Interpretarea dualității corpuscular-undă a proprietăților luminii. Dualitate val-particulă - mit sau realitate

Termenul „dualism” în fizică în sens larg înseamnă:

1) existența unor proprietăți opuse ale obiectelor fizice;

2) utilizarea conceptelor opuse în descrierea și explicarea fenomenelor fizice;

3) prezența unor afirmații opuse (se exclud reciproc) în formularea legilor care guvernează fenomenele fizice.

Cele mai fundamentale manifestări ale dualismului sunt:

1) dualism corpuscular-undă în proprietățile particulelor elementare;

2) prezența în natură a particulelor și antiparticulelor, a sarcinilor electrice opuse, a diferitelor semne ale numerelor leptonilor și barionilor (vezi Partea IV, § 23), etc.;

3) proprietăți opuse ale particulelor de materie și câmpuri de forță, adică materie „corpusculară” și „câmp”;

4) utilizarea conceptelor de „energie” și „muncă”;

5) existența unor forțe repulsive și atractive în sistemele fizice, a căror acțiune simultană determină proprietățile sistemelor fizice;

6) relația dintre modificările cantitative și calitative ale proprietăților sistemelor fizice;

7) unicitatea și probabilitatea în legile fizicii;

8) discretitatea și continuitatea în natură, legătura dintre ele etc.

Esența dualismului (adică conținutul termenilor „proprietăți opuse”, „concepte”, „enunțuri”) poate fi arătată prin exemplul unei combinații de proprietăți corpusculare și ondulatorii ale particulelor elementare (fotoni, electroni etc.) . În text (vezi Partea IV, § 10-12) s-a arătat că:

1) proprietățile corpusculare și ondulatorii ale particulelor sunt inseparabile unele de altele. Fiecare particulă are ambele aceste proprietăți în unitate și

condiționare reciprocă și nu există nicio modalitate de a priva o particulă de una dintre aceste proprietăți. Aparent, nu există particule care să aibă numai proprietăți corpusculare sau numai ondulatorii;

2) proprietățile corpusculare și de undă sunt ireductibile unele la altele. Aceasta înseamnă că proprietățile de undă ale unei particule nu pot fi explicate în termeni de corpusculare și invers;

3) proprietățile corpusculare și ondulatorii sunt indisolubil legate.

Dualitatea undă-particulă stă la baza fizicii cuantice, care descrie sisteme și procese microfizice. Astfel, una dintre cele mai importante secțiuni ale fizicii moderne este dualistă ca natură și conținut. Funcția de undă continuă a particulelor și sistemelor fizice, pe de o parte, și proprietățile corpusculare ale acelorași particule și sisteme, pe de altă parte, există în fizica cuantică în unitate și conexiune reciprocă. Toate încercările de a elimina acest dualism au fost fără succes. Prin urmare, se poate argumenta că dualismul în teoria cuantică nu este un efect secundar temporar, aleatoriu, cauzat, de exemplu, de dificultăți în descrierea sistemelor microfizice, ci o reflectare a dualismului obiectiv care predomină în natură.

Luați în considerare o altă manifestare a dualismului în natură - prezența particulelor și antiparticulelor. Să remarcăm mai întâi că proprietăți fizice Particulele pot fi împărțite în două grupe:

1) proprietăți care pentru diferite particule diferă doar în mărime; cea mai importantă dintre ele este masa inerțială. Rețineți că masa nu este o proprietate aditivă (masa unui sistem fizic este mai mică decât suma maselor particulelor constitutive măsurate în stare liberă), aceasta depinde de starea particulei (viteza de mișcare) și de condițiile în care se află particula (masa nucleonilor din câmpul forțelor nucleare diferă de masele lor din afara nucleului);

2) proprietăți care diferă calitativ, de exemplu, sarcini electrice opuse. Rețineți că sarcinile au aditivitate, nu depind de viteza de mișcare și de condițiile în care se află particulele încărcate. Aceasta înseamnă că sarcinile (precum și numerele de lepton și barion) sunt proprietăți mai fundamentale ale particulelor decât masa inerțială.

