in physikalischen Systemen, deren gleichzeitige Wirkung die Eigenschaften physikalischer Systeme bestimmt;

6) Zusammenhang zwischen quantitativen und qualitativen Veränderungen der Eigenschaften physikalischer Systeme;

7) Eindeutigkeit und Wahrscheinlichkeit in den Gesetzen der Physik;

8) Diskretion und Kontinuität in der Natur, die Verbindung zwischen ihnen usw.

Das Wesen des Dualismus (d. h. der Inhalt der Begriffe „entgegengesetzte Eigenschaften“, „Begriffe“, „Aussagen“) lässt sich am Beispiel einer Kombination von Korpuskular- und Welleneigenschaften von Elementarteilchen (Photonen, Elektronen usw.) zeigen. . Der Text (siehe Teil IV, § 10-12) zeigte Folgendes:

1) Korpuskular- und Welleneigenschaften von Teilchen sind untrennbar miteinander verbunden. Jedes Teilchen hat diese beiden Eigenschaften in Einheit und

gegenseitige Bedingtheit, und es gibt keine Möglichkeit, einem Teilchen eine dieser Eigenschaften zu entziehen. Offenbar gibt es keine Teilchen, die nur korpuskuläre oder nur Welleneigenschaften haben;

2) Korpuskular- und Welleneigenschaften sind nicht aufeinander reduzierbar. Das bedeutet, dass die Welleneigenschaften eines Teilchens nicht durch die korpuskulären erklärt werden können und umgekehrt;

3) Korpuskular- und Welleneigenschaften sind untrennbar miteinander verbunden.

Der Welle-Teilchen-Dualismus liegt der Quantenphysik zugrunde, die mikrophysikalische Systeme und Prozesse beschreibt. Damit ist einer der wichtigsten Zweige der modernen Physik dualistischer Natur und Inhalt. Die kontinuierliche Wellenfunktion von Teilchen und physikalischen Systemen einerseits und die korpuskulären Eigenschaften derselben Teilchen und Systeme andererseits existieren in der Quantenphysik in Einheit und gegenseitigem Zusammenhang. Alle Versuche, diesen Dualismus zu beseitigen, waren erfolglos. Daher kann argumentiert werden, dass der Dualismus in der Quantentheorie kein vorübergehendes, zufälliges Nebenphänomen ist, das beispielsweise durch Schwierigkeiten bei der Beschreibung mikrophysikalischer Systeme verursacht wird, sondern ein Spiegelbild des in der Natur vorherrschenden objektiven Dualismus.

Betrachten wir eine weitere Manifestation des Dualismus in der Natur – das Vorhandensein von Teilchen und Antiteilchen. Das wollen wir zunächst einmal festhalten physikalische Eigenschaften Partikel können in zwei Gruppen eingeteilt werden:

1) Eigenschaften, die sich zwischen verschiedenen Partikeln nur in der Größe unterscheiden; Die wichtigste davon ist die träge Masse. Beachten Sie, dass die Masse keine additive Eigenschaft ist (die Masse eines physikalischen Systems ist kleiner als die Summe der Massen der im freien Zustand gemessenen Partikelbestandteile), sondern vom Zustand des Partikels (Bewegungsgeschwindigkeit) und von den Bedingungen abhängt in dem sich das Teilchen befindet (die Masse der Nukleonen im Feld der Kernkräfte unterscheidet sich von ihrer Masse außerhalb des Kerns);

2) qualitativ unterschiedliche Eigenschaften, zum Beispiel entgegengesetzte elektrische Ladungen. Beachten Sie, dass Ladungen additiv sind und nicht von der Bewegungsgeschwindigkeit und den Bedingungen abhängen, unter denen sich die geladenen Teilchen befinden. Dies bedeutet, dass Ladungen (sowie Leptonen- und Baryonenzahlen) grundlegendere Eigenschaften von Teilchen sind als die träge Masse.

Elementarteilchen können nach einer Reihe grundlegender Eigenschaften sortiert werden, die ihnen innewohnen. Abhängig von der Art und Anzahl dieser Eigenschaften wird der Inhalt von Konzepten wie „identischen“ oder „verschiedenen“ Partikeln bestimmt. Es ist offensichtlich, dass die Identität von Teilchen (oder physikalischen Objekten im Allgemeinen) der Grenzfall der Gleichheit ist, wenn es keinen Unterschied zwischen den Objekten gibt: weder in der Menge der ihnen innewohnenden Eigenschaften noch in ihrer Struktur, ihrem Zustand und ihrem Verhalten unterschiedliche Bedingungen (solche identischen Objekte sind Elementarteilchen einer bestimmten Art, die sich in den gleichen Bedingungen befinden). Der Gegensatz physikalischer Objekte sollte als Extremfall der Differenz betrachtet werden, wenn diese Differenz vollständig ist, das heißt, die Objekte haben keine identischen Eigenschaften.

Beachten Sie, dass Teilchen und Antiteilchen in diesem Sinne keine Gegensätze sind, da sie nicht nur unterschiedlich sind, sondern auch die gleichen Eigenschaften haben (z. B. haben ein Elektron und ein Positron unterschiedliche Ladungen, aber denselben Spin und dieselbe Ruhemasse). Teilchen und Antiteilchen sind also polare, aber keine entgegengesetzten Objekte.

Im Zusammenhang damit stellen sich folgende Fragen:

1) Gibt es in der Natur „entgegengesetzte Objekte“?

2) Ist eine Interaktion zwischen ihnen möglich, was sind die Merkmale dieser Interaktion und ihre Bedeutung in der Natur?

3) Wie unterscheiden sich Wechselwirkungen zwischen identischen, polaren und entgegengesetzten Objekten?

Die Diskussion dieser Themen hat eine wichtige ideologische Bedeutung; Die positiven Ergebnisse dieser Diskussion werden es ermöglichen, unsere Vorstellungen darüber zu klären, wie die Natur um uns herum funktioniert. Eine solche Diskussion muss auf der Grundlage eines spezifischen philosophischen Systems geführt werden und wird alle Bereiche der Physik betreffen. Insbesondere können wir glauben, dass die gegensätzlichen Objekte in der Natur „Materie“ und „Felder“ sind. Mit „Materie“ sind in der Regel Elementarteilchen und aus ihnen zusammengesetzte Systeme gemeint: Atomkerne, Atome, Moleküle usw.; „Feld“ bezieht sich auf verschiedene Kraftfelder: Gravitation, elektromagnetische, nukleare usw. Es gibt zwei Vorstellungen von Feldern. Eine davon geht davon aus, dass Felder kontinuierlich den Raum um Materieteilchen ausfüllen und, da sie „in besonderer Weise“ mit ihnen verbunden sind, die Art und Intensität der Wechselwirkung zwischen ihnen bestimmen. Eine andere Ansicht besagt, dass jedes Feld aus „speziellen Feldteilchen“ besteht, die von Materieteilchen emittiert und absorbiert werden und dadurch Wechselwirkungskräfte zwischen ihnen erzeugen. Man geht beispielsweise davon aus, dass das elektromagnetische Feld aus Photonen („photonisches Gas“) besteht; Wenn ihre Anzahl pro Volumeneinheit sehr groß ist, verhält sich das elektromagnetische Feld wie ein kontinuierliches Medium. Wenn diese Zahl klein ist und Prozesse untersucht werden, an denen einzelne Photonen beteiligt sind, dann ist das Konzept elektromagnetisches Feld als kontinuierliches Medium verliert seine Bedeutung.

An dieser Stelle muss betont werden, dass die derzeit bestehenden Vorstellungen über Materie und Felder nicht als endgültig angesehen werden sollten. Die Entwicklung der experimentellen und theoretischen Physik kann nicht nur zur Klärung, sondern auch zu radikalen Veränderungen unserer Vorstellungen von der Natur und dem Wesen der in ihr auftretenden Phänomene führen. Es ist möglich, dass in Zukunft monistische Weltanschauungen triumphieren werden, nach denen die Natur besteht aus: 1) entweder nur Materieteilchen und das Feld ist nur eine Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen ihnen zu beschreiben; 2) entweder nur aus verschiedenen Bereichen, und Materieteilchen sind nur ihre „besonderen Punkte“. Es ist jedoch möglich, dass alle bekannten experimentellen Daten eine zufriedenstellende Erklärung auf der Grundlage einer dualistischen Weltanschauung erhalten, in der Materie und Felder als gegensätzliche Objekte betrachtet werden, die irreduzibel und untrennbar voneinander sind und deren untrennbare Wechselwirkung die Grundlage bildet aller Naturphänomene, die wir beobachten.

Der Dualismus zeigt sich auch in der gleichzeitigen Existenz einer probabilistischen und eindeutigen Beschreibung physikalischer Phänomene. Die klassische, streng deterministische Beschreibung ist aus der Physik nicht auszuschließen; Es ist notwendig, den wahrscheinlichsten Verlauf physikalischer Phänomene zu beschreiben. Andererseits gibt es immer eine Streuung der Zustände der untersuchten Objekte (und physikalische Quantitäten, die diese Zustände beschreibt), und diese Streuung ist probabilistischer Natur. Derzeit gilt die objektive Existenz probabilistischer Prozesse in der Natur als theoretisch und experimentell belegt; In der Quantenphysik (siehe Teil IV, § 10, 11) wird die Einzigartigkeit im Verhalten von Elementarteilchen und Mikrosystemen allgemein geleugnet. Dies bedeutet keine völlige Leugnung der Einzigartigkeit (Determinismus) der Natur, sondern lediglich eine Einschränkung des Handlungsspielraums. Gewissheit und Wahrscheinlichkeit sind dualistische Konzepte; Sie sind untrennbar (es gibt eine Wahrscheinlichkeitsstreuung um die wahrscheinlichsten Werte, die in eindeutigen Gesetzen enthalten sind), irreduzibel (es ist unmöglich, sich auf nur eine Art der Beschreibung physikalischer Phänomene zu beschränken) und ihre gegenseitige Verbindung ist in fast allen Zweigen von zu sehen Physik.

