Interprétation de la dualité particule-onde des propriétés de la lumière. Dualisme onde-particule - mythe ou réalité

Le terme « dualisme » en physique au sens large signifie :

1) l'existence de propriétés opposées dans les objets physiques ;

2) l'utilisation de concepts opposés pour décrire et expliquer des phénomènes physiques ;

3) la présence d'énoncés opposés (mutuellement exclusifs) dans la formulation des lois régissant les phénomènes physiques.

Les manifestations les plus fondamentales du dualisme sont :

1) dualisme particule-onde dans les propriétés des particules élémentaires ;

2) la présence dans la nature de particules et d'antiparticules, de charges électriques opposées, de différents signes des nombres de leptons et de baryons (voir Partie IV, § 23), etc. ;

3) propriétés opposées des particules de matière et des champs de force, c'est-à-dire matière « corpusculaire » et « de champ » ;

4) utilisation des concepts « énergie » et « travail » ;

5) l'existence dans les systèmes physiques de forces répulsives et attractives dont l'action simultanée détermine les propriétés des systèmes physiques ;

6) lien entre les changements quantitatifs et qualitatifs dans les propriétés des systèmes physiques ;

7) l'absence d'ambiguïté et de probabilité dans les lois de la physique ;

8) la discrétion et la continuité dans la nature, le lien entre eux, etc.

L'essence du dualisme (c'est-à-dire le contenu des termes « propriétés opposées », « concepts », « énoncés ») peut être montrée par l'exemple d'une combinaison de propriétés corpusculaires et ondulatoires de particules élémentaires (photons, électrons, etc.) . Le texte (voir Partie IV, § 10-12) montrait que :

1) les propriétés corpusculaires et ondulatoires des particules sont indissociables les unes des autres. Chaque particule possède ces deux propriétés dans l'unité et

conditionnalité mutuelle, et il n’existe aucun moyen de priver une particule d’une de ces propriétés. Apparemment, il n’existe pas de particules qui aient uniquement des propriétés corpusculaires ou uniquement ondulatoires ;

2) les propriétés corpusculaires et ondulatoires sont irréductibles les unes aux autres. Cela signifie que les propriétés ondulatoires d’une particule ne peuvent pas être expliquées par les propriétés corpusculaires, et vice versa ;

3) les propriétés corpusculaires et ondulatoires sont inextricablement liées.

La dualité onde-particule est à la base de la physique quantique, qui décrit les systèmes et processus microphysiques. Ainsi, l’une des branches les plus importantes de la physique moderne est de nature et de contenu dualistes. La fonction d'onde continue des particules et des systèmes physiques, d'une part, et les propriétés corpusculaires de ces mêmes particules et systèmes, d'autre part, existent en physique quantique dans l'unité et la connexion mutuelle. Toutes les tentatives visant à éliminer ce dualisme ont échoué. Par conséquent, on peut affirmer que le dualisme dans la théorie quantique n'est pas un phénomène secondaire temporaire, aléatoire, causé, par exemple, par des difficultés dans la description des systèmes microphysiques, mais le reflet du dualisme objectif qui prévaut dans la nature.

Considérons une autre manifestation du dualisme dans la nature : la présence de particules et d'antiparticules. Notons d'abord que propriétés physiques les particules peuvent être divisées en deux groupes :

1) des propriétés qui diffèrent entre les différentes particules uniquement par leur taille ; Le plus important d’entre eux est la masse inerte. A noter que la masse n'est pas une propriété additive (la masse d'un système physique est inférieure à la somme des masses des particules constitutives mesurées à l'état libre), elle dépend de l'état de la particule (vitesse de déplacement) et des conditions dans lequel se trouve la particule (la masse des nucléons dans le domaine des forces nucléaires diffère de leur masse en dehors du noyau) ;

2) des propriétés qui diffèrent qualitativement, par exemple des charges électriques opposées. A noter que les charges sont additives et ne dépendent pas de la vitesse de déplacement ni des conditions dans lesquelles se trouvent les particules chargées. Cela signifie que les charges (ainsi que les nombres leptoniques et baryoniques) sont des propriétés plus fondamentales des particules que la masse inertielle.

Les particules élémentaires peuvent être triées selon un ensemble de propriétés fondamentales qui leur sont inhérentes. En fonction de la nature et du nombre de ces propriétés, le contenu de concepts tels que particules « identiques » ou « différentes » est déterminé. Il est évident que l'identité des particules (ou des objets physiques en général) est le cas limite de la similitude, lorsqu'il n'y a pas de différence entre les objets : ni dans l'ensemble des propriétés qui leur sont inhérentes, ni dans leur structure, leur état et leur comportement sous conditions différentes (ces objets identiques sont des particules élémentaires d'un certain type, étant dans les mêmes conditions). L'opposition d'objets physiques doit être considérée comme un cas extrême de différence, lorsque cette différence est complète, c'est-à-dire que les objets n'ont pas de propriétés identiques.

Notez que les particules et les antiparticules dans ce sens ne sont pas opposées, car en plus d'être différentes, elles ont également les mêmes propriétés (par exemple, un électron et un positon ont des charges différentes, mais le même spin et la même masse au repos). Ainsi, les particules et les antiparticules sont des objets polaires, mais pas opposés.

En relation avec ce qui précède, les questions suivantes se posent :

1) les « objets opposés » existent-ils dans la nature ;

2) une interaction entre eux est-elle possible, quelles sont les caractéristiques de cette interaction et sa signification dans la nature ;

3) en quoi les interactions entre objets identiques, polaires et opposés diffèrent-elles ?

La discussion de ces questions a une signification idéologique importante ; les résultats positifs de cette discussion permettront de clarifier nos idées sur le fonctionnement de la nature qui nous entoure. Une telle discussion doit être menée sur la base d’un système philosophique spécifique et touchera toutes les branches de la physique. En particulier, on peut croire que les objets opposés dans la nature sont la « matière » et les « champs ». La « matière » désigne généralement les particules élémentaires et les systèmes qui les composent : noyaux atomiques, atomes, molécules, etc.; « champ » fait référence à divers champs de force : gravitationnel, électromagnétique, nucléaire, etc. Il existe deux idées sur les champs. L’un d’eux suppose que les champs remplissent continuellement l’espace autour des particules de matière et, étant « d’une manière particulière » connectés à elles, déterminent la nature et l’intensité de l’interaction entre elles. Un autre point de vue suggère que chaque champ est constitué de « particules de champ spécial » qui sont émises et absorbées par les particules de matière et génèrent ainsi des forces d'interaction entre elles. Par exemple, le champ électromagnétique est considéré comme constitué de photons (« gaz photonique ») ; si leur nombre par unité de volume est très grand, alors le champ électromagnétique se comportera comme un milieu continu ; si ce nombre est petit et que les processus auxquels participent des photons individuels sont étudiés, alors le concept Champ électromagnétique car un médium continu perd son sens.

Il convient ici de souligner que les idées actuellement existantes sur la matière et les champs ne doivent pas être considérées comme définitives. Le développement de la physique expérimentale et théorique peut conduire non seulement à une clarification, mais aussi à des changements radicaux dans nos idées sur la nature et l'essence des phénomènes qui s'y produisent. Il est possible qu'à l'avenir triomphent les visions du monde monistes, selon lesquelles la nature se compose : 1) soit uniquement de particules de matière, et le champ n'est qu'un moyen de décrire l'interaction entre elles ; 2) soit uniquement provenant de domaines différents, et les particules de matière ne sont que leurs « points particuliers ». Cependant, il est possible que toutes les données expérimentales connues reçoivent une explication satisfaisante sur la base d'une vision du monde dualiste, dans laquelle la matière et les champs sont considérés comme des objets opposés, irréductibles et inséparables les uns des autres, dont l'interaction inextricable est à la base de tous les phénomènes naturels que nous observons.

Le dualisme se révèle aussi dans l'existence simultanée d'une description probabiliste et sans ambiguïté des phénomènes physiques. La description classique, strictement déterministe, ne peut être exclue de la physique ; il est nécessaire de décrire le déroulement le plus probable des phénomènes physiques. En revanche, il existe toujours une dispersion des états des objets étudiés (et grandeurs physiques, décrivant ces états), et cette dispersion est de nature probabiliste. Actuellement, l'existence objective de processus probabilistes dans la nature est considérée comme justifiée théoriquement et expérimentalement ; en physique quantique (voir Partie IV, § 10, 11), le caractère unique du comportement des particules élémentaires et des microsystèmes est généralement nié. Cela ne signifie pas un déni complet de l'unicité (déterminisme) de la nature, mais seulement une limitation du champ d'action. La certitude et la probabilité sont des concepts dualistes ; ils sont indissociables (une dispersion probabiliste existe autour des valeurs les plus probables incluses dans des lois sans ambiguïté), irréductibles (il est impossible de se limiter à une seule manière de décrire les phénomènes physiques), et leur connexion mutuelle est visible dans presque toutes les branches de la physique.