Particulele elementare pot fi sortate după un set de proprietăți fundamentale inerente acestora. În funcție de natura și numărul acestor proprietăți, se determină conținutul unor concepte precum particule „identice” sau „diferite”. Evident, identitatea particulelor (sau a obiectelor fizice în general) este cazul limitativ al asemănării, atunci când nu există nicio diferență între obiecte: nici în ansamblul proprietăților lor inerente, nici în structura, starea și comportamentul lor în condiții diferite (cum ar fi obiectele identice sunt particule elementare de un anumit fel în aceleași condiții). Opusul obiectelor fizice ar trebui considerat ca un caz extrem de diferență, atunci când această diferență este completă, adică obiectele nu au proprietăți identice.

Rețineți că particulele și antiparticulele în acest sens nu sunt opuse, deoarece, pe lângă faptul că sunt diferite, au și aceleași proprietăți (de exemplu, un electron și un pozitron au sarcini diferite, dar aceleași spini și mase de repaus). Astfel, particulele și antiparticulele sunt polare, dar nu obiecte opuse.

În legătură cu cele de mai sus, se ridică următoarele întrebări:

1) dacă există „obiecte opuse” în natură;

2) dacă interacțiunea dintre ele este posibilă, care sunt trăsăturile acestei interacțiuni și semnificația în natură;

3) cum diferă interacțiunile dintre obiecte identice, polare și opuse.

Discuția acestor întrebări are o mare semnificație ideologică; rezultatele pozitive ale acestei discuții ne vor clarifica înțelegerea modului în care funcționează natura din jurul nostru. O astfel de discuție ar trebui să se desfășoare pe baza unui anumit sistem filozofic și va afecta toate ramurile fizicii. În special, se poate presupune că „substanța” și „câmpurile” sunt obiecte opuse în natură. Prin „substanță” se înțelege de obicei particulele elementare și sistemele compuse din ele: nuclee atomice, atomi, molecule etc.; „câmp” se referă la diferite câmpuri de forță: gravitațional, electromagnetic, nuclear etc. Există două idei despre câmpuri. Într-una dintre ele, se presupune că câmpurile umplu continuu spațiul din jurul particulelor de materie și, fiind „într-un mod special” asociate acestora, determină natura și intensitatea interacțiunii dintre ele. Într-o altă perspectivă, se presupune că fiecare câmp este format din „particule de câmp speciale” care sunt emise și absorbite de particulele de materie și, prin urmare, provoacă forțe de interacțiune între ele. De exemplu, câmpul electromagnetic este considerat a fi compus din fotoni (un „gaz fotonic”); dacă numărul lor pe unitate de volum este foarte mare, atunci câmpul electromagnetic se va comporta ca un mediu continuu; dacă acest număr este mic și sunt studiate procesele care implică fotoni individuali, atunci conceptul câmp electromagnetic ca mediu continuu isi pierde sensul.

Aici trebuie subliniat că ideile actuale despre materie și domenii nu trebuie considerate definitive. Dezvoltarea fizicii experimentale și teoretice poate duce nu numai la rafinament, ci și la schimbări radicale în ideile noastre despre natură și esența fenomenelor care au loc în ea. Este posibil ca în viitor să triumfe viziuni moniste asupra lumii, conform cărora natura constă: 1) fie numai din particule de materie, iar câmpul este doar un mod de a descrie interacțiunea dintre ele; 2) fie numai din câmpuri diferite, iar particulele de materie sunt doar „punctele lor singulare”. Cu toate acestea, este posibil ca toate datele experimentale cunoscute să fie explicate satisfăcător și pe baza unei viziuni dualiste asupra lumii, în care materia și câmpurile sunt presupuse a fi obiecte opuse, ireductibile și inseparabile unele de altele, a căror interacțiune inseparabilă stă la baza. dintre toate fenomenele naturale pe care le observăm.