Der Dualismus in Elementarteilchen ist für die Bildung der Eigenschaften physikalischer Systeme, die aus diesen Teilchen gebildet werden, von wesentlicher Bedeutung. Betrachtet man bekannte mikrophysikalische Systeme, so fällt auf, dass diese letztlich aus verschiedenen Teilchen bestehen. Identische Teilchen interagieren entweder nicht oder sie stoßen sich gegenseitig ab und bilden kein physikalisches System mit qualitativ neuen Eigenschaften. Beispielsweise bilden Protonen, Neutronen und Elektronen einzeln keine physikalischen Systeme, aber wenn sie zusammengefügt werden, bilden sie Kerne und Atome verschiedene Substanzen. Man kann argumentieren, dass in einer Ansammlung identischer Elementarteilchen immer eine einfache (additive) Addition ihrer Eigenschaften erfolgt. Erst bei der Wechselwirkung von Teilchen mit gegensätzlichen Eigenschaften kommt es zu einer besonderen (qualitativen) Synthese dieser Eigenschaften, wodurch physikalische Systeme neue Eigenschaften erlangen. Somit lässt sich argumentieren, dass die Entstehung qualitativ neuer Eigenschaften nur durch die Wechselwirkung wesentlich unterschiedlicher Teilchen möglich ist.

Der objektive Dualismus der Natur spiegelt sich in den wichtigsten physikalischen Konzepten wider. Ein typisches Beispiel sind die Konzepte von Diskretion und Kontinuität. Sie sind nicht aufeinander reduzierbar; andernfalls könnte man sich darauf beschränken, nur eines dieser Konzepte zu verwenden. In der Geschichte der Physik sind Versuche bekannt, Diskretion oder Kontinuität aus der Beschreibung von Phänomenen auszuschließen, die jedoch nicht erfolgreich waren. Sie sind untrennbar miteinander verbunden und in allen physikalischen Phänomenen untrennbar miteinander verbunden, da sie notwendigerweise Teilchen und Felder beinhalten und Elemente der Diskretion und Kontinuität mit ihren grundlegenden Eigenschaften einführen.

Abschließend stellen wir fest, dass sich die Physik selbst als Wissenschaft auf der Grundlage der Wechselwirkung zweier gegensätzlicher Teile entwickelt – theoretisch und experimentell, die untrennbar und miteinander verbunden, nicht reduzierbar aufeinander sind und interagieren und die Richtung und den Verlauf der Entwicklung des Physischen bestimmen Wissenschaften.

Mikropartikel haben also außergewöhnliche Eigenschaften. Mikropartikel – das sind Elementarteilchen(Elektronen, Protonen, Neutronen usw.), sowie komplexe Partikel,gebildet aus einer kleinen Anzahl elementarer(Tschüss unteilbar) Partikel(Atome, Moleküle, Atomkerne). Indem wir diese Mikropartikel Partikel nennen, betonen wir nur eine Seite; richtiger wäre es, „ Teilchenwelle».

Mikropartikel können unsere Sinne nicht direkt beeinflussen – sie können weder gesehen noch berührt werden. Wir wissen, was mit einem großen Objekt passieren wird; Aber genau so funktionieren Mikropartikel nicht! Daher muss man beim Studium auf verschiedene Arten von Abstraktionen zurückgreifen. , Erweitern Sie Ihre Fantasie und Versuchen Sie es nichtVerbinden Sie sie mit unserer direkten Erfahrung.

In der Vorquantenphysik bedeutet „verstehen“, sich ein visuelles Bild eines Objekts oder Prozesses zu machen. In der Quantenphysik kann man so nicht denken. Jedes visuelle Modell funktioniert nach klassischen Gesetzen und ist daher nicht zur Darstellung von Quantenprozessen geeignet. Eine solche Darstellung ist beispielsweise die Rotation eines Elektrons auf einer Umlaufbahn um ein Atom. Dies ist eine Hommage an die klassische Physik und entspricht nicht der wahren Sachlage, entspricht nicht den Quantengesetzen.

Bei den von uns betrachteten Louis-de-Broglie-Wellen ist dies nicht der Fall elektromagnetisch, das sind Wellen besonderer Art.

Berechnen wir die De-Broglie-Wellenlänge einer Kugel mit einer Masse von 0,20 kg, die sich mit einer Geschwindigkeit von 15 m/s bewegt.

Dies ist eine extrem kurze Wellenlänge. Selbst bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten, sagen wir m/s, würde die de Broglie-Wellenlänge etwa m betragen. Die de Broglie-Wellenlänge eines normalen Körpers ist zu klein, um erfasst und gemessen zu werden. Tatsache ist, dass typische Welleneigenschaften – Interferenz und Beugung – nur dann auftreten, wenn die Größe von Objekten oder Schlitzen in ihrer Größe mit der Wellenlänge vergleichbar ist. Da wir jedoch keine Objekte und Spalten kennen, an denen sich Wellen mit der Wellenlänge λ beugen könnten, können die Welleneigenschaften gewöhnlicher Körper nicht erfasst werden.

Anders verhält es sich, wenn es darum geht Elementarteilchen Art von Elektronen. Weil Die Masse ist im Nenner der Formel 3.3.1 enthalten, die die De-Broglie-Wellenlänge bestimmt; eine sehr kleine Masse entspricht einer langen Wellenlänge.

Bestimmen wir die De-Broglie-Wellenlänge eines Elektrons, das durch eine Potentialdifferenz von 100 V beschleunigt wird.

MS,

Aus dem obigen Beispiel ist ersichtlich, dass ein Elektron einer Wellenlänge in der Größenordnung von entsprechen kann. Obwohl es sich um sehr kurze Wellen handelt, können sie experimentell nachgewiesen werden: Atomabstände in einem Kristall in der gleichen Größenordnung () und die regelmäßig verteilten Atome des Kristalls können wie im Fall von Röntgenstrahlen als Beugungsgitter verwendet werden . Wenn also die Hypothese von Louis de Broglie wahr ist, dann, wie Einstein betonte, für Elektronen sollte das Phänomen der Beugung beobachtet werden.

Machen wir eine kurze Pause und machen wir ein Gedankenexperiment. Richten wir einen parallelen Strahl monoenergetischer (d. h. mit der gleichen kinetischen Energie) Elektronen auf ein Hindernis mit zwei schmalen Schlitzen (Abb. 3.6) und platzieren wir eine Fotoplatte (FP) hinter dem Hindernis.

Schließen Sie zunächst den zweiten Schlitz und belichten Sie ihn eine Zeit lang T. Die Schwärzung des behandelten FP wird durch Kurve 1, Abb., gekennzeichnet. 3.6, geb. Dann schließen wir den ersten Spalt und belichten die zweite Fotoplatte. Die Art der Schwärzung wird in diesem Fall durch Kurve 2 (Abb. 3.6, b) vermittelt. Zum Schluss beide Schlitze öffnen und eine Zeit lang freilegen T dritte Platte. Das im letzteren Fall erhaltene Schwärzungsmuster ist in Abb. dargestellt. 3.6, c. Dieses Bild entspricht keineswegs der Situation der ersten beiden. Wie könnte sich das Öffnen eines zweiten Spalts auf die Elektronen auswirken, die scheinbar durch den anderen Spalt gelangt sind? Das resultierende Bild (Abb. 3.6, c) ähnelt dem Bild, das durch die Interferenz zweier kohärenter Lichtwellen entsteht. Die Art des Bildes deutet darauf hin, dass die Bewegung jedes Elektrons von beiden Löchern beeinflusst wird. Diese Schlussfolgerung ist mit der Idee von Flugbahnen unvereinbar. Wenn sich ein Elektron zu jedem Zeitpunkt an einem bestimmten Punkt im Raum befände und sich entlang einer Flugbahn bewegte, würde es durch ein bestimmtes Loch gehen – das erste oder zweite. Das Phänomen der Beugung beweist, dass beide Löcher – das erste und das zweite – am Durchgang jedes Elektrons beteiligt sind.

Auf diese Weise, Die Beugung von Elektronen und anderen Mikroteilchen beweist die Gültigkeit der Hypothese von Louis de Broglie und bestätigt die Welle-Teilchen-Dualität von Mikroteilchen der Materie .

Der Compton-Effekt und der photoelektrische Effekt bestätigen die korpuskuläre Natur des Lichts. Licht verhält sich wie ein Strom von Teilchen – Photonen. Wie kann ein Teilchen dann Eigenschaften aufweisen, die klassischen Wellen innewohnen? Schließlich kann ein Teilchen entweder den einen oder den anderen Spalt passieren. Allerdings ist die Interferenz von Licht aus zwei Spalten bekannt (Youngs Experiment). Damit sind wir bei einem Paradoxon angelangt: Licht hat sowohl die Eigenschaften von Teilchen als auch die Eigenschaften von Wellen. Daher sagt man, dass Licht durch einen Welle-Teilchen-Dualismus gekennzeichnet ist.

Es ist falsch, die Quanten- und Welleneigenschaften des Lichts einander gegenüberzustellen. Die Eigenschaften der Kontinuität des elektromagnetischen Feldes einer Lichtwelle schließen die für Lichtquanten charakteristischen Eigenschaften der Diskretion – Photonen – nicht aus. Licht hat gleichzeitig die Eigenschaften kontinuierlicher elektromagnetischer Wellen und die Eigenschaften diskreter Photonen. Es stellt die dialektische Einheit dieser Eigenschaften dar. Mit abnehmender Wellenlänge werden die Quanteneigenschaften des Lichts immer deutlicher sichtbar (dies hängt beispielsweise mit der Existenz der roten Grenze des photoelektrischen Effekts zusammen). Die Welleneigenschaften kurzwelliger Strahlung sind sehr schwach (z. B. Beugung bei Röntgenstrahlung). In langwelliger Strahlung sind Quanteneigenschaften schwach ausgeprägt und die Welleneigenschaften spielen die Hauptrolle.

Der Zusammenhang zwischen den Teilchenwelleneigenschaften von Licht wird durch einen statistischen Ansatz zur Untersuchung der Lichtausbreitung erklärt. Licht ist ein Strom diskreter Teilchen – Photonen, in denen Energie, Impuls und Masse der Strahlung lokalisiert sind. Die Wechselwirkung von Photonen mit Materie beim Durchgang durch ein optisches System führt zur Umverteilung von Photonen im Raum und zum Auftreten eines Beugungsmusters. In diesem Fall ist das Quadrat der Amplitude einer Lichtwelle an einem beliebigen Punkt im Raum ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen diesen Punkt treffen.