Le dualisme des particules élémentaires est essentiel dans la formation des propriétés des systèmes physiques formés à partir de ces particules. En considérant les systèmes microphysiques connus, on peut remarquer qu’ils sont finalement formés de diverses particules. Soit les particules identiques n’interagissent pas, soit elles se repoussent et ne forment pas un système physique doté de propriétés qualitativement nouvelles. Par exemple, les protons, les neutrons et les électrons ne forment pas individuellement des systèmes physiques, mais lorsqu'ils sont combinés, ils forment des noyaux et des atomes. diverses substances. On peut affirmer que dans un ensemble de particules élémentaires identiques, il y a toujours une simple addition (additif) de leurs propriétés. Ce n'est que lors de l'interaction de particules ayant des propriétés opposées qu'une synthèse spéciale (qualitative) de ces propriétés se produit, grâce à laquelle les systèmes physiques acquièrent de nouvelles propriétés. Ainsi, on peut affirmer que l’émergence de propriétés qualitativement nouvelles n’est possible que grâce à l’interaction de particules essentiellement différentes.

Le dualisme objectif de la nature se reflète dans les concepts physiques les plus importants. Un exemple typique est celui des concepts de discrétion et de continuité. Ils ne sont pas réductibles les uns aux autres ; sinon, on pourrait se limiter à n’utiliser qu’un seul de ces concepts. Dans l’histoire de la physique, on connaît des tentatives visant à exclure la discrétion ou la continuité de la description des phénomènes, mais elles n’ont pas abouti. Ils sont indissociables les uns des autres et inextricablement liés dans tous les phénomènes physiques, puisqu'ils impliquent nécessairement des particules et des champs, introduisant des éléments de discrétion et de continuité dans leurs propriétés fondamentales.

En conclusion, nous notons que la physique elle-même en tant que science se développe sur la base de l'interaction de deux parties opposées - théorique et expérimentale, qui sont indissociables et interconnectées, irréductibles l'une à l'autre et interagissent, déterminant la direction et le déroulement du développement de la physique. les sciences.

Les microparticules ont donc des propriétés extraordinaires. Microparticules – ce sont des particules élémentaires(électrons, protons, neutrons, etc.), ainsi que des particules complexes,formé d'un petit nombre de éléments élémentaires(Au revoir indivisible) particules(atomes, molécules, noyaux atomiques). En appelant ces microparticules particules, nous soulignons un seul côté ; il serait plus correct d'appeler « onde de particules».

Les microparticules ne sont pas capables d’affecter directement nos sens : elles ne peuvent être ni vues ni touchées. Nous savons ce qui arrivera à un gros objet ; mais c’est exactement comme ça que les microparticules ne fonctionnent pas ! Par conséquent, lorsqu’on les étudie, il faut recourir à différents types d’abstractions. , développez votre imagination et n'essaye pasconnectez-les à notre expérience directe.

En physique pré-quantique, comprendre signifie former une image visuelle d’un objet ou d’un processus. En physique quantique, on ne peut pas penser ainsi. Tout modèle visuel fonctionnera selon les lois classiques et n’est donc pas adapté à la représentation de processus quantiques. Par exemple, la rotation d’un électron en orbite autour d’un atome est une telle représentation. Ceci est un hommage à la physique classique et ne correspond pas à la véritable situation, ne correspond pas aux lois quantiques.

Les vagues de Louis de Broglie que nous avons considérées ne sont pas électromagnétique, ce sont des vagues d’une nature particulière.

Calculons la longueur d'onde de De Broglie d'une balle d'une masse de 0,20 kg se déplaçant à une vitesse de 15 m/s.

Il s'agit d'une longueur d'onde extrêmement courte. Même à des vitesses extrêmement faibles, disons m/s, la longueur d'onde de Broglie serait d'environ M. La longueur d'onde de Broglie d'un corps normal est trop petite pour être détectée et mesurée. Le fait est que les propriétés typiques des ondes - interférence et diffraction - n'apparaissent que lorsque la taille des objets ou des fentes est comparable en ampleur à la longueur d'onde. Mais nous ne connaissons pas les objets et les fentes sur lesquels des ondes d'une longueur d'onde λ pourraient diffracter, de sorte que les propriétés ondulatoires des corps ordinaires ne peuvent pas être détectées.

C'est une autre affaire lorsqu'il s'agit de particules élémentaires type d'électrons. Parce que la masse est incluse dans le dénominateur de la formule 3.3.1, qui détermine la longueur d'onde de de Broglie ; une très petite masse correspond à une grande longueur d'onde.

Déterminons la longueur d'onde de De Broglie d'un électron accéléré par une différence de potentiel de 100 V.

MS,

De l’exemple ci-dessus, on peut voir qu’un électron peut correspondre à une longueur d’onde de l’ordre de . Bien qu'il s'agisse d'ondes très courtes, elles peuvent être détectées expérimentalement : les distances interatomiques dans un cristal du même ordre de grandeur () et les atomes régulièrement espacés du cristal peuvent être utilisés comme réseau de diffraction, comme dans le cas des rayons X. . Donc, si l'hypothèse de Louis de Broglie est vraie, alors, comme l'a souligné Einstein, pour électrons, le phénomène de diffraction doit être observé.

Faisons une pause un instant et mettons en place une expérience de pensée. Dirigons un faisceau parallèle d'électrons monoénergétiques (c'est-à-dire ayant la même énergie cinétique) vers un obstacle doté de deux fentes étroites (Fig. 3.6), et plaçons une plaque photographique (FP) derrière l'obstacle.

Tout d'abord, fermez la deuxième fente et exposez pendant un certain temps t. Le noircissement sur le FP traité sera caractérisé par la courbe 1, Fig. 3.6, b. Ensuite, nous fermons la première fente et exposons la deuxième plaque photographique. La nature du noircissement est traduite dans ce cas par la courbe 2 (Fig. 3.6, b). Enfin, ouvrez les deux fentes et exposez pendant un certain temps t troisième assiette. Le motif de noircissement obtenu dans ce dernier cas est représenté sur la Fig. 3.6, ch. Ce tableau n’est en aucun cas équivalent à la situation des deux premiers. Comment l’ouverture d’une deuxième fente pourrait-elle affecter les électrons qui semblent avoir traversé l’autre fente ? L'image résultante (Fig. 3.6, c) s'avère similaire à l'image obtenue par l'interférence de deux ondes lumineuses cohérentes. La nature de l’image indique que le mouvement de chaque électron est influencé par les deux trous. Cette conclusion est incompatible avec l’idée de trajectoires. Si un électron se trouvait à un certain point de l'espace à chaque instant et se déplaçait le long d'une trajectoire, il passerait par un certain trou - le premier ou le deuxième. Le phénomène de diffraction prouve que les deux trous, le premier et le second, interviennent dans le passage de chaque électron.

Ainsi, la diffraction des électrons et autres microparticules prouve la validité de l'hypothèse de Louis de Broglie et confirme la dualité onde-particule des microparticules de matière .

L'effet Compton et l'effet photoélectrique confirment la nature corpusculaire de la lumière. La lumière se comporte comme un flux de particules : les photons. Alors, comment une particule peut-elle présenter des propriétés inhérentes aux ondes classiques ? Après tout, une particule peut passer par l’une ou l’autre fente. Cependant, l'interférence de la lumière provenant de deux fentes est connue (expérience de Young). Nous sommes ainsi arrivés à un paradoxe : la lumière a à la fois les propriétés des corpuscules et celles des ondes. Par conséquent, ils disent que la lumière est caractérisée par la dualité onde-particule.

Il est erroné de comparer les propriétés quantiques et ondulatoires de la lumière. Les propriétés de continuité du champ électromagnétique d'une onde lumineuse n'excluent pas les propriétés de discrétion caractéristiques des quanta-photons lumineux. La lumière possède simultanément les propriétés des ondes électromagnétiques continues et celles des photons discrets. Il représente l'unité dialectique de ces propriétés. À mesure que la longueur d’onde diminue, les propriétés quantiques de la lumière deviennent de plus en plus clairement visibles (cela est lié, par exemple, à l’existence de la limite rouge de l’effet photoélectrique). Les propriétés ondulatoires du rayonnement à ondes courtes sont très faibles (par exemple, diffraction des rayons X). Dans le rayonnement à ondes longues, les propriétés quantiques se manifestent faiblement et les propriétés des ondes jouent le rôle principal.