Dualismul se regaseste si in existenta simultana a unei descrieri probabiliste si lipsite de ambiguitate a fenomenelor fizice. Descrierea clasică, strict deterministă, nu poate fi exclusă din fizică; este necesar să descriem cursul cel mai probabil al fenomenelor fizice. Pe de altă parte, există întotdeauna o împrăștiere în stările obiectelor studiate (și mărimi fizice descriind aceste stări), iar această împrăștiere este probabilistică. În prezent, existenţa obiectivă a proceselor probabilistice în natură este considerată fundamentată teoretic şi experimental; în fizica cuantică (a se vedea partea IV, § 10, 11) unicitatea în comportamentul particulelor elementare și microsistemelor este în general negata. Aceasta nu înseamnă o negare completă a unicității (determinismului) în natură, ci doar o limitare a domeniului de aplicare. Neambiguitatea și probabilitatea sunt concepte dualiste; sunt inseparabile (există o răspândire probabilistică în jurul valorilor cele mai probabile incluse în legi fără ambiguitate), ireductibile (este imposibil să ne limităm la un singur mod de a descrie fenomenele fizice), iar legătura lor reciprocă poate fi văzută în aproape toate ramurile. a fizicii.

Dualismul particulelor elementare este esențial în formarea proprietăților sistemelor fizice formate din aceste particule. Având în vedere sistemele microfizice cunoscute, se poate observa că acestea sunt în cele din urmă formate din diferite particule. Particulele identice fie nu interacționează, fie se resping reciproc și nu formează un sistem fizic cu proprietăți calitativ noi. Deci, de exemplu, protonii, neutronii și electronii separat nu formează sisteme fizice, ci, atunci când sunt combinați, formează nuclee și atomi. diverse substanțe. Se poate argumenta că în agregatul particulelor elementare identice, apare întotdeauna o simplă adăugare (aditivă) a proprietăților lor. Numai în timpul interacțiunii particulelor cu proprietăți opuse, are loc o sinteză specială (calitativă) a acestor proprietăți, datorită căreia sistemele fizice dobândesc noi proprietăți. Astfel, se poate argumenta că apariția unor noi proprietăți calitativ este posibilă numai în interacțiunea unor particule esențial diferite.

Dualismul obiectiv al naturii se reflectă și în cele mai importante concepte fizice. Un exemplu tipic sunt conceptele de discretitate și continuitate. Ele sunt ireductibile una la alta; în caz contrar, ar fi posibilă limitarea utilizării doar a unuia dintre aceste concepte. În istoria fizicii, sunt cunoscute încercări de a exclude discretitatea sau continuitatea din descrierea fenomenelor, dar nu au avut succes. Ele sunt inseparabile unele de altele și sunt indisolubil legate între ele în toate fenomenele fizice, deoarece particulele și câmpurile participă în mod necesar la ele, introducând elemente de discretitate și continuitate cu proprietățile lor fundamentale.

În concluzie, observăm că fizica însăși ca știință se dezvoltă pe baza interacțiunii a două părți opuse - teoretică și experimentală, care sunt inseparabile și interconectate, ireductibile între ele și interacționează, determinând direcția și cursul dezvoltării fizicului. stiinte.

Deci, microparticulele au proprietăți extraordinare. microparticule – acestea sunt particule elementare(electroni, protoni, neutroni etc.), precum și particule complexe,format dintr-un număr mic de elementare(Pa indivizibil) particule(atomi, molecule, nuclee de atomi). Numind aceste microparticule particule, subliniem doar o parte, ar fi mai corect să numim „ undă-particulă».

Microparticulele nu sunt capabile să ne afecteze direct simțurile - nici nu le văd, nici nu le ating. Știm ce se va întâmpla cu obiectul mare; dar nu așa fac microparticulele! Prin urmare, studiindu-le, trebuie să recurgem la diferite tipuri de abstracții. , excită imaginația și nu incercasă le raportăm la experiența noastră directă.

În fizica precuantică, a înțelege înseamnă a crea o imagine vizuală a unui obiect sau proces. În fizica cuantică, nu poți gândi așa. Orice model vizual va funcționa conform legilor clasice și, prin urmare, nu este potrivit pentru reprezentarea proceselor cuantice. De exemplu, rotația unui electron pe o orbită în jurul unui atom este o astfel de reprezentare. Acesta este un tribut adus fizicii clasice și nu corespunde adevăratei stări de lucruri, nu corespunde legilor cuantice.