Somit hängen die korpuskulären Eigenschaften des Lichts mit der Tatsache zusammen, dass Energie, Masse und Impuls der Strahlung in diskreten Photonen lokalisiert sind, und die Welleneigenschaften hängen mit den statistischen Mustern der Photonenverteilung im Raum zusammen.

Vorlesung 4

2. Die duale Korpuskularwellennatur von Materieteilchen

2.1. De Broglies Vermutung

Im Jahr 1924 stellte der französische Physiker Louis de Broglie eine Hypothese auf, nach der die Bewegung eines Elektrons oder eines anderen Teilchens mit einem Wellenprozess verbunden ist. Wellenlänge dieses Prozesses:

und Häufigkeit ω = E/ħ, d.h. Der Welle-Teilchen-Dualismus ist ausnahmslos allen Teilchen inhärent.

Wenn ein Teilchen kinetische Energie hat E, dann entspricht es der de Broglie-Wellenlänge:

Für ein Elektron, das durch eine Potentialdifferenz beschleunigt wird
, kinetische Energie
und Wellenlänge

A. (2.1)

Experimente von Davisson und Germer (1927). Die Idee ihrer Experimente war wie folgt. Wenn ein Elektronenstrahl Welleneigenschaften hat, können wir, auch ohne Kenntnis des Reflexionsmechanismus dieser Wellen, erwarten, dass ihre Reflexion am Kristall den gleichen Interferenzcharakter hat wie die von Röntgenstrahlen.

IN In einer Versuchsreihe von Davisson und Germer wurden zum Nachweis von Beugungsmaxima (falls vorhanden) die Beschleunigungsspannung der Elektronen und gleichzeitig die Position des Detektors gemessen D (Zähler der reflektierten Elektronen). Das Experiment verwendete einen Einkristall aus Nickel (kubisches System), gemahlen wie in Abb. 2.1 gezeigt.

Wenn es um die vertikale Achse in eine dem Muster entsprechende Position gedreht wird, ist die Bodenoberfläche in dieser Position mit regelmäßigen Atomreihen senkrecht zur Einfallsebene (der Ebene des Musters) bedeckt, deren Abstand zwischen ihnen liegt D= 0,215 nm.

D Der Detektor wurde in der Einfallsebene bewegt und veränderte so den Winkel θ. Im Winkel θ = 50° und Beschleunigungsspannung U= 54V Es wurde ein besonders deutliches Maximum reflektierter Elektronen beobachtet, dessen Polardiagramm in Abb. 2.2 dargestellt ist.

Dieses Maximum kann als Interferenzmaximum erster Ordnung eines flachen Beugungsgitters mit Periode interpretiert werden

, (2.2)

wie aus Abb. 2.3 ersichtlich ist. In dieser Abbildung stellt jeder fettgedruckte Punkt eine Projektion einer Atomkette dar, die sich auf einer geraden Linie senkrecht zur Abbildungsebene befindet. Zeitraum D kann unabhängig gemessen werden, beispielsweise durch Röntgenbeugung.

IN de Broglie-Wellenlänge berechnet nach Formel (2.1) für U= 54 V entsprechen 0,167 nm. Die entsprechende Wellenlänge, ermittelt aus Formel (2.2), beträgt 0,165 nm. Die Übereinstimmung ist so gut, dass das erzielte Ergebnis als überzeugende Bestätigung der Hypothese von de Broglie angesehen werden sollte.

Eine weitere Versuchsreihe von Davisson und Germer bestand in der Messung der Intensität ICH reflektierter Elektronenstrahl bei einem bestimmten Einfallswinkel, aber bei unterschiedlichen Werten der Beschleunigungsspannung U.

Theoretisch müssten dabei Interferenzreflexionsmaxima auftreten, ähnlich der Reflexion von Röntgenstrahlung an einem Kristall. Durch die Beugung einfallender Strahlung an Atomen gehen Wellen von verschiedenen Kristallebenen des Kristalls aus, als ob sie von diesen Ebenen eine Spiegelreflexion erfahren hätten. Diese Wellen verstärken sich bei Interferenz gegenseitig, wenn die Bragg-Wulf-Bedingung erfüllt ist:

, M=1,2,3,…, (2.3)

Wo D - interplanarer Abstand, α - Gleitwinkel.

N Erinnern wir uns an die Herleitung dieser Formel. Aus Abb. 2.4 Es ist klar, dass der Unterschied im Weg der beiden Wellen 1 und 2 spiegelnd reflektiert wird aus benachbarten Atomschichten, ABC =
. Folglich werden die Richtungen, in denen Interferenzmaxima auftreten, durch die Bedingung (2.3) bestimmt.

Ersetzen wir nun die De-Broglie-Wellenlänge durch den Ausdruck (2.1) in der Formel (2.3). Da die Werte von α und D Experimentatoren ließen unverändert, dann folgt aus Formel (2.3).

~T, (2.4)

diese. Werte
, an denen Reflexionsmaxima entstehen, müssen proportional zu ganzen Zahlen sein T= 1, 2, 3, ..., also gleich weit voneinander entfernt sein.

E Dies wurde experimentell getestet, dessen Ergebnisse in Abb. 2 dargestellt sind. 5, wo U in Volt dargestellt. Man erkennt, dass die Intensitätsmaxima liegen ICH nahezu gleich weit voneinander entfernt (das gleiche Bild entsteht bei der Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen).

Die von Davisson und Germer erzielten Ergebnisse stützen die Hypothese von de Broglie sehr überzeugend. Theoretisch stimmt die Analyse der Beugung von De-Broglie-Wellen, wie wir gesehen haben, vollständig mit der Beugung von Röntgenstrahlung überein.

Somit wurde die Natur der Abhängigkeit (2.4) experimentell bestätigt, es wurde jedoch eine gewisse Diskrepanz mit theoretischen Vorhersagen beobachtet. Zwischen den Positionen der experimentellen und theoretischen Maxima (letztere sind in Abb. 2.5 durch Pfeile dargestellt) besteht nämlich eine systematische Diskrepanz, die mit zunehmender Beschleunigungsspannung abnimmt U. Diese Diskrepanz ist, wie sich später herausstellte, darauf zurückzuführen, dass bei der Ableitung der Bragg-Wolfe-Formel die Brechung von de Broglie-Wellen nicht berücksichtigt wurde.

Zur Brechung von de Broglie-Wellen. Brechungsindex P de Broglie-Wellen werden wie elektromagnetische Wellen durch die Formel bestimmt

, (2.5)

Wo Und - Phasengeschwindigkeiten dieser Wellen im Vakuum und Medium (Kristall).

Die Phasengeschwindigkeit der De-Broglie-Welle ist eine grundsätzlich nicht beobachtbare Größe. Daher sollte Formel (2.5) so transformiert werden, dass der Brechungsindex P könnte durch das Verhältnis der gemessenen Größen ausgedrückt werden. Dies kann wie folgt erfolgen. Per Definition Phasengeschwindigkeit

, (2.6)

Wo k - Wellennummer. Unter der Annahme, dass sich die Frequenz von De-Broglie-Wellen ähnlich wie bei Photonen auch beim Überqueren der Grenzfläche zwischen Medien nicht ändert (wenn eine solche Annahme unfair ist, wird die Erfahrung dies unweigerlich zeigen), präsentieren wir (2.5) unter Berücksichtigung von (2.6) in der Form

(2.7)

P Beim Fallen aus dem Vakuum in einen Kristall (Metall) befinden sich Elektronen in einem Potentialtopf. Hier ist ihre kinetische Energie steigt mit der „Tiefe“ des Potentialtopfes (Abb. 2.6). Aus Formel (2.1), wo
, folgt dem λ~
Daher kann Ausdruck (2.7) wie folgt umgeschrieben werden:

(2.8)

Wo U 0 - inneres Potenzial Kristall. Es ist klar, dass umso mehr U (verhältnismäßig ), diese P näher an der Einheit. Daher, P manifestiert sich besonders bei niedrigen U, und die Bragg-Wulf-Formel nimmt die Form an

(2.9)

Stellen wir sicher, dass die Bragg-Wolfe-Formel (2.9) unter Berücksichtigung der Brechung die Positionen der Intensitätsmaxima wirklich erklärt
in Abb. 2.5. Ersetzen in (2.9) P Und λ nach den Formeln (2.8) und (2.1) ihre Ausdrücke durch die beschleunigende Potentialdifferenz U, diese.

(2.11)

Berücksichtigen wir nun die Verteilung
in Abb. 2.5 wurde für Nickel bei Werten erhalten U 0 =15 V, D=0,203 nm und α =80°. Dann kann (2.11) nach einfachen Transformationen wie folgt umgeschrieben werden:

(2.12)

Berechnen wir den Wert mit dieser Formel
, zum Beispiel für ein Maximum dritter Ordnung ( M= 3), bei dem sich die Abweichung zur Bragg-Wolfe-Formel (2.3) als am größten herausstellte:

Die Übereinstimmung mit der tatsächlichen Position des Maximums 3. Ordnung bedarf keines Kommentars.

Daher sollten die Experimente von Davisson und Germer als brillante Bestätigung der Hypothese von de Broglie angesehen werden.

Experimente von Thomson und Tartakovsky. Bei diesen Experimenten wurde ein Elektronenstrahl durch eine polykristalline Folie geleitet (unter Verwendung der Debye-Methode bei der Untersuchung der Röntgenbeugung). Wie bei der Röntgenstrahlung wurde auf einer hinter der Folie befindlichen Fotoplatte ein System von Beugungsringen beobachtet. Die Ähnlichkeiten zwischen beiden Gemälden sind frappierend. Der Verdacht, dass das System dieser Ringe nicht durch Elektronen, sondern durch sekundäre Röntgenstrahlung erzeugt wird, die aus auf die Folie fallenden Elektronen entsteht, kann leicht ausgeräumt werden, wenn im Weg der gestreuten Elektronen ein Magnetfeld erzeugt wird (ein Permanentmagnet). platziert). Es hat keinen Einfluss auf die Röntgenstrahlung. Ein solcher Test zeigte, dass das Interferenzmuster sofort verzerrt war. Dies zeigt deutlich, dass es sich um Elektronen handelt.