La relation entre les propriétés particulaires-ondes de la lumière est expliquée par une approche statistique de l'étude de la propagation de la lumière. La lumière est un flux de particules discrètes - des photons, dans lesquels l'énergie, l'impulsion et la masse du rayonnement sont localisées. L'interaction des photons avec la matière lors du passage à travers un système optique conduit à la redistribution des photons dans l'espace et à l'apparition d'un diagramme de diffraction. Dans ce cas, le carré de l’amplitude d’une onde lumineuse en tout point de l’espace est une mesure de la probabilité que des photons atteignent ce point.

Ainsi, les propriétés corpusculaires de la lumière sont associées au fait que l'énergie, la masse et l'impulsion du rayonnement sont localisées dans des photons discrets, et les propriétés ondulatoires sont associées aux modèles statistiques de distribution des photons dans l'espace.

Conférence 4

2. La nature à double onde corpusculaire des particules de matière

2.1. La conjecture de De Broglie

En 1924, le physicien français Louis de Broglie émet une hypothèse selon laquelle le mouvement d'un électron, ou de toute autre particule, est associé à un processus ondulatoire. Longueur d'onde de ce processus :

et fréquence ω = E/ħ, c'est à dire. la dualité onde-particule est inhérente à toutes les particules sans exception.

Si une particule a de l'énergie cinétique E, alors cela correspond à la longueur d'onde de de Broglie :

Pour un électron accéléré par une différence de potentiel
, énergie cinétique
, et longueur d'onde

UN. (2.1)

Expériences de Davisson et Germer (1927). L'idée de leurs expériences était la suivante. Si un faisceau d'électrons a des propriétés ondulatoires, alors on peut s'attendre, même sans connaître le mécanisme de réflexion de ces ondes, à ce que leur réflexion sur le cristal ait le même caractère interférentiel que celle des rayons X.

DANS Dans une série d'expériences de Davisson et Germer, pour détecter les maxima de diffraction (le cas échéant), la tension accélératrice des électrons et en même temps la position du détecteur ont été mesurées. D (compteur des électrons réfléchis). L'expérience a utilisé un monocristal de nickel (système cubique), broyé comme le montre la figure 2.1.

S'il tourne autour de l'axe vertical jusqu'à une position correspondant au motif, alors dans cette position, la surface du sol est recouverte de rangées régulières d'atomes perpendiculaires au plan d'incidence (le plan du motif), la distance entre laquelle d= 0,215 nm.

D le détecteur a été déplacé dans le plan d'incidence, changeant l'angle θ. Sous l'angle θ = 50° et tension accélératrice U= 54V un maximum particulièrement distinct d'électrons réfléchis a été observé, dont le diagramme polaire est représenté sur la figure 2.2.

Ce maximum peut être interprété comme un maximum d'interférence de premier ordre provenant d'un réseau de diffraction plat avec une période

, (2.2)

comme le montre la figure 2.3. Sur cette figure, chaque point en gras représente une projection d'une chaîne d'atomes située sur une droite perpendiculaire au plan de la figure. Période d peut être mesuré indépendamment, par exemple par diffraction des rayons X.

DANS longueur d'onde de Broglie calculée par la formule (2.1) pour U= 54 V est égal à 0,167 nm. La longueur d'onde correspondante, trouvée à partir de la formule (2.2), est égale à 0,165 nm. L'accord est si bon que le résultat obtenu doit être considéré comme une confirmation convaincante de l'hypothèse de de Broglie.

Une autre série d'expériences de Davisson et Germer consistait à mesurer l'intensité je faisceau d'électrons réfléchi à un angle d'incidence donné, mais à différentes valeurs de la tension accélératrice U.

Théoriquement, des maxima de réflexion d'interférence devraient apparaître dans ce cas, semblables à la réflexion des rayons X sur un cristal. En raison de la diffraction du rayonnement incident sur les atomes, des ondes émanent de divers plans cristallins du cristal, comme si elles avaient subi une réflexion spéculaire depuis ces plans. Ces ondes s'amplifient mutuellement lors d'interférences si la condition de Bragg-Wulf est satisfaite :

, m=1,2,3,…, (2.3)

Où d - distance interplanaire, α - angle de glissement.

N Rappelons-nous la dérivation de cette formule. De la fig. 2.4, il est clair que la différence de trajectoire de deux ondes, 1 et 2, est réfléchie spéculairement des couches atomiques voisines, ABC =
. Par conséquent, les directions dans lesquelles apparaissent les maxima d’interférence sont déterminées par la condition (2.3).

Remplaçons maintenant l'expression (2.1) pour la longueur d'onde de Broglie dans la formule (2.3). Puisque les valeurs de α et d expérimentateurs laissés inchangés, alors de la formule (2.3) il s'ensuit que

~T, (2.4)

ceux. valeurs
, auquel les maxima de réflexion se forment, doit être proportionnel aux nombres entiers T= 1, 2, 3, ..., autrement dit être à égale distance les uns des autres.

E Cela a été testé expérimentalement et dont les résultats sont présentés sur la figure 2. 5, où U présenté en volts. On peut voir que les maxima d'intensité je presque à égale distance les uns des autres (la même image se produit lors de la diffraction des rayons X sur les cristaux).

Les résultats obtenus par Davisson et Germer soutiennent de manière très convaincante l'hypothèse de de Broglie. En termes théoriques, comme nous l'avons vu, l'analyse de la diffraction des ondes de Broglie coïncide complètement avec la diffraction des rayons X.

Ainsi, la nature de la dépendance (2.4) a été confirmée expérimentalement, mais un certain écart avec les prédictions théoriques a été observé. À savoir, entre les positions des maxima expérimentaux et théoriques (ces derniers sont représentés par des flèches sur la Fig. 2.5), il existe un écart systématique, qui diminue avec l'augmentation de la tension accélératrice. U. Cette divergence, comme il s'est avéré plus tard, est due au fait que lors de l'élaboration de la formule de Bragg-Wolfe, la réfraction des ondes de Broglie n'a pas été prise en compte.

Sur la réfraction des ondes de Broglie. Indice de réfraction P. Les ondes de Broglie, comme les ondes électromagnétiques, sont déterminées par la formule

, (2.5)

Où Et - vitesses de phase de ces ondes dans le vide et le milieu (cristal).

La vitesse de phase de l’onde de Broglie est une quantité fondamentalement inobservable. Par conséquent, la formule (2.5) doit être transformée de manière à ce que l'indice de réfraction P. pourrait être exprimé par le rapport des quantités mesurées. Cela peut être fait comme suit. Par définition, vitesse de phase

, (2.6)

Où k - numéro d'onde. En supposant, comme pour les photons, que la fréquence des ondes de Broglie ne change pas non plus lors du passage de l'interface entre les milieux (si une telle hypothèse est injuste, alors l'expérience l'indiquera inévitablement), nous présentons (2.5) en tenant compte de (2.6) sous la forme

(2.7)

P. tombant du vide dans un cristal (métal), les électrons se retrouvent dans un puits de potentiel. Voici leur énergie cinétique augmente avec la « profondeur » du puits de potentiel (Fig. 2.6). De la formule (2.1), où
, il s'ensuit que λ~
Par conséquent, l’expression (2.7) peut être réécrite comme suit :

(2.8)

Où U 0 - potentiel interne cristal. Il est clair que plus U (relativement ), ceux P. plus proche de l'unité. Ainsi, P. se manifeste surtout à faible U, et la formule de Bragg-Wulf prend la forme

(2.9)

Assurons-nous que la formule de Bragg-Wolfe (2.9), prenant en compte la réfraction, explique bien les positions des maxima d'intensité
En figue. 2.5. Remplacer dans (2.9) P. Et λ d'après les formules (2.8) et (2.1) leurs expressions par la différence de potentiel accélératrice U, ceux.

(2.11)

Prenons maintenant en compte que la distribution
sur la figure 2.5 a été obtenu pour le nickel aux valeurs U 0 = 15 V, d=0,203 nm et α =80°. Alors (2.11) après transformations simples peut être réécrit comme suit :

(2.12)

Calculons la valeur en utilisant cette formule
, par exemple, pour un maximum de troisième ordre ( m= 3), pour lequel l'écart avec la formule de Bragg-Wolfe (2.3) s'est avéré être le plus grand :

La coïncidence avec la position réelle du maximum du 3ème ordre n'appelle aucun commentaire.

Ainsi, les expériences de Davisson et Germer doivent être considérées comme une brillante confirmation de l'hypothèse de de Broglie.

Expériences de Thomson et Tartakovsky. Dans ces expériences, un faisceau d'électrons a traversé une feuille polycristalline (en utilisant la méthode Debye dans l'étude de la diffraction des rayons X). Comme dans le cas des rayons X, un système d'anneaux de diffraction a été observé sur une plaque photographique située derrière la feuille. Les similitudes entre les deux tableaux sont frappantes. La suspicion selon laquelle le système de ces anneaux est généré non pas par des électrons, mais par un rayonnement de rayons X secondaire résultant de la chute d'électrons sur la feuille, est facilement dissipé si un champ magnétique est créé sur le trajet des électrons diffusés (un aimant permanent est mis). Cela n’affecte pas le rayonnement des rayons X. Ce type de test a montré que le motif d'interférence était immédiatement déformé. Cela indique clairement que nous avons affaire à des électrons.