Valurile lui Louis de Broglie considerate de noi nu sunt electromagnetic, acestea sunt valuri de o natură deosebită.

Să calculăm lungimea de undă de Broglie a unei mingi cu o masă de 0,20 kg care se mișcă cu o viteză de 15 m/s.

Aceasta este o lungime de undă extrem de scurtă. Chiar și la viteze extrem de mici, să zicem m/s, lungimea de undă de Broglie ar fi de aproximativ m. Lungimea de undă de Broglie a unui corp obișnuit este prea mică pentru a fi detectată și măsurată. Faptul este că proprietățile tipice ale undei - interferența și difracția - apar numai atunci când dimensiunile obiectelor sau fantelor sunt comparabile ca mărime cu lungimea de undă. Dar nu cunoaștem obiecte și fante pe care undele cu o lungime de undă ar putea difracta, astfel încât proprietățile de undă ale corpurilor obișnuite nu pot fi detectate.

Este o altă chestiune când vine vorba de particule elementare tip de electroni. Deoarece masa este inclusă în numitorul formulei 3.3.1, care determină lungimea de undă de Broglie, o masă foarte mică corespunde unei lungimi de undă mare.

Să determinăm lungimea de undă de Broglie a unui electron accelerat de o diferență de potențial de 100 V.

Domnișoară,

Din exemplul de mai sus, se poate observa că un electron poate corespunde unei lungimi de undă de ordinul . Deși acestea sunt unde foarte scurte, ele pot fi detectate experimental: distanțele interatomice dintr-un cristal de același ordin de mărime () și atomii de cristal distanțați în mod regulat pot fi utilizați ca rețea de difracție, ca în cazul razelor X. Deci, dacă ipoteza lui Louis de Broglie este corectă, atunci, după cum a subliniat Einstein, pentru electroni, trebuie observat un fenomen de difracție.

Să luăm un moment și să facem un experiment de gândire. Să direcționăm un fascicul paralel de electroni monoenergetici (adică, având aceeași energie cinetică) către un obstacol cu ​​două fante înguste (Fig. 3.6) și să plasăm o placă fotografică (Fp) în spatele obstacolului.

În primul rând, închideți a doua fantă și expuneți pentru timp t. Înnegrirea pe FP prelucrată va fi caracterizată prin curba 1, fig. 3.6b. Apoi închidem prima fantă și expunem a doua placă fotografică. Natura înnegririi este transmisă în acest caz prin curba 2 (Fig. 3.6, b). În cele din urmă, deschideți ambele fante și expuneți timp t a treia farfurie. Modelul de înnegrire obținut în acest din urmă caz ​​este prezentat în Fig. 3.6, c. Această imagine nu este deloc echivalentă cu poziția primelor două. Cum poate deschiderea celei de-a doua fante să afecteze acei electroni care par să fi trecut prin cealaltă fante? Imaginea rezultată (Fig. 3.6, c) se dovedește a fi similară cu imaginea obținută prin interferența a două unde luminoase coerente. Natura imaginii indică faptul că mișcarea fiecărui electron este influențată de ambele găuri. O astfel de concluzie este incompatibilă cu ideea de traiectorii. Dacă un electron s-ar afla într-un anumit punct din spațiu în fiecare moment și s-ar deplasa de-a lungul unei traiectorii, ar trece printr-o anumită gaură - prima sau a doua. Fenomenul de difracție demonstrează că ambele găuri participă la trecerea fiecărui electron - atât primul, cât și al doilea.

Prin urmare, difracția electronilor și a altor microparticule demonstrează validitatea ipotezei lui Louis de Broglie și confirmă dualismul undelor corpusculare a microparticulelor de materie. .

Efectul Compton și efectul fotoelectric confirmă natura corpusculară a luminii. Lumina se comportă ca un flux de particule - fotoni. Atunci cum poate o particulă să prezinte proprietățile inerente undelor clasice? La urma urmei, o particulă poate trece fie prin una, fie prin cealaltă fante. Cu toate acestea, interferența luminii din două fante este cunoscută (experimentul lui Young). Astfel, am ajuns la un paradox - lumina are atât proprietățile corpusculilor, cât și proprietățile undelor. Prin urmare, ei spun că lumina este caracterizată de dualismul undelor corpusculare.