G. Thomson führte Experimente mit durch schnell Elektronen (zehn keV), II.S. Tarkowski – vergleichsweise langsam Elektronen (bis zu 1,7 keV).

Experimente mit Neutronen und Molekülen. Um die Beugung von Wellen an Kristallen erfolgreich beobachten zu können, ist es notwendig, dass die Wellenlänge dieser Wellen mit den Abständen zwischen den Knotenpunkten des Kristallgitters vergleichbar ist. Um die Beugung schwerer Teilchen zu beobachten, ist es daher notwendig, Teilchen mit ausreichend niedrigen Geschwindigkeiten zu verwenden. Entsprechende Experimente zur Beugung von Neutronen und Molekülen bei der Reflexion an Kristallen wurden durchgeführt und bestätigten auch die De-Broglie-Hypothese für schwere Teilchen vollständig.

Dadurch wurde experimentell nachgewiesen, dass Welleneigenschaften eine universelle Eigenschaft sind alle Partikel. Sie werden nicht durch Besonderheiten der inneren Struktur eines bestimmten Teilchens verursacht, sondern spiegeln deren allgemeines Bewegungsgesetz wider.

UM Experimente mit einzelnen Elektronen. Die oben beschriebenen Experimente wurden mit Teilchenstrahlen durchgeführt. Daher stellt sich natürlich die Frage: Drücken die beobachteten Welleneigenschaften die Eigenschaften eines Teilchenstrahls oder einzelner Teilchen aus?

Um diese Frage zu beantworten, führten V. Fabrikant, L. Biberman und N. Sushkin 1949 Experimente durch, bei denen so schwache Elektronenstrahlen verwendet wurden, dass jedes Elektron den Kristall separat durchquerte und jedes gestreute Elektron von einer Fotoplatte aufgezeichnet wurde. Es stellte sich heraus, dass einzelne Elektronen hineinfielen verschiedene Punkte Fotoplatten auf den ersten Blick völlig ungeordnet (Abb. 2.7, a). Währenddessen erschien bei ausreichend langer Belichtung ein Beugungsmuster auf der Fotoplatte (Abb. 2.7, b), das absolut identisch mit dem Beugungsmuster eines herkömmlichen Elektronenstrahls war. Damit wurde nachgewiesen, dass einzelne Teilchen auch Welleneigenschaften haben.

Wir haben es also mit Mikroobjekten zu tun, die haben gleichzeitig sowohl Korpuskular- als auch Welleneigenschaften. Dies ermöglicht es uns, weiter über Elektronen zu sprechen, aber die Schlussfolgerungen, zu denen wir gelangen, haben eine völlig allgemeine Bedeutung und sind gleichermaßen auf alle Teilchen anwendbar.

Aus der Formel von de Broglie folgte, dass jedem Materieteilchen mit Masse und Geschwindigkeit Welleneigenschaften innewohnen sollten . Im Jahr 1929 Sterns Experimente bewiesen, dass die Formel von de Broglie auch für Strahlen von Atomen und Molekülen gilt. Für die Wellenlänge erhielt er folgenden Ausdruck:

Ǻ,

Wo μ – Molmasse des Stoffes, N A– Avogadros Nummer, R- Universelle Gas Konstante, T- Temperatur.

Wenn Strahlen von Atomen und Molekülen von der Oberfläche von Festkörpern reflektiert werden, sollten Beugungsphänomene beobachtet werden, die durch die gleichen Beziehungen beschrieben werden wie ein flaches (zweidimensionales) Beugungsgitter. Experimente haben gezeigt, dass zusätzlich zu Partikeln, die in einem Winkel gestreut werden, der dem Einfallswinkel entspricht, Maxima in der Anzahl reflektierter Partikel auch in anderen Winkeln beobachtet werden, die durch die Formeln eines zweidimensionalen Beugungsgitters bestimmt werden.

Es stellte sich heraus, dass die Formeln von De Broglie auch für Neutronen gültig waren. Dies wurde durch Experimente zur Neutronenbeugung an Empfängern bestätigt.

Somit ist das Vorhandensein von Welleneigenschaften in bewegten Teilchen mit Ruhemasse ein universelles Phänomen, das nicht mit irgendeiner Spezifität des bewegten Teilchens verbunden ist.

Das Fehlen von Welleneigenschaften in makroskopischen Körpern wird wie folgt erklärt. Ähnlich wie die Lichtgeschwindigkeit bei der Entscheidung über die Anwendbarkeit der Newtonschen (nichtrelativistischen) Mechanik eine Rolle spielt, gibt es ein Kriterium, das zeigt, in welchen Fällen man sich auf klassische Konzepte beschränken kann. Dieses Kriterium bezieht sich auf Plancksche Konstante ħ. Physische Dimension ħ gleich ( Energie)X( Zeit), oder ( Impuls)X( Länge), oder (Schwung). Eine Größe mit dieser Dimension heißt Aktion. Das Plancksche Wirkungsquantum ist ein Wirkungsquantum.

Wenn in diesem physikalisches System der Wert einer charakteristischen Größe N Mit Die Dimension der Aktion ist vergleichbar mit ħ , dann kann das Verhalten dieses Systems nur im Rahmen der Quantentheorie beschrieben werden. Wenn der Wert N sehr groß im Vergleich zu ħ , dann wird das Verhalten des Systems mit hoher Genauigkeit durch die Gesetze der klassischen Physik beschrieben.

Beachten Sie jedoch, dass es sich bei diesem Kriterium um Näherungswerte handelt. Es zeigt lediglich an, wann Vorsicht geboten ist. Kleine Action N bedeutet nicht immer, dass der klassische Ansatz völlig unanwendbar ist. In vielen Fällen kann es einen qualitativen Einblick in das Verhalten des Systems liefern, der mithilfe eines Quantenansatzes verfeinert werden kann.

Inhalt.

1. Einführung.
2. Welleneigenschaften von Licht.

a) Streuung.

b) Beugung.

c) Polarisation

1. Quanteneigenschaften von Licht.

a) Photoelektrischer Effekt.

b) Compton-Effekt.

5. Schlussfolgerung.

6. Liste der verwendeten Literatur.

Einführung.

Bereits in der Antike wurden drei Hauptansätze zur Lösung der Frage nach der Natur des Lichts skizziert. Diese drei Ansätze nahmen anschließend in zwei konkurrierenden Theorien Gestalt an – der Korpuskular- und der Wellentheorie des Lichts.

Die überwiegende Mehrheit der antiken Philosophen und Wissenschaftler betrachteten Licht als bestimmte Strahlen, die einen leuchtenden Körper und das menschliche Auge verbinden. Gleichzeitig glaubten einige von ihnen, dass die Strahlen, die von den Augen eines Menschen ausgehen, den betreffenden Gegenstand zu spüren scheinen. Dieser Standpunkt hatte eine große Anzahl von Anhängern, darunter auch Euklid. Formulierung des ersten Gesetzes der geometrischen Optik, des Gesetzes der geradlinigen Lichtausbreitung,Euklid schrieb: „Die von den Augen ausgesendeten Strahlen breiten sich auf einem geraden Weg aus.“ Ptolemaios und viele andere Wissenschaftler und Philosophen vertraten die gleiche Ansicht.

Später, bereits im Mittelalter, verliert diese Vorstellung von der Natur des Lichts jedoch ihre Bedeutung. Es gibt immer weniger Wissenschaftler, die diesen Ansichten folgen. Und zwar zu Beginn des 17. Jahrhunderts. Dieser Standpunkt kann als bereits vergessen gelten. Andere hingegen glaubten, dass die Strahlen von einem leuchtenden Körper ausgesendet werden und beim Erreichen des menschlichen Auges den Abdruck des leuchtenden Objekts tragen. Diesen Standpunkt vertraten die Atomisten Demokrit, Epikur und Lucretius.

Die letztgenannte Sichtweise auf die Natur des Lichts nahm später, im 17. Jahrhundert, Gestalt in der Korpuskulartheorie des Lichts an, nach der Licht ein Strom einiger Teilchen ist, die von einem leuchtenden Körper emittiert werden.

Der dritte Standpunkt zur Natur des Lichts wurde von Aristoteles vertreten. Er betrachtete Licht als eine Aktion oder Bewegung, die sich im Raum (in einem Medium) ausbreitet. Zu seiner Zeit teilten nur wenige Menschen die Meinung des Aristoteles. Doch später, wiederum im 17. Jahrhundert, entwickelte sich sein Standpunkt weiter und legte den Grundstein für die Wellentheorie des Lichts.

Bis zur Mitte des 17. Jahrhunderts hatten sich Fakten angesammelt, die das wissenschaftliche Denken über die Grenzen der geometrischen Optik hinaus trieben. Einer der ersten Wissenschaftler, der das wissenschaftliche Denken in Richtung der Theorie der Wellennatur des Lichts trieb, war der tschechische Wissenschaftler Marzi. Seine Arbeiten sind nicht nur auf dem Gebiet der Optik bekannt, sondern auch auf dem Gebiet der Mechanik und sogar der Medizin. 1648 entdeckte er das Phänomen der Lichtstreuung.

Im 17. Jahrhundert Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Optik rückte die Frage nach der Natur des Lichts immer mehr in den Fokus. In diesem Fall kommt es nach und nach zur Bildung zweier gegensätzlicher Lichttheorien: Korpuskular und Welle. Es gab einen günstigeren Boden für die Entwicklung der Korpuskulartheorie des Lichts. Tatsächlich war für die geometrische Optik die Vorstellung, dass Licht ein Strom spezieller Teilchen ist, ganz natürlich. Die geradlinige Ausbreitung des Lichts sowie die Gesetze der Reflexion und Brechung wurden aus der Sicht dieser Theorie gut erklärt.