G. Thomson a réalisé des expériences avec rapideélectrons (dizaines de keV), II.S. Tarkovski - comparativement lentélectrons (jusqu'à 1,7 keV).

Expériences avec des neutrons et des molécules. Pour réussir à observer la diffraction des ondes sur les cristaux, il faut que la longueur d'onde de ces ondes soit comparable aux distances entre les nœuds du réseau cristallin. Par conséquent, pour observer la diffraction de particules lourdes, il est nécessaire d’utiliser des particules ayant des vitesses suffisamment faibles. Des expériences correspondantes sur la diffraction des neutrons et des molécules lors de la réflexion sur des cristaux ont été réalisées et ont également pleinement confirmé l'hypothèse de de Broglie appliquée aux particules lourdes.

Grâce à cela, il a été prouvé expérimentalement que les propriétés des vagues sont une propriété universelle. tout le monde particules. Ils ne sont pas causés par des particularités de la structure interne d'une particule particulière, mais reflètent leur loi générale du mouvement.

À PROPOS expériences avec des électrons uniques. Les expériences décrites ci-dessus ont été réalisées à l'aide de faisceaux de particules. Une question naturelle se pose donc : les propriétés des ondes observées expriment-elles les propriétés d’un faisceau de particules ou de particules individuelles ?

Pour répondre à cette question, V. Fabrikant, L. Biberman et N. Sushkin ont mené des expériences en 1949 dans lesquelles des faisceaux d'électrons si faibles étaient utilisés que chaque électron traversait le cristal séparément et que chaque électron diffusé était enregistré par une plaque photographique. Il s'est avéré que les électrons individuels tombaient dans divers points plaques photographiques de manière complètement désordonnée à première vue (Fig. 2.7, a). Pendant ce temps, avec une exposition suffisamment longue, un diagramme de diffraction est apparu sur la plaque photographique (Fig. 2.7, b), absolument identique au diagramme de diffraction d'un faisceau d'électrons conventionnel. Ainsi, il a été prouvé que les particules individuelles possèdent également des propriétés ondulatoires.

Nous avons donc affaire à des microobjets qui ont simultanément propriétés à la fois corpusculaires et ondulatoires. Cela nous permet de parler plus en détail des électrons, mais les conclusions auxquelles nous parvenons ont une signification tout à fait générale et sont également applicables à toutes les particules.

De la formule de Broglie, il s'ensuit que les propriétés ondulatoires devraient être inhérentes à toute particule de matière ayant une masse et une vitesse. . En 1929 Les expériences de Stern ont prouvé que la formule de Broglie est également valable pour les faisceaux d'atomes et de molécules. Il a obtenu l’expression suivante pour la longueur d’onde :

Ǻ,

Où μ – la masse molaire de la substance, N UN– le numéro d’Avogadro, R.- Constante du gaz universel, T- température.

Lorsque des faisceaux d'atomes et de molécules sont réfléchis par les surfaces de solides, des phénomènes de diffraction doivent être observés, qui sont décrits par les mêmes relations qu'un réseau de diffraction plat (bidimensionnel). Des expériences ont montré qu'en plus des particules dispersées sous un angle égal à l'angle d'incidence, des maxima du nombre de particules réfléchies sont observés à d'autres angles, déterminés par les formules d'un réseau de diffraction bidimensionnel.

Les formules de De Broglie se sont également révélées valables pour les neutrons. Cela a été confirmé par des expériences sur la diffraction des neutrons au niveau des récepteurs.

Ainsi, la présence de propriétés ondulatoires dans les particules en mouvement ayant une masse au repos est un phénomène universel qui n’est associé à aucune spécificité de la particule en mouvement.

L'absence de propriétés ondulatoires dans les corps macroscopiques s'explique comme suit. Semblable au rôle joué par la vitesse de la lumière pour décider de l'applicabilité de la mécanique newtonienne (non relativiste), il existe un critère qui montre dans quels cas on peut se limiter aux concepts classiques. Ce critère est lié à constante de Planck ħ. Dimension physique ħ égal à ( énergie)X( temps), ou ( impulsion)X( longueur), ou (élan). Une quantité avec cette dimension est appelée action. La constante de Planck est un quantum d'action.

Si dans ceci système physique la valeur d'une quantité caractéristique N Avec la dimension de l'action est comparable à ħ , alors le comportement de ce système ne peut être décrit que dans le cadre de la théorie quantique. Si la valeur N très grand par rapport à ħ , alors le comportement du système est décrit avec une grande précision par les lois de la physique classique.

Notez cependant que ce critère est approximatif. Cela indique seulement quand il faut faire preuve de prudence. Petite action N n'indique pas toujours l'inapplicabilité totale de l'approche classique. Dans de nombreux cas, cela peut fournir des informations qualitatives sur le comportement du système, qui peuvent être affinées à l’aide d’une approche quantique.

Contenu.

1. Introduction.
2. Propriétés ondulatoires de la lumière.

a) Dispersion.

b) Diffractions.

c) Polarisation

1. Propriétés quantiques de la lumière.

a) Effet photoélectrique.

b) Effet Compton.

5. Conclusion.

6. Liste de la littérature utilisée.

Introduction.

Déjà dans l'Antiquité, trois approches principales ont été décrites pour résoudre la question de la nature de la lumière. Ces trois approches ont ensuite pris forme dans deux théories concurrentes : les théories corpusculaire et ondulatoire de la lumière.

La grande majorité des philosophes et scientifiques anciens considéraient la lumière comme certains rayons reliant un corps lumineux et l’œil humain. Dans le même temps, certains d'entre eux croyaient que les rayons émanaient des yeux d'une personne, ils semblaient sentir l'objet en question. Ce point de vue avait un grand nombre d'adeptes, parmi lesquels Euclide. Formuler la première loi de l'optique géométrique, la loi de propagation rectiligne de la lumière,Euclide a écrit : « Les rayons émis par les yeux suivent une trajectoire rectiligne. » Ptolémée et de nombreux autres scientifiques et philosophes partageaient le même point de vue.

Cependant, plus tard, déjà au Moyen Âge, cette idée de la nature de la lumière perd son sens. Il y a de moins en moins de scientifiques qui suivent ces opinions. Et au début du XVIIe siècle. ce point de vue peut être considéré comme déjà oublié. D'autres, au contraire, croyaient que les rayons étaient émis par un corps lumineux et, atteignant l'œil humain, portaient l'empreinte de l'objet lumineux. Ce point de vue était partagé par les atomistes Démocrite, Épicure et Lucrèce.

Ce dernier point de vue sur la nature de la lumière a pris forme plus tard, au XVIIe siècle, dans la théorie corpusculaire de la lumière, selon laquelle la lumière est un flux de certaines particules émises par un corps lumineux.

Le troisième point de vue sur la nature de la lumière a été exprimé par Aristote. Il considérait la lumière comme une action ou un mouvement se propageant dans l'espace (dans un milieu). Peu de gens partageaient l’opinion d’Aristote à son époque. Mais plus tard, toujours au XVIIe siècle, son point de vue s’est développé et a jeté les bases de la théorie ondulatoire de la lumière.

Au milieu du XVIIe siècle, l’accumulation de faits poussait la pensée scientifique au-delà des limites de l’optique géométrique. L’un des premiers scientifiques à avoir poussé la pensée scientifique vers la théorie de la nature ondulatoire de la lumière fut le scientifique tchèque Marzi. Son travail est connu non seulement dans le domaine de l'optique, mais aussi dans le domaine de la mécanique et même de la médecine. En 1648, il découvre le phénomène de dispersion de la lumière.

Au 17ème siècle Dans le cadre du développement de l'optique, la question de la nature de la lumière a commencé à susciter de plus en plus d'intérêt. Dans ce cas, se forme progressivement deux théories opposées de la lumière : corpusculaire et ondulatoire. Il existait un terrain plus favorable au développement de la théorie corpusculaire de la lumière. En effet, pour l’optique géométrique, l’idée selon laquelle la lumière est un flux de particules spéciales était tout à fait naturelle. La propagation rectiligne de la lumière, ainsi que les lois de la réflexion et de la réfraction, étaient bien expliquées du point de vue de cette théorie.