Contrastarea proprietăților cuantice și ondulatorii ale luminii una cu cealaltă este eronată. Proprietățile continuității câmpului electromagnetic al unei unde luminoase nu exclud proprietățile discretității, caracteristice cuantelor de lumină - fotoni. Lumina are simultan proprietățile undelor electromagnetice continue și proprietățile fotonilor discreti. Ea reprezintă unitatea dialectică a acestor proprietăți. Pe măsură ce lungimea de undă scade, proprietățile cuantice ale luminii devin din ce în ce mai distincte (aceasta este legată, de exemplu, de existența limitei roșii a efectului fotoelectric). Proprietățile de undă ale radiației cu unde scurte sunt foarte slabe (de exemplu, difracția în raze X). În radiațiile cu lungime de undă lungă, însă, proprietățile cuantice se manifestă slab, iar rolul principal îl au proprietățile undei.

Relația dintre proprietățile undei corpusculare ale luminii este explicată printr-o abordare statistică a studiului propagării luminii. Lumina este un flux de particule discrete - fotoni, în care sunt localizate energia, impulsul și masa radiației. Interacțiunea fotonilor cu materia la trecerea printr-un sistem optic duce la o redistribuire a fotonilor în spațiu și la apariția unui model de difracție. În acest caz, pătratul amplitudinii unei unde luminoase în orice punct din spațiu este o măsură a probabilității ca fotonii să lovească acest punct.

Astfel, proprietățile corpusculare ale luminii sunt legate de faptul că energia, masa și impulsul radiației sunt localizate în fotoni discreti, iar proprietățile undelor sunt legate de legile statistice ale distribuției fotonilor în spațiu.

Cursul 4

2.Natura corpusculară duală a particulelor de materie

2.1. Ipoteza lui De Broglie

În 1924, fizicianul francez Louis de Broglie a înaintat o ipoteză conform căreia mișcarea unui electron, sau a oricărei alte particule, este asociată cu un proces ondulatoriu. Lungimea de undă a acestui proces:

si frecventa ω = E/ħ, adică Dualismul undelor corpusculare este inerent tuturor particulelor fără excepție.

Dacă particula are energie cinetică E, atunci corespunde lungimii de undă de Broglie:

Pentru un electron accelerat de o diferență de potențial
, energie kinetică
, și lungimea de undă

A. (2.1)

Experimentele lui Davisson și Germer (1927). Ideea din spatele experimentelor lor a fost următoarea. Dacă fasciculul de electroni are proprietăți de undă, atunci ne putem aștepta, chiar și fără a cunoaște mecanismul de reflexie al acestor unde, ca reflexia lor din cristal să aibă același caracter de interferență ca cel al razelor X.

ÎN o serie de experimente realizate de Davisson și Germer pentru a detecta maximele de difracție (dacă există) a măsurat tensiunea de accelerare a electronilor și simultan poziția detectorului D (contor de electroni reflectați). În experiment, a fost folosit un singur cristal de nichel (sistem cubic), măcinat așa cum se arată în Fig. 2.1.

Dacă este rotit în jurul axei verticale într-o poziție corespunzătoare modelului, atunci în această poziție suprafața solului este acoperită cu rânduri regulate de atomi perpendiculare pe planul de incidență (planul modelului), distanța dintre care d= 0,215 nm.

D detectorul a fost deplasat în planul de incidență prin modificarea unghiului θ. La un unghi θ = 50° și tensiunea de accelerare U= 54V a fost observat un maxim deosebit de distinct de electroni reflectați, a cărui diagramă polară este prezentată în Fig. 2.2.

Acest maxim poate fi interpretat ca un maxim de interferență de ordinul întâi dintr-un rețeau de difracție plat cu o perioadă

, (2.2)

care se poate observa din Fig.2.3. În această figură, fiecare punct gros este o proiecție a unui lanț de atomi situat pe o linie dreaptă perpendiculară pe planul figurii. Perioadă d poate fi măsurat independent, de exemplu prin difracție de raze X.