Auch die allgemeine Vorstellung vom Aufbau der Materie stand nicht im Widerspruch zur Korpuskulartheorie des Lichts. Damals basierten die Ansichten über den Aufbau der Materie auf dem Atomismus. Alle Körper bestehen aus Atomen. Zwischen Atomen gibt es leeren Raum. Insbesondere glaubte man damals, dass der interplanetare Raum leer sei. Licht von Himmelskörpern breitet sich darin in Form von Lichtteilchenströmen aus. Daher ist es ganz natürlich, dass im 17. Jahrhundert. Es gab viele Physiker, die an der Korpuskulartheorie des Lichts festhielten. Gleichzeitig begann sich die Idee der Wellennatur des Lichts zu entwickeln. Descartes kann als Begründer der Wellentheorie des Lichts angesehen werden.

Einheit der Korpuskular- und Welleneigenschaften elektromagnetischer Strahlung.

Die in diesem Abschnitt diskutierten Phänomene – Schwarzkörperstrahlung, photoelektrischer Effekt, Compton-Effekt – dienen als Beweis für Quanten-(Korpuskular-)Konzepte von Licht als Photonenstrom. Andererseits bestätigen Phänomene wie Interferenz, Beugung und Polarisation von Licht überzeugend die Wellennatur (elektromagnetische Natur) des Lichts. Schließlich werden Druck und Lichtbrechung sowohl durch Wellen- als auch durch Quantentheorien erklärt. Auf diese Weise, elektromagnetische Strahlung offenbart eine erstaunliche Einheit scheinbar sich gegenseitig ausschließender Eigenschaften – kontinuierlich (Wellen) und diskret (Photonen), die sich gegenseitig ergänzen.

Eine detailliertere Untersuchung optischer Phänomene führt zu dem Schluss, dass die Eigenschaften der Kontinuität, die für das elektromagnetische Feld einer Lichtwelle charakteristisch sind, nicht im Gegensatz zu den Eigenschaften der Diskretion stehen sollten, die für ein Photon charakteristisch sind. Licht, das sowohl Korpuskular- als auch Welleneigenschaften besitzt, offenbart bestimmte Muster in seiner Manifestation. So manifestieren sich die Welleneigenschaften des Lichts in den Gesetzen seiner Ausbreitung, Interferenz, Beugung, Polarisation und den Korpuskulareigenschaften – in den Prozessen der Wechselwirkung von Licht mit Materie. Je länger die Wellenlänge, desto geringer sind Energie und Impuls des Photons und desto schwieriger ist es, die Quanteneigenschaften des Lichts zu erkennen (damit hängt beispielsweise die Existenz der roten Grenze des photoelektrischen Effekts zusammen). Im Gegenteil: Je kürzer die Wellenlänge, desto größer sind Energie und Impuls des Photons und desto schwieriger ist es, die Welleneigenschaften zu erkennen (z. B. wurden die Welleneigenschaften (Beugung) von Röntgenstrahlung erst nach der Verwendung von Kristallen entdeckt). als Beugungsgitter).

Die Beziehung zwischen den dualen Teilchen-Wellen-Eigenschaften des Lichts kann erklärt werden, wenn wir, wie es die Quantenoptik tut, einen statistischen Ansatz zur Betrachtung der Gesetze der Betrachtung von Licht verwenden. Beispielsweise besteht die Beugung von Licht durch einen Spalt darin, dass beim Durchgang von Licht durch den Spalt Photonen im Raum neu verteilt werden. Da die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen auf verschiedene Punkte auf dem Bildschirm treffen, nicht gleich ist, entsteht ein Beugungsmuster. Die Beleuchtung des Bildschirms ist proportional zur Wahrscheinlichkeit, dass Photonen pro Flächeneinheit des Bildschirms auftreffen. Andererseits ist nach der Wellentheorie die Beleuchtung proportional zum Quadrat der Amplitude der Lichtwelle am selben Punkt auf dem Bildschirm. Somit, Das Quadrat der Amplitude einer Lichtwelle an einem bestimmten Punkt im Raum ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen einen bestimmten Punkt treffen.

Welleneigenschaften von Licht.

1.1 Streuung.

Newton wandte sich im Zusammenhang mit Versuchen zur Verbesserung von Teleskopen der Untersuchung der bei der Lichtbrechung beobachteten Farben zu. In dem Bemühen, Objektive mit der bestmöglichen Qualität zu erhalten, gelangte Newton zu der Überzeugung, dass der Hauptnachteil von Bildern das Vorhandensein farbiger Ränder sei. Newton machte seine größten optischen Entdeckungen durch seine Untersuchung der Färbung während der Brechung.

Die Essenz von Newtons Entdeckungen wird durch die folgenden Experimente veranschaulicht (Abb. 1): Das Licht einer Laterne beleuchtet ein schmales Loch S (Slot). Mit einem Objektiv L Das Bild des Spalts wird auf dem Bildschirm erhalten MN in Form eines kurzen weißen Rechtecks S `. Indem man ein Prisma in den Weg stellt P , dessen Kante parallel zum Spalt verläuft, werden wir feststellen, dass sich das Bild des Spalts verschiebt und in einen farbigen Streifen übergeht, dessen Farbübergänge von Rot nach Violett denen eines Regenbogens ähneln. Newton nannte dieses Regenbogenbild ein Spektrum.

Wenn Sie den Spalt mit farbigem Glas abdecken, d.h. wenn Sie stattdessen auf ein Prisma zeigen weißes Licht gefärbt, wird das Bild des Spaltes auf ein farbiges Rechteck reduziert, das sich an der entsprechenden Stelle im Spektrum befindet, d. h. Je nach Farbe weicht das Licht in unterschiedlichen Winkeln vom Originalbild ab S `. Die beschriebenen Beobachtungen zeigen, dass Strahlen unterschiedlicher Farbe von einem Prisma unterschiedlich gebrochen werden.

Newton bestätigte diese wichtige Schlussfolgerung durch viele Experimente. Die wichtigste davon bestand darin, den Brechungsindex von Strahlen unterschiedlicher Farbe zu bestimmen, die aus dem Spektrum isoliert wurden. Dazu im Bildschirm MN , auf dem das Spektrum erhalten wird, wurde ein Loch geschnitten; Durch Bewegen des Schirms war es möglich, einen schmalen Strahl von Strahlen der einen oder anderen Farbe durch das Loch freizusetzen. Diese Methode zur Isolierung gleichmäßiger Strahlen ist weiter fortgeschritten als die Isolierung mit farbigem Glas. Experimente haben ergeben, dass ein so getrennter Strahl, der in einem zweiten Prisma gebrochen wird, den Streifen nicht mehr dehnt. Ein solcher Strahl entspricht einem bestimmten Brechungsindex, dessen Wert von der Farbe des ausgewählten Strahls abhängt.

Die beschriebenen Experimente zeigen, dass für einen aus dem Spektrum isolierten schmalen farbigen Strahl der Brechungsindex einen ganz bestimmten Wert hat, während die Brechung von weißem Licht nur näherungsweise durch einen Wert dieses Index charakterisiert werden kann. Beim Vergleich ähnlicher Beobachtungen kam Newton zu dem Schluss, dass es einfache Farben gibt, die beim Durchgang durch ein Prisma nicht zerfallen, und komplexe Farben, die eine Reihe einfacher Farben mit unterschiedlichen Brechungsindizes darstellen. Insbesondere Sonnenlicht ist eine Farbkombination, die mit Hilfe eines Prismas zerlegt wird und ein spektrales Bild des Spalts ergibt.

Somit enthielten Newtons Hauptexperimente zwei wichtige Entdeckungen:

1) Licht unterschiedlicher Farbe zeichnet sich durch unterschiedliche Brechungsindizes in einer bestimmten Substanz (Dispersion) aus.

2) Weiße Farbe ist eine Sammlung einfacher Farben.

Wir wissen jetzt, dass unterschiedliche Farben unterschiedlichen Lichtwellenlängen entsprechen. Daher lässt sich Newtons erste Entdeckung wie folgt formulieren:

Der Brechungsindex einer Substanz hängt von der Wellenlänge des Lichts ab.

Normalerweise nimmt sie mit abnehmender Wellenlänge zu.

1.2 Beugung.

Eine Lichtwelle verändert die geometrische Form der Front nicht, wenn sie sich in einem homogenen Medium ausbreitet. Wenn sich Licht jedoch in einem inhomogenen Medium ausbreitet, in dem sich beispielsweise undurchsichtige Schirme, Raumbereiche mit relativ starker Änderung des Brechungsindex usw. befinden, wird eine Verzerrung der Wellenfront beobachtet. In diesem Fall kommt es zu einer Umverteilung der Intensität der Lichtwelle im Raum. Bei der Beleuchtung beispielsweise undurchsichtiger Bildschirme mit einer punktförmigen Lichtquelle entstehen an der Grenze des Schattens, wo nach den Gesetzen der geometrischen Optik ein abrupter Übergang von Schatten zu Licht stattfinden sollte, mehrere dunkle und helle Streifen beobachtet; ein Teil des Lichts dringt in den Bereich des geometrischen Schattens ein. Diese Phänomene hängen mit der Lichtbeugung zusammen.

Lichtbeugung im engeren Sinne ist also das Phänomen, dass sich Licht um die Kontur undurchsichtiger Körper beugt und in den Bereich eines geometrischen Schattens eintritt; im weitesten Sinne jede Abweichung der Lichtausbreitung von den Gesetzen der geometrischen Optik.

Sommerfelds Definition: Unter Beugung des Lichts versteht man jede Abweichung von der linearen Ausbreitung, wenn sie nicht durch Reflexion, Brechung oder Ablenkung von Lichtstrahlen in Medien mit sich ständig änderndem Brechungsindex erklärt werden kann.

Wenn die Umgebung enthält winzige Partikel(Nebel) oder sich der Brechungsindex über Entfernungen in der Größenordnung der Wellenlänge merklich ändert, dann spricht man in diesen Fällen von Lichtstreuung und der Begriff „Beugung“ wird nicht verwendet.

Es gibt zwei Arten der Lichtbeugung. Wenn wir das Beugungsmuster an einem Beobachtungspunkt untersuchen, der sich in einer endlichen Entfernung von einem Hindernis befindet, haben wir es mit Fresnel-Beugung zu tun. Wenn der Beobachtungspunkt und die Lichtquelle so weit vom Hindernis entfernt sind, dass die auf das Hindernis einfallenden Strahlen und die zum Beobachtungspunkt gehenden Strahlen als parallele Strahlen betrachtet werden können, spricht man von Beugung paralleler Strahlen – Fraunhofer-Beugung.