L'idée générale de la structure de la matière n'entre pas non plus en conflit avec la théorie corpusculaire de la lumière. À cette époque, les conceptions de la structure de la matière étaient basées sur l’atomisme. Tous les corps sont constitués d'atomes. Il y a un espace vide entre les atomes. On croyait notamment alors que l’espace interplanétaire était vide. La lumière des corps célestes s'y propage sous forme de flux de particules lumineuses. C'est donc tout naturellement qu'au XVIIe siècle. de nombreux physiciens adhéraient à la théorie corpusculaire de la lumière. Dans le même temps, l'idée de la nature ondulatoire de la lumière a commencé à se développer. Descartes peut être considéré comme le fondateur de la théorie ondulatoire de la lumière.

Unité des propriétés corpusculaires et ondulatoires du rayonnement électromagnétique.

Les phénomènes abordés dans cette section - rayonnement du corps noir, effet photoélectrique, effet Compton - servent de preuve des concepts quantiques (corpusculaires) de la lumière en tant que flux de photons. D’autre part, des phénomènes tels que les interférences, la diffraction et la polarisation de la lumière confirment de manière convaincante la nature ondulatoire (électromagnétique) de la lumière. Enfin, la pression et la réfraction de la lumière sont expliquées à la fois par les théories ondulatoire et quantique. Ainsi, un rayonnement électromagnétique révèle une unité étonnante de propriétés apparemment mutuellement exclusives - continues (ondes) et discrètes (photons), qui se complètent.

Un examen plus détaillé des phénomènes optiques conduit à la conclusion qu'il ne faut pas opposer les propriétés de continuité caractéristiques du champ électromagnétique d'une onde lumineuse aux propriétés de discrétion caractéristiques d'un photon. La lumière, possédant à la fois des propriétés corpusculaires et ondulatoires, révèle certains modèles dans sa manifestation. Ainsi, les propriétés ondulatoires de la lumière se manifestent dans les lois de sa propagation, de son interférence, de sa diffraction, de sa polarisation et de ses propriétés corpusculaires - dans les processus d'interaction de la lumière avec la matière. Plus la longueur d'onde est longue, plus l'énergie et l'impulsion du photon sont faibles et plus il est difficile de détecter les propriétés quantiques de la lumière (par exemple, l'existence de la limite rouge de l'effet photoélectrique y est liée). Au contraire, plus la longueur d'onde est courte, plus l'énergie et l'impulsion du photon sont grandes et plus il est difficile de détecter les propriétés des ondes (par exemple, les propriétés des ondes (diffraction) du rayonnement X n'ont été découvertes qu'après l'utilisation de cristaux. comme réseau de diffraction).

La relation entre les propriétés doubles particule-onde de la lumière peut être expliquée si nous utilisons, comme le fait l’optique quantique, une approche statistique pour considérer les lois de la visualisation de la lumière. Par exemple, la diffraction de la lumière par une fente consiste dans le fait que lorsque la lumière traverse la fente, les photons sont redistribués dans l'espace. Étant donné que la probabilité que des photons frappent différents points de l’écran n’est pas la même, un diagramme de diffraction apparaît. L'éclairage de l'écran est proportionnel à la probabilité que des photons frappent par unité de surface de l'écran. En revanche, selon la théorie ondulatoire, l’éclairement est proportionnel au carré de l’amplitude de l’onde lumineuse en un même point de l’écran. Ainsi, Le carré de l’amplitude d’une onde lumineuse en un point donné de l’espace est une mesure de la probabilité que des photons frappent un point donné.

Propriétés ondulatoires de la lumière.

1.1 Dispersion.

Newton s'est tourné vers l'étude des couleurs observées lors de la réfraction de la lumière dans le cadre de tentatives d'amélioration des télescopes. Dans le but d'obtenir des lentilles de la meilleure qualité possible, Newton est convaincu que le principal inconvénient des images est la présence de bords colorés. Newton a fait ses plus grandes découvertes optiques grâce à son étude de la coloration lors de la réfraction.

L'essence des découvertes de Newton est illustrée par les expériences suivantes (Fig. 1) : la lumière d'une lanterne éclaire un trou étroit S (fente). Utiliser un objectif L l'image de la fente est obtenue sur l'écran MN en forme de petit rectangle blanc S `. En plaçant un prisme sur le chemin P. , dont le bord est parallèle à la fente, nous constaterons que l'image de la fente se déplacera et se transformera en une bande colorée, les transitions de couleur dans lesquelles du rouge au violet sont similaires à celles observées dans un arc-en-ciel. Newton a appelé cette image arc-en-ciel un spectre.

Si vous couvrez l'espace avec du verre coloré, c'est-à-dire si tu pointes plutôt un prisme lumière blanche colorée, l'image de la fente sera réduite à un rectangle coloré situé à l'endroit correspondant dans le spectre, soit selon la couleur, la lumière s'écartera sous différents angles de l'image originale S `. Les observations décrites montrent que des rayons de différentes couleurs sont réfractés différemment par un prisme.

Newton a vérifié cette conclusion importante à travers de nombreuses expériences. Le plus important d'entre eux était de déterminer l'indice de réfraction de rayons de différentes couleurs isolés du spectre. A cet effet, dans l'écran MN , sur lequel le spectre est obtenu, un trou a été découpé ; En déplaçant l'écran, il était possible de libérer un faisceau étroit de rayons d'une couleur ou d'une autre à travers le trou. Cette méthode d’isolation des rayons uniformes est plus avancée que l’isolation à l’aide de verre coloré. Des expériences ont montré qu'un tel faisceau séparé, réfracté dans un deuxième prisme, n'étire plus la bande. Un tel faisceau correspond à un certain indice de réfraction dont la valeur dépend de la couleur du faisceau sélectionné.

Les expériences décrites montrent que pour un faisceau coloré étroit isolé du spectre, l'indice de réfraction a une valeur bien définie, alors que la réfraction de la lumière blanche ne peut être caractérisée qu'approximativement par une valeur de cet indice. En comparant des observations similaires, Newton a conclu qu'il existe des couleurs simples qui ne se décomposent pas lorsqu'elles traversent un prisme, et des couleurs complexes, qui représentent un ensemble de couleurs simples ayant des indices de réfraction différents. En particulier, la lumière du soleil est une combinaison de couleurs décomposée à l'aide d'un prisme, donnant une image spectrale de la fente.

Ainsi, les principales expériences de Newton contenaient deux découvertes importantes :

1) La lumière de différentes couleurs est caractérisée par différents indices de réfraction dans une substance donnée (dispersion).

2) La couleur blanche est une collection de couleurs simples.

Nous savons maintenant que différentes couleurs correspondent à différentes longueurs d’onde de lumière. La première découverte de Newton peut donc être formulée comme suit :

L'indice de réfraction d'une substance dépend de la longueur d'onde de la lumière.

Elle augmente généralement à mesure que la longueur d'onde diminue.

1.2 Diffraction.

Une onde lumineuse ne modifie pas la forme géométrique du front lorsqu'elle se propage dans un milieu homogène. Cependant, si la lumière se propage dans un milieu inhomogène, dans lequel se trouvent par exemple des écrans opaques, des zones de l'espace avec un changement relativement brusque de l'indice de réfraction, etc., alors une distorsion du front d'onde est observée. Dans ce cas, une redistribution de l'intensité de l'onde lumineuse se produit dans l'espace. Lors de l'éclairage, par exemple, d'écrans opaques avec une source de lumière ponctuelle à la limite de l'ombre, là où, selon les lois de l'optique géométrique, une transition brusque de l'ombre à la lumière doit avoir lieu, un certain nombre de bandes sombres et claires sont observée ; une partie de la lumière pénètre dans la région de l’ombre géométrique. Ces phénomènes concernent la diffraction de la lumière.

Ainsi, la diffraction de la lumière au sens étroit est le phénomène de lumière se courbant autour du contour de corps opaques et de lumière entrant dans la région d'une ombre géométrique ; au sens large, tout écart dans la propagation de la lumière par rapport aux lois de l'optique géométrique.

Définition de Sommerfeld : par diffraction de la lumière, on entend tout écart par rapport à la propagation linéaire, s'il ne peut pas être expliqué par la réflexion, la réfraction ou la courbure des rayons lumineux dans des milieux dont l'indice de réfraction change continuellement.

Si l'environnement contient minuscules particules(brouillard) ou l'indice de réfraction change sensiblement sur des distances de l'ordre de la longueur d'onde, alors dans ces cas on parle de diffusion de la lumière et le terme « diffraction » n'est pas utilisé.

Il existe deux types de diffraction de la lumière. En étudiant le diagramme de diffraction en un point d'observation situé à une distance finie d'un obstacle, on a affaire à la diffraction de Fresnel. Si le point d'observation et la source lumineuse sont situés si loin de l'obstacle que les rayons incidents sur l'obstacle et les rayons allant au point d'observation peuvent être considérés comme des faisceaux parallèles, alors on parle de diffraction en rayons parallèles - diffraction de Fraunhofer.

La théorie de la diffraction considère les processus ondulatoires dans les cas où il existe des obstacles sur le chemin de propagation des ondes.