ÎN calculată prin formula (2.1) lungimea de undă de Broglie pentru U= 54V este egal cu 0,167 nm. Lungimea de undă corespunzătoare, găsită din formula (2.2), este 0,165 nm. Acordul este atât de bun încât rezultatul obținut ar trebui recunoscut ca o confirmare convingătoare a ipotezei lui de Broglie.

O altă serie de experimente ale lui Davisson și Germer a constat în măsurarea intensității eu fascicul de electroni reflectat la un unghi de incidență dat, dar la valori diferite ale tensiunii de accelerare U.

Teoretic, în acest caz ar trebui să apară maxime de reflexie a interferenței, similare cu reflexia razelor X dintr-un cristal. Ca urmare a difracției radiației incidente de către atomi, unde emană din diferite planuri cristaline ale cristalului, de parcă ar fi experimentat o reflexie în oglindă din aceste planuri. Aceste unde se întăresc reciproc în timpul interferenței dacă este îndeplinită condiția Bragg-Wulf:

, m=1,2,3,…, (2.3)

Unde d - distanta interplanara, α - unghi de alunecare.

H amintiți-vă derivarea acestei formule. Din fig. 2.4 se poate observa că diferența dintre traseele a două unde, 1 și 2, reflectată specular din straturile atomice vecine, ABC =
. În consecință, direcțiile în care apar maximele de interferență sunt determinate de condiția (2.3).

Acum să înlocuim expresia (2.1) pentru lungimea de undă de Broglie în formula (2.3). Deoarece valorile lui α și d experimentatorii lăsați neschimbați, din formula (2.3) rezultă că

~T, (2.4)

acestea. valorile
, la care se formează maximele de reflexie, ar trebui să fie proporționale cu numerele întregi T= 1, 2, 3, ..., cu alte cuvinte, să fie la aceeași distanță unul de celălalt.

E Acest lucru a fost verificat experimental, ale cărui rezultate sunt prezentate în Fig. 2. 5, unde U prezentate în volți. Se poate observa că intensitatea maximă eu sunt aproape echidistante unul de celălalt (aceeași imagine apare și în difracția razelor X din cristale).

Rezultatele obținute de Davisson și Germer susțin puternic ipoteza lui de Broglie. În termeni teoretici, după cum am văzut, analiza difracției undelor de Broglie coincide complet cu difracția razelor X.

Astfel, natura dependenței (2.4) a fost confirmată experimental, dar a existat o oarecare discrepanță cu predicțiile teoriei. Și anume, între pozițiile maximelor experimentale și teoretice (cele din urmă sunt prezentate prin săgeți în Fig. 2.5), există o discrepanță sistematică, care scade odată cu creșterea tensiunii de accelerare. U. Această discrepanță, așa cum sa dovedit mai târziu, se datorează faptului că, la derivarea formulei Bragg-Wulf, nu a fost luată în considerare refracția undelor de Broglie.

Pe refracția undelor de Broglie. Indicele de refracție P undele de Broglie, precum și undele electromagnetice, sunt determinate de formula

, (2.5)

Unde Și - vitezele de fază ale acestor unde în vid și mediu (cristal).

Viteza de fază a undei de Broglie este o mărime fundamental neobservabilă. Prin urmare, formula (2.5) trebuie transformată astfel încât indicele de refracție P ar putea fi exprimat prin raportul cantităților măsurate. Acest lucru se poate face în felul următor. Prin definiție, viteza de fază

, (2.6)

Unde k - numărul valului. Presupunând, în mod similar fotonilor, că frecvența undelor de Broglie nu se schimbă nici la trecerea interfeței dintre medii (dacă o astfel de presupunere este nedreaptă, atunci experiența va indica inevitabil acest lucru), reprezentăm (2.5) cu (2.6) luate în considerare în formular

(2.7)

P căzând din vid într-un cristal (metal), electronii se găsesc într-un puț de potențial. Aici energia lor cinetică crește cu „adâncimea” puțului de potențial (Fig. 2.6). Din formula (2.1), unde
, urmează că λ~
Prin urmare, expresia (2.7) poate fi rescrisă după cum urmează:

(2.8)

Unde U 0 - potenţialul intern cristal. Se vede că cu atât mai mult U (relativ ), teme P mai aproape de unitate. Prin urmare P se manifestă mai ales la mic U, iar formula Bragg-Wulf ia forma

(2.9)

Să ne asigurăm că formula Bragg-Wulf (2.9), luând în considerare refracția, explică într-adevăr pozițiile maximelor de intensitate
în fig. 2.5. Înlocuirea în (2.9) PȘi λ conform formulelor (2.8) și (2.1) prin expresiile lor în termenii diferenței de potențial accelerator U, acestea.