Die Beugungstheorie berücksichtigt Wellenprozesse in Fällen, in denen sich Hindernisse auf dem Weg der Wellenausbreitung befinden.

Mithilfe der Beugungstheorie werden Probleme wie der Lärmschutz durch akustische Abschirmungen, die Ausbreitung von Radiowellen über die Erdoberfläche, der Betrieb optischer Instrumente (da das von einer Linse erzeugte Bild immer ein Beugungsmuster ist), Messungen der Oberflächenqualität usw. untersucht Studium der Struktur der Materie und viele andere sind gelöst. .

1.3 Polarisation

Die Phänomene Interferenz und Beugung, die zur Begründung der Wellennatur des Lichts dienten, liefern noch kein vollständiges Bild der Natur von Lichtwellen. Neues offenbart sich uns durch die Erfahrung, Licht durch Kristalle, insbesondere durch Turmalin, leiten zu lassen.

Nehmen wir zwei identische rechteckige Turmalinplatten, die so geschnitten sind, dass eine der Seiten des Rechtecks ​​mit einer bestimmten Richtung im Inneren des Kristalls, der sogenannten optischen Achse, übereinstimmt. Legen wir eine Platte so über die andere, dass ihre Achsen in der Richtung übereinstimmen, und leiten wir einen schmalen Lichtstrahl einer Laterne oder der Sonne durch das gefaltete Plattenpaar. Da Turmalin ein braungrüner Kristall ist, erscheint die Spur des durchgelassenen Strahls auf dem Bildschirm in Form eines dunkelgrünen Flecks. Beginnen wir damit, eine der Platten um den Balken zu drehen und die zweite bewegungslos zu lassen. Wir werden feststellen, dass die Spur des Strahls schwächer wird und wenn die Platte um 90° gedreht wird, verschwindet sie vollständig. Bei weiterer Drehung der Platte beginnt sich der Abblendstrahl wieder zu intensivieren und erreicht seine vorherige Intensität, wenn sich die Platte um 180° dreht, d.h. wenn die optischen Achsen der Platten wieder parallel sind. Bei weiterer Drehung des Turmalins wird der Strahl wieder schwächer.

Alle beobachteten Phänomene können erklärt werden, wenn die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden.

Lichtschwingungen im Strahl sind senkrecht zur Lichtausbreitungslinie gerichtet (Lichtwellen verlaufen quer).

Turmalin ist nur dann in der Lage, Lichtschwingungen zu übertragen, wenn diese in einer bestimmten Richtung relativ zu seiner Achse ausgerichtet sind.

Im Licht einer Laterne (der Sonne) werden Querschwingungen beliebiger Richtung dargestellt, und zwar im gleichen Verhältnis, sodass keine Richtung vorherrscht.

Schlussfolgerung 3 erklärt, warum natürliches Licht den Turmalin in jeder Ausrichtung im gleichen Ausmaß durchdringt, obwohl Turmalin laut Schlussfolgerung 2 nur in der Lage ist, Lichtschwingungen in eine bestimmte Richtung zu übertragen. Der Durchgang von natürlichem Licht durch den Turmalin führt dazu, dass nur die Querschwingungen ausgewählt werden, die vom Turmalin übertragen werden können. Daher ist Licht, das durch Turmalin dringt, eine Reihe transversaler Schwingungen in einer Richtung, die durch die Ausrichtung der Turmalinachse bestimmt werden. Wir nennen solches Licht linear polarisiert und die Ebene, die die Schwingungsrichtung und die Achse des Lichtstrahls enthält, ist die Polarisationsebene.

Nun wird das Experiment mit dem Durchgang von Licht durch zwei hintereinander angeordnete Turmalinplatten deutlich. Die erste Platte polarisiert den durch sie hindurchtretenden Lichtstrahl und lässt ihn nur in eine Richtung schwingen. Diese Schwingungen können den zweiten Turmalin nur dann vollständig durchdringen, wenn ihre Richtung mit der Richtung der vom zweiten Turmalin übertragenen Schwingungen übereinstimmt, d. h. wenn seine Achse parallel zur Achse des ersten ist. Wenn die Schwingungsrichtung im polarisierten Licht senkrecht zur Schwingungsrichtung des zweiten Turmalins verläuft, wird das Licht vollständig verzögert. Wenn die Schwingungsrichtung im polarisierten Licht ist scharfe Ecke Bei der vom Turmalin übertragenen Richtung werden die Schwingungen nur teilweise verfehlt.

Quanteneigenschaften von Licht.

2.1 Photoelektrischer Effekt.

Plancks Quantenhypothese diente als Grundlage für die Erklärung des 1887 entdeckten Phänomens des photoelektrischen Effekts. Deutscher Physiker Heinrich Hertz.

Das Phänomen des photoelektrischen Effekts wird durch die Beleuchtung einer Zinkplatte nachgewiesen, die mit dem Stab eines Elektrometers verbunden ist. Wenn eine positive Ladung auf die Platte und den Stab übertragen wird, entlädt sich das Elektrometer nicht, wenn die Platte beleuchtet wird. Wenn der Platte eine negative elektrische Ladung verliehen wird, entlädt sich das Elektrometer, sobald es auf die Platte trifft. UV-Strahlung. Dieses Experiment beweist, dass unter dem Einfluss von Licht negative elektrische Ladungen von der Oberfläche einer Metallplatte freigesetzt werden können. Die Messung der Ladung und Masse der vom Licht ausgestoßenen Teilchen zeigte, dass es sich bei diesen Teilchen um Elektronen handelte.

Es gibt verschiedene Arten von Fotoeffekten: externe und interne Fotoeffekte, Ventilfotoeffekte und eine Reihe anderer Effekte.

Der äußere photoelektrische Effekt ist das Phänomen, dass Elektronen aus einer Substanz unter dem Einfluss von auf sie einfallendem Licht herausgeschleudert werden.

Der interne photoelektrische Effekt ist das Auftreten freier Elektronen und Löcher in einem Halbleiter als Folge des Aufbrechens von Bindungen zwischen Atomen aufgrund der auf den Halbleiter einfallenden Lichtenergie.

Der photoelektrische Gate-Effekt ist das Auftreten einer elektromotorischen Kraft unter dem Einfluss von Licht in einem System, das den Kontakt zwischen zwei verschiedenen Halbleitern oder einem Halbleiter und einem Metall enthält.

2.2 Compton-Effekt.

Die korpuskulären Eigenschaften des Lichts kommen im Compton-Effekt am deutlichsten zum Ausdruck. Der amerikanische Physiker A. Compton (1892-1962) untersuchte 1923 die Streuung monochromatischer Röntgenstrahlung durch Substanzen mit leichten Atomen (Paraffin, Bor) und entdeckte, dass in der Zusammensetzung der Streustrahlung neben Strahlung der ursprünglichen Wellenlänge auch Strahlung enthalten ist Es wurde auch Strahlung längerer Wellenlänge beobachtet.

Der Compton-Effekt ist die elastische Streuung kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung (Röntgen- und Gammastrahlung) an freien (oder schwach gebundenen) Elektronen eines Stoffes, begleitet von einer Vergrößerung der Wellenlänge. Dieser Effekt passt nicht in den Rahmen der Wellentheorie, nach der sich die Wellenlänge bei der Streuung nicht ändern sollte: Unter dem Einfluss des periodischen Feldes einer Lichtwelle schwingt das Elektron mit der Frequenz des Feldes und sendet daher Streuwellen aus der gleichen Frequenz.

Eine Erklärung des Compton-Effekts wird auf der Grundlage von Quantenkonzepten über die Natur des Lichts gegeben. Wenn wir wie die Quantentheorie davon ausgehen, dass Strahlung korpuskularer Natur ist.

Der Compton-Effekt wird nicht nur bei Elektronen, sondern auch bei anderen geladenen Teilchen wie Protonen beobachtet. Aufgrund der großen Masse des Protons ist sein Rückstoß jedoch nur dann „sichtbar“, wenn sehr energiereiche Photonen gestreut werden.

Sowohl der Compton-Effekt als auch der auf Quantenkonzepten basierende photoelektrische Effekt werden durch die Wechselwirkung von Photonen mit Elektronen verursacht. Im ersten Fall wird das Photon gestreut, im zweiten Fall wird es absorbiert. Streuung tritt auf, wenn ein Photon mit freien Elektronen interagiert, und der photoelektrische Effekt tritt mit gebundenen Elektronen auf. Es kann gezeigt werden, dass es bei der Kollision eines Photons mit freien Elektronen nicht zu einer Absorption des Photons kommen kann, da dies im Widerspruch zu den Gesetzen der Impuls- und Energieerhaltung steht. Wenn Photonen mit freien Elektronen interagieren, kann daher nur deren Streuung beobachtet werden, d. h. Compton-Effekt.

Abschluss.

Licht ist also korpuskular in dem Sinne, dass seine Energie, sein Impuls, seine Masse und sein Spin in Photonen lokalisiert sind und nicht im Raum gestreut werden, aber nicht in dem Sinne, dass sich ein Photon an einem bestimmten, genau definierten Ort im Raum befinden kann. Licht verhält sich in dem Sinne wie eine Welle, dass die Ausbreitung und Verteilung von Photonen im Raum probabilistisch ist: Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Photon an einem bestimmten Punkt befindet, wird durch das Quadrat der Amplitude an diesem Punkt bestimmt. Die probabilistische (Wellen-) Natur der Verteilung von Photonen im Raum bedeutet jedoch nicht, dass sich das Photon zu jedem Zeitpunkt an einem bestimmten Punkt befindet.

Somit vereint Licht die Kontinuität von Wellen und die Diskretion von Teilchen. Wenn wir berücksichtigen, dass Photonen nur bei Bewegung (mit Geschwindigkeit c) existieren, kommen wir zu dem Schluss, dass Licht gleichzeitig Wellen- und Korpuskulareigenschaften besitzt. Aber bei manchen Phänomenen spielen unter bestimmten Bedingungen entweder Wellen- oder Korpuskulareigenschaften die Hauptrolle, und Licht kann entweder als Welle oder als Teilchen (Körperchen) betrachtet werden.