Grâce à la théorie de la diffraction, des problèmes tels que la protection contre le bruit à l'aide d'écrans acoustiques, la propagation des ondes radio à la surface de la Terre, le fonctionnement des instruments optiques (puisque l'image donnée par une lentille est toujours une image de diffraction), les mesures de qualité de surface, la étude de la structure de la matière, et bien d'autres sont résolus. .

1.3 Polarisation

Les phénomènes d'interférence et de diffraction, qui ont servi à justifier la nature ondulatoire de la lumière, ne donnent pas encore une image complète de la nature des ondes lumineuses. De nouvelles fonctionnalités nous sont révélées par l'expérience du passage de la lumière à travers les cristaux, notamment la tourmaline.

Prenons deux plaques de tourmaline rectangulaires identiques, taillées de manière à ce que l'un des côtés du rectangle coïncide avec une certaine direction à l'intérieur du cristal, appelée axe optique. Plaçons une plaque l'une sur l'autre de manière à ce que leurs axes coïncident dans la direction, et faisons passer un étroit faisceau de lumière provenant d'une lanterne ou du soleil à travers la paire de plaques pliées. La tourmaline étant un cristal brun-vert, la trace du faisceau transmis sur l'écran apparaîtra sous la forme d'une tache vert foncé. Commençons par faire tourner l'une des plaques autour de la poutre, en laissant la seconde immobile. Nous constaterons que la trace du faisceau s'affaiblit et lorsque la plaque tourne de 90 0, elle disparaît complètement. Avec une rotation supplémentaire de la plaque, le faisceau de croisement recommencera à s'intensifier et atteindra son intensité précédente lorsque la plaque tournera de 180 0, c'est-à-dire lorsque les axes optiques des plaques sont à nouveau parallèles. Avec la poursuite de la rotation de la tourmaline, le faisceau s'affaiblit à nouveau.

Tous les phénomènes observés peuvent être expliqués si les conclusions suivantes sont tirées.

Les vibrations lumineuses dans le faisceau sont dirigées perpendiculairement à la ligne de propagation de la lumière (les ondes lumineuses sont transversales).

La tourmaline est capable de transmettre des vibrations lumineuses uniquement lorsqu'elles sont dirigées d'une certaine manière par rapport à son axe.

A la lumière d'une lanterne (le soleil), des vibrations transversales de n'importe quelle direction se présentent et, de plus, dans la même proportion, de sorte qu'aucune direction n'est prédominante.

La conclusion 3 explique pourquoi la lumière naturelle traverse la tourmaline dans la même mesure dans n'importe quelle orientation, bien que la tourmaline, selon la conclusion 2, ne soit capable de transmettre des vibrations lumineuses que dans une certaine direction. Le passage de la lumière naturelle à travers la tourmaline fait que les vibrations transversales ne sont sélectionnées que celles qui peuvent être transmises par la tourmaline. Par conséquent, la lumière traversant la tourmaline sera un ensemble de vibrations transversales dans une direction, déterminée par l’orientation de l’axe de la tourmaline. Nous appellerons une telle lumière polarisée linéairement, et le plan contenant la direction d'oscillation et l'axe du faisceau lumineux - le plan de polarisation.

Maintenant, l'expérience du passage de la lumière à travers deux plaques de tourmaline placées successivement devient claire. La première plaque polarise le faisceau lumineux qui la traverse, le laissant osciller dans une seule direction. Ces vibrations ne peuvent traverser complètement la deuxième tourmaline que si leur direction coïncide avec la direction des vibrations transmises par la deuxième tourmaline, c'est-à-dire lorsque son axe est parallèle à l'axe du premier. Si la direction des vibrations en lumière polarisée est perpendiculaire à la direction des vibrations transmises par la deuxième tourmaline, alors la lumière sera complètement retardée. Si la direction de la vibration en lumière polarisée est angle vif avec la direction transmise par la tourmaline, les vibrations ne seront que partiellement manquées.

Propriétés quantiques de la lumière.

2.1 Effet photoélectrique.

L'hypothèse quanta de Planck a servi de base pour expliquer le phénomène de l'effet photoélectrique, découvert en 1887. Physicien allemand Heinrich Hertz.

Le phénomène de l'effet photoélectrique est détecté en éclairant une plaque de zinc reliée à la tige d'un électromètre. Si une charge positive est transférée à la plaque et à la tige, l'électromètre ne se décharge pas lorsque la plaque est éclairée. Lorsqu'une charge électrique négative est transmise à la plaque, l'électromètre se décharge dès qu'il touche la plaque. rayonnement ultraviolet. Cette expérience prouve que des charges électriques négatives peuvent être libérées de la surface d'une plaque métallique sous l'influence de la lumière. La mesure de la charge et de la masse des particules éjectées par la lumière a montré que ces particules étaient des électrons.

Il existe plusieurs types de photoeffets : photoeffets externes et internes, photoeffets à valve et un certain nombre d'autres effets.

L'effet photoélectrique externe est le phénomène d'éjection d'électrons d'une substance sous l'influence de la lumière incidente sur celle-ci.

L'effet photoélectrique interne est l'apparition d'électrons libres et de trous dans un semi-conducteur suite à la rupture des liaisons entre atomes due à l'énergie de la lumière incidente sur le semi-conducteur.

L'effet photoélectrique de grille est l'apparition sous l'influence de la lumière d'une force électromotrice dans un système contenant un contact entre deux semi-conducteurs différents ou un semi-conducteur et un métal.

2.2 Effet Compton.

Les propriétés corpusculaires de la lumière se manifestent le plus pleinement dans l'effet Compton. Le physicien américain A. Compton (1892-1962), étudiant en 1923 la diffusion du rayonnement X monochromatique par des substances contenant des atomes légers (paraffine, bore), a découvert que dans la composition du rayonnement diffusé, avec le rayonnement de la longueur d'onde d'origine , un rayonnement de longueur d'onde plus longue a également été observé.

L'effet Compton est la diffusion élastique d'un rayonnement électromagnétique à ondes courtes (rayons X et rayonnement gamma) sur les électrons libres (ou faiblement liés) d'une substance, accompagnée d'une augmentation de la longueur d'onde. Cet effet ne rentre pas dans le cadre de la théorie des ondes, selon laquelle la longueur d'onde ne doit pas changer lors de la diffusion : sous l'influence du champ périodique d'une onde lumineuse, l'électron oscille avec la fréquence du champ et émet donc des ondes diffusées. de la même fréquence.

Une explication de l'effet Compton est donnée sur la base de concepts quantiques sur la nature de la lumière. Si l’on suppose, comme le fait la théorie quantique, que le rayonnement est de nature corpusculaire.

L'effet Compton est observé non seulement sur les électrons, mais aussi sur d'autres particules chargées, telles que les protons, cependant, en raison de la grande masse du proton, son recul n'est « visible » que lorsque des photons de très haute énergie sont diffusés.

L'effet Compton et l'effet photoélectrique basés sur les concepts quantiques sont tous deux provoqués par l'interaction des photons avec les électrons. Dans le premier cas, le photon est diffusé, dans le second, il est absorbé. La diffusion se produit lorsqu'un photon interagit avec des électrons libres et l'effet photoélectrique se produit avec des électrons liés. On peut montrer que lorsqu’un photon entre en collision avec des électrons libres, l’absorption du photon ne peut pas se produire, car cela entre en conflit avec les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l’énergie. Par conséquent, lorsque les photons interagissent avec des électrons libres, seule leur diffusion peut être observée, c'est-à-dire Effet Compton.

Conclusion.

Ainsi, la lumière est corpusculaire dans le sens où son énergie, sa quantité de mouvement, sa masse et son spin sont localisés dans des photons et non diffusés dans l'espace, mais pas dans le sens où un photon peut être localisé à un emplacement donné précisément défini dans l'espace. La lumière se comporte comme une onde dans le sens où la propagation et la distribution des photons dans l'espace sont probabilistes : la probabilité qu'un photon se trouve en un point donné est déterminée par le carré de l'amplitude en ce point. Mais la nature probabiliste (ondulatoire) de la distribution des photons dans l'espace ne signifie pas que le photon est situé en un point quelconque à chaque instant.

Ainsi, la lumière allie la continuité des ondes et la discrétion des particules. Si l'on tient compte du fait que les photons n'existent que lorsqu'ils se déplacent (à la vitesse c), alors nous arrivons à la conclusion que la lumière possède simultanément des propriétés ondulatoires et corpusculaires. Mais dans certains phénomènes, sous certaines conditions, soit les propriétés ondulatoires, soit les propriétés corpusculaires jouent le rôle principal, et la lumière peut être considérée soit comme une onde, soit comme des particules (corpuscules).

Liste de la littérature utilisée.