Liste der verwendeten Literatur.

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2) T.I. Trofimov „Kurs der Physik“ hrsg. „Höhere Schule“ 2001

3) H. Kuhling „Handbuch der Physik“ hrsg. „Frieden“ 1982

4) Gursky I.P. " Elementare Physik"bearbeitet von I.V. Savelyeva 1984

5) Tarasov L. V., Tarasova A. N. „Gespräche über die Lichtbrechung“ / Hrsg. V.A.

Fabrikanta, Hrsg. „Wissenschaft“, 1982.

Wenn Sie dachten, dass wir mit unseren atemberaubenden Themen in Vergessenheit geraten sind, dann müssen wir Sie schnell enttäuschen und glücklich machen: Sie haben sich geirrt! Tatsächlich haben wir die ganze Zeit versucht, eine akzeptable Methode zu finden, um verrückte Themen im Zusammenhang mit Quantenparadoxien darzustellen. Wir haben mehrere Entwürfe geschrieben, aber sie wurden alle ins Leere geworfen. Denn wenn es darum geht, Quantenwitze zu erklären, sind wir selbst verwirrt und geben zu, dass wir nicht viel verstehen (und im Allgemeinen verstehen nur wenige Menschen diese Angelegenheit, einschließlich der coolen Wissenschaftler der Welt). Leider ist die Quantenwelt der spießbürgerlichen Weltanschauung so fremd, dass es überhaupt keine Schande ist, sein Missverständnis einzugestehen und ein wenig gemeinsam zu versuchen, zumindest die Grundlagen zu verstehen.

Und obwohl wir wie gewohnt versuchen, mit Bildern von Google so anschaulich wie möglich zu sprechen, bedarf der unerfahrene Leser zunächst einer gewissen Vorbereitung, daher empfehlen wir Ihnen, sich unsere bisherigen Themen, insbesondere zu Quanten und Materie, durchzulesen.
Speziell für Humanisten und andere Interessierte – Quantenparadoxien. Teil 1.

In diesem Thema werden wir über das häufigste Mysterium der Quantenwelt sprechen – den Welle-Teilchen-Dualismus. Wenn wir „das Gewöhnlichste“ sagen, meinen wir, dass die Physiker es so satt haben, dass es nicht einmal mehr wie ein Rätsel erscheint. Aber das liegt alles daran, dass andere Quantenparadoxien für den Durchschnittsverstand noch schwieriger zu akzeptieren sind.

Und es war so. In der guten alten Zeit, etwa in der Mitte des 17. Jahrhunderts, waren sich Newton und Huygens über die Existenz von Licht uneinig: Newton erklärte schamlos, dass Licht ein Strom von Teilchen sei, und der alte Huygens versuchte zu beweisen, dass Licht eine Welle sei. Aber Newton war maßgeblicher, weshalb seine Aussage über die Natur des Lichts als wahr akzeptiert wurde und Huygens ausgelacht wurde. Und zweihundert Jahre lang galt Licht als Strom unbekannter Teilchen, deren Natur man eines Tages entdecken wollte.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts beschäftigte sich ein Orientalist namens Thomas Young mit optischen Instrumenten – und führte daraufhin ein Experiment durch, das heute Youngs Experiment genannt wird und das jeder Physiker für heilig hält.

Thomas Young richtete einfach einen Lichtstrahl (der gleichen Farbe, sodass die Frequenz ungefähr gleich war) durch zwei Schlitze in der Platte und platzierte eine weitere Schirmplatte dahinter. Und zeigte das Ergebnis seinen Kollegen. Wäre Licht ein Teilchenstrom, dann würden wir im Hintergrund zwei Lichtstreifen sehen.
Doch zum Unglück für die gesamte wissenschaftliche Welt erschienen auf dem Plattenbildschirm eine Reihe dunkler und heller Streifen. Ein häufiges Phänomen, das als Interferenz bezeichnet wird, ist die Überlagerung zweier (oder mehrerer) Wellen übereinander.

Übrigens ist es der Interferenz zu verdanken, dass wir Regenbogenfarben auf einem Ölfleck oder einer Seifenblase beobachten.

Mit anderen Worten: Thomas Young hat experimentell bewiesen, dass Licht Wellen sind. Die wissenschaftliche Welt wollte Jung lange Zeit nicht glauben, und einmal wurde er so kritisiert, dass er sogar seine Ideen der Wellentheorie aufgab. Aber das Vertrauen in ihre Richtigkeit gewann immer noch, und Wissenschaftler begannen, Licht als Welle zu betrachten. Stimmt, eine Welle von was – es war ein Rätsel.
Hier im Bild ist das gute alte Jung-Experiment.

Man muss sagen, dass die Wellennatur des Lichts keinen großen Einfluss auf die klassische Physik hatte. Wissenschaftler schrieben die Formeln um und begannen zu glauben, dass ihnen bald die ganze Welt unter einer einzigen universellen Formel für alles zu Füßen liegen würde.
Aber Sie haben bereits vermutet, dass Einstein wie immer alles ruiniert hat. Das Problem kam von der anderen Seite – zunächst waren Wissenschaftler bei der Berechnung der Energie thermischer Wellen verwirrt und entdeckten das Konzept der Quanten (lesen Sie dazu unbedingt in unserem entsprechenden Thema „“). Und dann versetzte Einstein mit Hilfe derselben Quanten einen Schlag in die Physik und erklärte das Phänomen des photoelektrischen Effekts.

Kurz gesagt: Der photoelektrische Effekt (eine Folge davon ist die Filmbelichtung) ist das Herausschlagen von Elektronen aus der Oberfläche bestimmter Materialien durch Licht. Technisch gesehen geschieht dieses Ausschlagen so, als ob Licht ein Teilchen wäre. Einstein nannte ein Lichtteilchen ein Lichtquant, und später erhielt es einen Namen – Photon.

Im Jahr 1920 wurde der Antiwellentheorie des Lichts der erstaunliche Compton-Effekt hinzugefügt: Wenn ein Elektron mit Photonen bombardiert wird, prallt das Photon unter Energieverlust vom Elektron ab (wir „schießen“ in Blau, aber das Rote fliegt). aus), wie eine Billardkugel von einer anderen. Compton erhielt dafür den Nobelpreis.

Dieses Mal scheuten sich die Physiker davor, die Wellennatur des Lichts einfach aufzugeben, sondern dachten stattdessen gründlich nach. Die Wissenschaft steht vor einem schrecklichen Rätsel: Ist Licht eine Welle oder ein Teilchen?

Licht hat wie jede Welle eine Frequenz – und das lässt sich leicht überprüfen. Wir sehen verschiedene Farben, weil jede Farbe einfach eine andere Frequenz einer elektromagnetischen (Licht-)Welle ist: Rot ist eine niedrige Frequenz, Lila ist eine hohe Frequenz.
Aber überraschend: die Wellenlänge sichtbares Licht fünftausendmal so groß wie ein Atom – wie passt so ein „Ding“ in ein Atom, wenn das Atom diese Welle absorbiert? Wenn nur das Photon ein Teilchen wäre, dessen Größe mit einem Atom vergleichbar wäre. Ist ein Photon gleichzeitig groß und klein?

Darüber hinaus beweisen der photoelektrische Effekt und der Compton-Effekt eindeutig, dass Licht immer noch ein Teilchenstrom ist: Es lässt sich nicht erklären, wie eine Welle Energie auf im Raum lokalisierte Elektronen überträgt – wäre Licht eine Welle, würden später einige Elektronen herausgeschlagen als andere, und das Phänomen Wir würden den photoelektrischen Effekt nicht beobachten. Bei einer Strömung hingegen kollidiert ein einzelnes Photon mit einem einzelnen Elektron und schleudert es unter bestimmten Bedingungen aus dem Atom.

Als Ergebnis wurde entschieden: Licht ist sowohl eine Welle als auch ein Teilchen. Oder besser gesagt, weder das eine noch das andere, sondern eine neue, bisher unbekannte Existenzform der Materie: Die Phänomene, die wir beobachten, sind nur Projektionen oder Schatten des tatsächlichen Sachverhalts, je nachdem, wie man das Geschehen betrachtet. Wenn wir den Schatten eines von einer Seite beleuchteten Zylinders betrachten, sehen wir einen Kreis, und wenn wir von der anderen Seite beleuchtet werden, sehen wir einen rechteckigen Schatten. So ist es auch mit der Teilchenwellendarstellung des Lichts.

Aber auch hier ist nicht alles einfach. Wir können nicht sagen, dass wir Licht entweder als Welle oder als Teilchenstrom betrachten. Schaue aus dem Fenster. Plötzlich sehen wir selbst in sauber gewaschenem Glas unser eigenes Spiegelbild, wenn auch verschwommen. Was ist der Haken? Wenn Licht eine Welle ist, lässt sich die Reflexion in einem Fenster leicht erklären – wir sehen ähnliche Auswirkungen auf Wasser, wenn eine Welle von einem Hindernis reflektiert wird. Wenn Licht jedoch ein Teilchenstrom ist, kann die Reflexion nicht so einfach erklärt werden. Schließlich sind alle Photonen gleich. Wenn sie jedoch alle gleich sind, sollte die Barriere in Form von Fensterglas auf sie die gleiche Wirkung haben. Entweder passieren sie alle das Glas, oder sie werden alle reflektiert. Doch in der harten Realität fliegen einige der Photonen durch das Glas, und wir sehen das Nachbarhaus und sehen sofort unser Spiegelbild.

Und die einzige Erklärung, die mir einfällt: Photonen sind für sich allein. Es ist unmöglich, mit hundertprozentiger Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, wie sich ein bestimmtes Photon verhält – ob es als Teilchen oder als Welle mit Glas kollidiert. Dies ist die Grundlage der Quantenphysik – völlig, absolut zufälliges Verhalten der Materie auf der Mikroebene ohne Grund (und in ihrer Welt). große Mengen Aus Erfahrung wissen wir, dass alles einen Grund hat. Dies ist im Gegensatz zum Münzwurf ein perfekter Zufallszahlengenerator.

Der brillante Einstein, der das Photon entdeckte, war bis zu seinem Lebensende davon überzeugt, dass die Quantenphysik falsch sei, und versicherte allen, dass „Gott nicht würfelt“. Aber moderne Wissenschaft Immer mehr bestätigt: Er spielt immer noch.

Auf die eine oder andere Weise beschlossen Wissenschaftler eines Tages, der „Welle oder Teilchen“-Debatte ein Ende zu setzen und Jungs Erfahrungen unter Berücksichtigung der Technologien des 20. Jahrhunderts zu reproduzieren. Zu diesem Zeitpunkt hatten sie gelernt, Photonen einzeln abzuschießen (Quantengeneratoren, in der Bevölkerung als „Laser“ bekannt), und deshalb wurde beschlossen, zu überprüfen, was auf dem Bildschirm passieren würde, wenn man ein Teilchen auf zwei Schlitze schießen würde: Unter kontrollierten experimentellen Bedingungen wird endlich klar, was Materie ist.

Und plötzlich zeigte ein einzelnes Lichtquant (Photon) ein Interferenzmuster, das heißt, das Teilchen flog gleichzeitig durch beide Schlitze, das Photon interferierte mit sich selbst (in wissenschaftlicher Hinsicht). Lassen Sie uns den technischen Punkt klären – tatsächlich wurde das Interferenzbild nicht durch ein Photon, sondern durch eine Reihe von Schüssen auf ein Teilchen im Abstand von 10 Sekunden gezeigt – im Laufe der Zeit tauchten Youngs Streifen auf, die jedem C-Studenten seit 1801 bekannt waren der Bildschirm.

Aus der Sicht der Welle ist das logisch – die Welle geht durch die Risse, und nun divergieren zwei neue Wellen in konzentrischen Kreisen und überlappen sich.
Aus korpuskularer Sicht stellt sich jedoch heraus, dass sich das Photon beim Durchgang durch die Schlitze gleichzeitig an zwei Orten befindet und sich nach dem Durchgang mit sich selbst vermischt. Das ist im Allgemeinen normal, oder?
Es stellte sich heraus, dass es normal war. Da sich das Photon außerdem in zwei Schlitzen gleichzeitig befindet, bedeutet dies, dass es gleichzeitig überall ist, sowohl vor den Schlitzen als auch nach dem Durchfliegen. Und im Allgemeinen ist aus Sicht der Quantenphysik das freigesetzte Photon zwischen Start und Ziel gleichzeitig „überall und gleichzeitig“. Physiker nennen einen solchen Fund eines Teilchens „überall auf einmal“ Überlagerung – ein schreckliches Wort, das früher eine mathematische Verwöhnung war, ist heute physikalische Realität.

Ein gewisser E. Schrödinger, ein bekannter Gegner der Quantenphysik, hatte zu diesem Zeitpunkt irgendwo eine Formel ausgegraben, die die Welleneigenschaften von Materie, beispielsweise Wasser, beschrieb. Und nachdem ich ein wenig daran herumgebastelt hatte, kam ich zu meinem Entsetzen auf die sogenannte Wellenfunktion. Diese Funktion zeigte die Wahrscheinlichkeit an, ein Photon an einem bestimmten Ort zu finden. Beachten Sie, dass es sich hierbei um eine Wahrscheinlichkeit und nicht um einen genauen Standort handelt. Und diese Wahrscheinlichkeit hing vom Quadrat der Höhe des Quantenwellenkamms an einem bestimmten Ort ab (falls sich jemand für die Details interessiert).

Den Fragen der Ortsbestimmung von Partikeln widmen wir ein eigenes Kapitel.

Weitere Entdeckungen zeigten, dass die Dinge mit dem Dualismus noch schlimmer und mysteriöser sind.
Im Jahr 1924 sagte ein gewisser Louis de Broglie, dass die wellenkorpuskulären Eigenschaften des Lichts die Spitze des Eisbergs seien. Und alle Elementarteilchen haben diese unverständliche Eigenschaft.
Das heißt, ein Teilchen und eine Welle sind gleichzeitig nicht nur Teilchen des elektromagnetischen Feldes (Photonen), sondern auch reale Teilchen wie Elektronen, Protonen usw. Auf mikroskopischer Ebene besteht die gesamte Materie um uns herum aus Wellen(und Teilchen zugleich).

Und ein paar Jahre später wurde dies sogar experimentell bestätigt – die Amerikaner trieben Elektronen hinein Kathodenstrahlröhren(die den heutigen alten Fürzen unter dem Namen „Kineskop“ bekannt sind) – Beobachtungen im Zusammenhang mit der Reflexion von Elektronen bestätigten also, dass ein Elektron auch eine Welle ist (zum leichteren Verständnis können wir sagen, dass eine Platte mit zwei Schlitzen hineingelegt wurde den Weg des Elektrons und sah die Interferenz des Elektrons, wie sie ist).

Bisher hat man in Experimenten herausgefunden, dass Atome auch Welleneigenschaften haben und sogar einige Sondertypen Moleküle (die sogenannten „Fullerene“) manifestieren sich als Welle.

Der neugierige Geist des Lesers, der von unserer Geschichte noch nicht verblüfft ist, wird sich fragen: Wenn Materie eine Welle ist, warum wird dann beispielsweise ein fliegender Ball nicht in Form einer Welle im Weltraum verschmiert? Warum ähnelt ein Düsenflugzeug überhaupt nicht einer Welle, sondern ist einem Düsenflugzeug sehr ähnlich?

De Broglie, der Teufel, hat hier alles erklärt: Ja, ein fliegender Ball oder eine Boeing ist auch eine Welle, aber die Länge dieser Welle ist umso kürzer, je größer der Impuls ist. Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit. Das heißt, je größer die Masse der Materie, desto kürzer ist ihre Wellenlänge. Die Wellenlänge eines Balls, der mit einer Geschwindigkeit von 150 km/h fliegt, beträgt etwa 0,00 Meter. Daher können wir nicht wahrnehmen, wie sich der Ball als Welle im Raum ausbreitet. Für uns ist es solide Sache.
Ein Elektron ist ein sehr leichtes Teilchen und hat bei einer Geschwindigkeit von 6000 km/s eine merkliche Wellenlänge von 0,0000000001 Metern.

Beantworten wir übrigens gleich die Frage, warum der Atomkern nicht so „wellenförmig“ ist. Obwohl es sich im Zentrum des Atoms befindet, um das das Elektron wie verrückt fliegt und gleichzeitig verschmiert wird, verfügt es über einen ordentlichen Impuls, der mit der Masse der Protonen und Neutronen verbunden ist, sowie durch hochfrequente Schwingungen (Geschwindigkeit). auf die Existenz eines ständigen Austauschs von Teilchen innerhalb des Kerns starke Wechselwirkung (lesen Sie das Thema). Daher ähnelt der Kern eher der uns bekannten festen Materie. Das Elektron ist offenbar das einzige Teilchen mit Masse, das deutlich ausgeprägte Welleneigenschaften aufweist, weshalb jeder es mit Freude studiert.

Kehren wir zu unseren Teilchen zurück. Es stellt sich also heraus: Ein um ein Atom rotierendes Elektron ist sowohl ein Teilchen als auch eine Welle. Das heißt, das Teilchen rotiert, und gleichzeitig stellt das Elektron als Welle eine Hülle einer bestimmten Form um den Kern dar – wie kann das überhaupt vom menschlichen Gehirn verstanden werden?

Wir haben oben bereits berechnet, dass ein fliegendes Elektron eine (für einen Mikrokosmos) ziemlich große Wellenlänge hat, und um um den Kern eines Atoms zu passen, benötigt eine solche Welle unangemessen viel Platz. Genau das erklärt die große Größe der Atome im Vergleich zum Kern. Die Wellenlänge des Elektrons bestimmt die Größe des Atoms. Der leere Raum zwischen dem Kern und der Oberfläche des Atoms wird durch die „Akkommodation“ der Wellenlänge (und zugleich des Teilchens) des Elektrons gefüllt. Das ist eine sehr grobe und falsche Erklärung – bitte verzeihen Sie uns – in Wirklichkeit ist alles viel komplizierter, aber unser Ziel ist es, Menschen, die sich für all das interessieren, zumindest zu ermöglichen, ein Stück Granit der Wissenschaft abzunagen.

Um es noch einmal klarzustellen! Nach einigen Kommentaren zum Artikel [in YP] wurde uns klar, welch wichtiger Punkt in diesem Artikel fehlte. Aufmerksamkeit! Die Form der Materie, die wir beschreiben, ist weder eine Welle noch ein Teilchen. Es hat nur (gleichzeitig) die Eigenschaften einer Welle und die Eigenschaften von Teilchen. Das kann man nicht sagen Elektromagnetische Welle oder Elektronenwelle ähnelt Meer oder Schallwellen. Die uns bekannten Wellen repräsentieren die Ausbreitung von Störungen in einem mit Substanz gefüllten Raum.
Photonen, Elektronen und andere Instanzen des Mikrokosmos können, wenn sie sich im Raum bewegen, durch Wellengleichungen beschrieben werden; ihr Verhalten ähnelt nur einer Welle, sie sind aber keinesfalls eine Welle. Ähnlich verhält es sich mit der korpuskulären Struktur der Materie: Das Verhalten eines Teilchens ähnelt dem Flug kleiner Punktkugeln, es handelt sich dabei jedoch nie um Kugeln.
Dies muss verstanden und akzeptiert werden, sonst münden alle unsere Gedanken letztendlich in eine Suche nach Analogien im Makrokosmos und damit endet das Verständnis der Quantenphysik, und es beginnt das Mönchtum oder die Scharlatan-Philosophie, etwa die Quantenmagie und die Materialität von Gedanken.

Wir werden die verbleibenden erschreckenden Schlussfolgerungen und Konsequenzen von Jungs modernisiertem Experiment später im nächsten Teil betrachten – Heisenbergs Unsicherheit, Schrödingers Katze, das Pauli-Ausschlussprinzip und die Quantenverschränkung erwarten den geduldigen und nachdenklichen Leser, der unsere Artikel mehr als einmal noch einmal liest und stöbert durch das Internet auf der Suche nach zusätzlichen Informationen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Frohe Schlaflosigkeit oder kognitive Albträume an alle!

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