1) Les AA Detlaf B.M. Yavorsky "Cours de physique" éd. " lycée» 2000

2) T.I. Trofimov "Cours de physique" éd. "École supérieure" 2001

3) H. Kuhling « Manuel de physique » éd. "Paix" 1982

4) Gursky I.P. " Physique élémentaire"édité par I.V. Savelyeva 1984

5) Tarasov L.V., Tarasova A.N. « Conversations sur la réfraction de la lumière » / éd. VIRGINIE.

Fabrikanta, éd. "Sciences", 1982.

Si vous pensiez que nous étions tombés dans l'oubli avec nos sujets hallucinants, alors on s'empresse de vous décevoir et de vous faire plaisir : vous vous êtes trompé ! En fait, pendant tout ce temps, nous avons essayé de trouver une méthode acceptable pour présenter des sujets fous liés aux paradoxes quantiques. Nous avons rédigé plusieurs brouillons, mais ils ont tous été jetés au froid. Parce que lorsqu’il s’agit d’expliquer des blagues quantiques, nous sommes nous-mêmes confus et admettons que nous ne comprenons pas grand-chose (et en général, peu de gens comprennent cette question, y compris les scientifiques les plus cool du monde). Hélas, le monde quantique est tellement étranger à la vision du monde philistine qu'il n'est pas du tout dommage d'admettre son incompréhension et d'essayer un peu ensemble de comprendre au moins les bases.

Et même si, comme d'habitude, nous essaierons de parler le plus clairement possible avec des images de Google, le lecteur inexpérimenté aura besoin d'une certaine préparation initiale, c'est pourquoi nous vous recommandons de parcourir nos sujets précédents, notamment sur les quanta et la matière.
Surtout pour les humanistes et autres personnes intéressées - les paradoxes quantiques. Partie 1.

Dans ce sujet, nous parlerons du mystère le plus courant du monde quantique : la dualité onde-particule. Quand nous disons « le plus ordinaire », nous voulons dire que les physiciens en ont tellement marre que cela ne semble même pas être un mystère. Mais tout cela est dû au fait que d’autres paradoxes quantiques sont encore plus difficiles à accepter pour l’esprit moyen.

Et c'était comme ça. Au bon vieux temps, quelque part au milieu du XVIIe siècle, Newton et Huygens étaient en désaccord sur l'existence de la lumière : Newton déclarait sans vergogne que la lumière était un flux de particules, et le vieux Huygens essayait de prouver que la lumière était une onde. Mais Newton faisait plus autorité, donc sa déclaration sur la nature de la lumière a été acceptée comme vraie et Huygens a été ridiculisé. Et pendant deux cents ans, la lumière a été considérée comme un flux de particules inconnues, dont ils espéraient découvrir un jour la nature.

Au début du 19ème siècle, un orientaliste nommé Thomas Young s'est essayé aux instruments optiques. En conséquence, il a entrepris et réalisé une expérience qui s'appelle maintenant l'expérience de Young, et chaque physicien considère cette expérience comme sacrée.

Thomas Young a simplement dirigé un faisceau de lumière (de la même couleur, de sorte que la fréquence soit approximativement la même) à travers deux fentes de la plaque et a placé une autre plaque d'écran derrière elle. Et a montré le résultat à ses collègues. Si la lumière était un flux de particules, nous verrions deux bandes lumineuses en arrière-plan.
Mais, malheureusement pour l’ensemble du monde scientifique, une série de bandes sombres et claires sont apparues sur l’écran de la plaque. Un phénomène courant appelé interférence est la superposition de deux (ou plusieurs ondes) les unes sur les autres.

C’est d’ailleurs grâce aux interférences que l’on observe des teintes arc-en-ciel sur une tache d’huile ou sur une bulle de savon.

En d’autres termes, Thomas Young a prouvé expérimentalement que la lumière est constituée d’ondes. Le monde scientifique n'a pas voulu croire Jung pendant longtemps et, à un moment donné, il a été tellement critiqué qu'il a même abandonné ses idées sur la théorie des vagues. Mais la confiance dans leur justesse a quand même gagné et les scientifiques ont commencé à considérer la lumière comme une onde. C'est vrai, une vague de quoi - c'était un mystère.
Ici, sur la photo, la bonne vieille expérience de Jung.

Il faut dire que la nature ondulatoire de la lumière n’a pas beaucoup influencé la physique classique. Les scientifiques ont réécrit les formules et ont commencé à croire que bientôt le monde entier tomberait à leurs pieds sous une seule formule universelle pour tout.
Mais vous avez déjà deviné qu'Einstein, comme toujours, a tout gâché. Les problèmes sont venus de l'autre côté - au début, les scientifiques se sont trompés dans le calcul de l'énergie des ondes thermiques et ont découvert le concept de quanta (assurez-vous de lire à ce sujet dans notre sujet correspondant ""). Et puis, avec l’aide de ces mêmes quanta, Einstein a porté un coup à la physique, expliquant le phénomène de l’effet photoélectrique.

En bref : l'effet photoélectrique (dont l'une des conséquences est l'exposition du film) est l'élimination des électrons de la surface de certains matériaux par la lumière. Techniquement, cette élimination se produit comme si la lumière était une particule. Einstein a appelé une particule de lumière un quantum de lumière, et plus tard on lui a donné un nom : photon.

En 1920, l'étonnant effet Compton a été ajouté à la théorie anti-onde de la lumière : lorsqu'un électron est bombardé de photons, le photon rebondit sur l'électron avec une perte d'énergie (on « tire » en bleu, mais le rouge vole). éteint), comme une boule de billard d'une autre. Compton a reçu le prix Nobel pour cela.

Cette fois, les physiciens hésitaient à abandonner simplement la nature ondulatoire de la lumière, mais ils ont plutôt réfléchi sérieusement. La science est confrontée à un mystère terrifiant : la lumière est-elle une onde ou une particule ?

La lumière, comme toute onde, a une fréquence – et cela est facile à vérifier. Nous voyons Couleurs différentes, car chaque couleur est simplement une fréquence différente d’une onde électromagnétique (lumineuse) : le rouge est une basse fréquence, le violet est une haute fréquence.
Mais étonnamment : la longueur d'onde lumière visible cinq mille fois la taille d'un atome - comment une telle « chose » peut-elle s'insérer dans un atome lorsque l'atome absorbe cette onde ? Si seulement le photon était une particule comparable en taille à un atome. Un photon est-il à la fois grand et petit ?

De plus, l'effet photoélectrique et l'effet Compton prouvent clairement que la lumière est toujours un flux de particules : on ne peut pas expliquer comment une onde transfère de l'énergie aux électrons localisés dans l'espace - si la lumière était une onde, alors certains électrons seraient assommés plus tard. que d'autres, et le phénomène On n'observerait pas l'effet photoélectrique. Mais dans le cas d’un flux, un seul photon entre en collision avec un seul électron et, dans certaines conditions, le fait sortir de l’atome.

Résultat : la lumière est à la fois une onde et une particule. Ou plutôt, ni l'un ni l'autre, mais une nouvelle forme d'existence de la matière jusqu'alors inconnue : les phénomènes que nous observons ne sont que des projections ou des ombres de l'état réel des choses, selon la façon dont on regarde ce qui se passe. Lorsque nous regardons l’ombre d’un cylindre éclairé d’un côté, nous voyons un cercle, et lorsqu’il est éclairé de l’autre côté, nous voyons une ombre rectangulaire. Il en va de même pour la représentation de la lumière par ondes particulaires.

Mais même ici, tout n’est pas facile. Nous ne pouvons pas dire que nous considérons la lumière comme une onde ou un flux de particules. Regarde par la fenêtre. Soudain, même dans un verre proprement lavé, nous voyons notre propre reflet, quoique flou. Quel est le piège? Si la lumière est une onde, il est alors facile d'expliquer la réflexion dans une fenêtre : nous constatons des effets similaires sur l'eau lorsqu'une onde est réfléchie par un obstacle. Mais si la lumière est un flux de particules, alors la réflexion ne peut pas être expliquée aussi facilement. Après tout, tous les photons sont identiques. Cependant, s’ils sont tous identiques, la barrière en forme de vitre devrait avoir le même effet sur eux. Soit ils traversent tous le verre, soit ils sont tous réfléchis. Mais dans la dure réalité, certains photons traversent la vitre, et nous voyons la maison voisine et voyons immédiatement notre reflet.

Et la seule explication qui me vient à l’esprit : les photons sont autonomes. Il est impossible de prédire avec une probabilité de cent pour cent comment un photon particulier se comportera - s'il entrera en collision avec le verre sous forme de particule ou sous forme d'onde. C'est la base de la physique quantique - un comportement complètement et absolument aléatoire de la matière au niveau micro sans aucune raison (et dans son monde grandes quantités Nous savons par expérience que tout a une raison). Il s’agit d’un générateur de nombres aléatoires parfait, contrairement à un tirage au sort.

Le génial Einstein, qui a découvert le photon, a été convaincu jusqu’à la fin de sa vie que la physique quantique était fausse et a assuré à tous que « Dieu ne joue pas aux dés ». Mais science moderne le confirme de plus en plus : il joue toujours.

D’une manière ou d’une autre, les scientifiques ont décidé un jour de mettre un terme au débat « onde ou particule » et de reproduire l’expérience de Jung en tenant compte des technologies du XXe siècle. À cette époque, ils avaient appris à tirer des photons un par un (générateurs quantiques, connus parmi la population sous le nom de « lasers »), et il a donc été décidé de vérifier ce qui se passerait sur l'écran si l'on tirait une particule sur deux fentes : on comprendra enfin ce qu'est la matière dans des conditions expérimentales contrôlées.

Et soudain, un seul quantum de lumière (photon) a montré un motif d'interférence, c'est-à-dire que la particule a traversé les deux fentes en même temps, le photon s'est interféré avec lui-même (en termes scientifiques). Clarifions le point technique - en fait, l'image d'interférence n'était pas montrée par un photon, mais par une série de tirs sur une particule à des intervalles de 10 secondes - au fil du temps, les franges de Young, familières à tout étudiant en C depuis 1801, sont apparues sur l'écran.

Du point de vue de la vague, c'est logique : la vague passe à travers les fissures, et maintenant deux nouvelles vagues divergent en cercles concentriques, se chevauchant.
Mais d'un point de vue corpusculaire, il s'avère que le photon se trouve à deux endroits en même temps lorsqu'il traverse les fentes, et qu'après son passage, il se mélange à lui-même. C'est généralement normal, hein ?
Il s'est avéré que c'était normal. De plus, puisque le photon se trouve dans deux fentes à la fois, cela signifie qu'il est simultanément partout avant et après les avoir traversées. Et en général, du point de vue de la physique quantique, le photon libéré entre le début et l'arrivée est simultanément « partout et à la fois ». Les physiciens appellent une telle découverte d'une superposition de particules « partout à la fois » - un mot terrible, qui était autrefois un plaisir mathématique, est maintenant devenu une réalité physique.

Un certain E. Schrödinger, opposant bien connu à la physique quantique, avait déjà découvert quelque part une formule décrivant les propriétés ondulatoires de la matière, comme l'eau. Et après avoir bricolé un peu, j'en ai déduit, à ma grande horreur, ce qu'on appelle la fonction d'onde. Cette fonction montrait la probabilité de trouver un photon à un certain endroit. Notez qu’il s’agit d’une probabilité et non d’un emplacement exact. Et cette probabilité dépendait du carré de la hauteur de la crête de l’onde quantique à un endroit donné (si quelqu’un s’intéresse aux détails).

Nous consacrerons un chapitre séparé aux questions de mesure de la localisation des particules.

D'autres découvertes ont montré que les choses avec le dualisme sont encore pires et plus mystérieuses.
En 1924, un certain Louis de Broglie disait que les propriétés ondulatoires de la lumière ne sont que la pointe de l'iceberg. Et toutes les particules élémentaires possèdent cette propriété incompréhensible.
C'est-à-dire qu'une particule et une onde ne sont pas seulement des particules du champ électromagnétique (photons), mais aussi de vraies particules telles que des électrons, des protons, etc. Toute la matière qui nous entoure au niveau microscopique est constituée d'ondes(et des particules en même temps).

Et quelques années plus tard, cela a même été confirmé expérimentalement : les Américains ont introduit des électrons dans tubes à rayons cathodiques(qui sont connus des vieux connards d'aujourd'hui sous le nom de "kinéscope") - ainsi les observations liées à la réflexion des électrons ont confirmé qu'un électron est aussi une onde (pour faciliter la compréhension, on peut dire qu'une plaque avec deux fentes a été placée dans le chemin de l'électron et j'ai vu l'interférence de l'électron tel qu'il existe).

À ce jour, les expériences ont découvert que les atomes ont également des propriétés ondulatoires et même certaines types spéciaux Les molécules (appelées « fullerènes ») se manifestent sous la forme d'une onde.

L'esprit curieux du lecteur, qui n'a pas encore été abasourdi par notre histoire, se demandera : si la matière est une vague, alors pourquoi, par exemple, une boule volante n'est-elle pas étalée dans l'espace sous la forme d'une vague ? Pourquoi un avion à réaction ne ressemble-t-il pas du tout à une vague, mais ressemble beaucoup à un avion à réaction ?

De Broglie, le diable, a tout expliqué ici : oui, une balle volante ou un Boeing est aussi une vague, mais plus la longueur de cette vague est courte, plus l'impulsion est grande. L'élan est égal à la masse multipliée par la vitesse. Autrement dit, plus la masse de matière est grande, plus sa longueur d’onde est courte. La longueur d'onde d'une balle volant à une vitesse de 150 km/h sera d'environ 0,00 mètre. Par conséquent, nous ne sommes pas en mesure de remarquer comment la balle se propage dans l’espace sous forme de vague. Pour nous, c'est une matière solide.
Un électron est une particule très légère et, volant à une vitesse de 6 000 km/sec, il aura une longueur d'onde notable de 0,0000000001 mètres.

À propos, répondons immédiatement à la question de savoir pourquoi le noyau atomique n’est pas si « ondulatoire ». Bien qu'il soit situé au centre de l'atome, autour duquel l'électron vole follement et en même temps est maculé, il a un moment décent associé à la masse de protons et de neutrons, ainsi qu'une oscillation à haute fréquence (vitesse) due à l'existence d'un échange constant de particules à l'intérieur du noyau, une interaction forte (lire le sujet). Le noyau ressemble donc davantage à la matière solide que nous connaissons. L'électron, apparemment, est la seule particule de masse qui a des propriétés ondulatoires clairement exprimées, donc tout le monde l'étudie avec plaisir.

Revenons à nos particules. Il s’avère donc : un électron tournant autour d’un atome est à la fois une particule et une onde. C'est-à-dire que la particule tourne, et en même temps, l'électron, sous forme d'onde, représente une coquille d'une certaine forme autour du noyau - comment cela peut-il même être compris par le cerveau humain ?

Nous avons déjà calculé ci-dessus qu'un électron volant a une longueur d'onde assez énorme (pour un microcosme) et que pour s'adapter au noyau d'un atome, une telle onde a besoin d'une quantité d'espace indécemment grande. C’est précisément ce qui explique la taille si grande des atomes par rapport au noyau. Les longueurs d'onde de l'électron déterminent la taille de l'atome. L'espace vide entre le noyau et la surface de l'atome est rempli par « l'accommodation » de la longueur d'onde (et en même temps de la particule) de l'électron. C'est une explication très grossière et incorrecte - pardonnez-nous - en réalité, tout est beaucoup plus compliqué, mais notre objectif est au moins de permettre à ceux qui s'intéressent à tout cela de ronger un morceau de granit de la science.

Soyons clairs encore une fois ! Après quelques commentaires sur l'article [dans YP], nous avons réalisé à quel point il manquait un point important à cet article. Attention! La forme de matière que nous décrivons n’est ni une onde ni une particule. Il possède uniquement (simultanément) les propriétés d’une onde et les propriétés des particules. Tu ne peux pas dire ça onde électromagnétique ou l'onde électronique est semblable à la mer ou les ondes sonores. Les ondes que nous connaissons représentent la propagation de perturbations dans un espace rempli de substance.
Les photons, les électrons et d'autres instances du microcosme, lorsqu'ils se déplacent dans l'espace, peuvent être décrits par des équations d'ondes ; leur comportement est seulement SIMILAIRE à celui d'une onde, mais ils ne sont en aucun cas une onde. C’est similaire avec la structure corpusculaire de la matière : le comportement d’une particule est similaire au vol de petites boules ponctuelles, mais ce ne sont jamais des boules.
Cela doit être compris et accepté, sinon toutes nos pensées mèneront finalement à la recherche d'analogues dans le macrocosme, et ainsi la compréhension de la physique quantique prendra fin et le friarisme ou la philosophie charlatan commenceront, comme la magie quantique et le matérialité des pensées.

Nous examinerons les conclusions et conséquences terrifiantes restantes de l'expérience modernisée de Jung plus tard dans la partie suivante - l'incertitude de Heisenberg, le chat de Schrödinger, le principe d'exclusion de Pauli et l'intrication quantique attendent le lecteur patient et réfléchi qui relira nos articles plus d'une fois et fouillera. via Internet à la recherche d'informations complémentaires.

Merci à tous pour votre attention. Bonne insomnie ou cauchemars cognitifs à tous !

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La copie illégale de texte est poursuivie, réprimée, eh bien, vous savez...