(2.11)

Acum luăm în considerare că distribuția
în Figura 2.5 obţinut pentru nichel la valori U 0=15V, d= 0,203 nm și α =80°. Atunci (2.11) după transformări simple poate fi rescrisă după cum urmează:

(2.12)

Calculați valoarea folosind această formulă
, de exemplu, pentru un maxim de ordinul al treilea ( m= 3), pentru care discrepanța cu formula Bragg-Wulf (2.3) sa dovedit a fi cea mai mare:

Coincidența cu poziția reală a maximului de ordinul 3 nu necesită comentarii.

Deci, experimentele lui Davisson și Germer ar trebui recunoscute ca o confirmare strălucitoare a ipotezei lui de Broglie.

Experimentele lui Thomson și Tartakovsky. În aceste experimente, un fascicul de electroni a fost trecut printr-o folie policristalină (conform metodei Debye în studiul difracției de raze X). Ca și în cazul razelor X, pe o placă fotografică situată în spatele foliei a fost observat un sistem de inele de difracție. Asemănarea ambelor tablouri este izbitoare. Suspiciunea că sistemul acestor inele este generat nu de electroni, ci de radiația secundară de raze X rezultată din incidența electronilor pe folie, este ușor de disipat dacă se creează un câmp magnetic în calea electronilor împrăștiați (aduceți un magnet). Nu afectează razele X. Acest tip de test a arătat că modelul de interferență a fost imediat distorsionat. Acest lucru indică clar că avem de-a face cu electroni.

G. Thomson a efectuat experimente cu rapid electroni (zeci de keV), II.C. Tarkovski - relativ încet electroni (până la 1,7 keV).

Experimente cu neutroni și molecule. Pentru observarea cu succes a difracției undelor de către cristale, este necesar ca lungimea de undă a acestor unde să fie comparabilă cu distanțele dintre nodurile rețelei cristaline. Prin urmare, pentru a observa difracția particulelor grele, este necesar să se utilizeze particule cu viteze suficient de mici. Au fost efectuate experimente corespunzătoare privind difracția neutronilor și a moleculelor la reflexia din cristale și, de asemenea, au confirmat pe deplin ipoteza lui de Broglie atunci când este aplicată și particulelor grele.

Datorită acestui fapt, s-a dovedit experimental că proprietățile undelor sunt o proprietate universală toate particule. Ele nu sunt cauzate de nicio caracteristică a structurii interne a unei anumite particule, ci reflectă legea lor generală de mișcare.

DESPRE teste cu electroni unici. Experimentele descrise mai sus au fost efectuate folosind fascicule de particule. Prin urmare, apare o întrebare firească: proprietățile undelor observate exprimă proprietățile unui fascicul de particule sau ale particulelor individuale?

Pentru a răspunde la această întrebare, V. Fabrikant, L. Biberman și N. Sushkin au efectuat experimente în 1949 în care fasciculele de electroni erau atât de slabe încât fiecare electron trecea prin cristal unul câte unul și fiecare electron împrăștiat a fost înregistrat de o placă fotografică. S-a dovedit că electronii individuali au căzut în diverse puncte plăci fotografice într-un mod complet aleatoriu la prima vedere (Fig. 2.7, a). Între timp, cu o expunere suficient de lungă, pe placa fotografică a apărut un model de difracție (Fig. 2.7, b), absolut identic cu modelul de difracție de la un fascicul de electroni convențional. Așa că s-a dovedit că particulele individuale au și proprietăți de undă.

Astfel, avem de-a face cu micro-obiecte care au simultan atât proprietăți corpusculare cât și ondulatorii. Acest lucru ne permite să vorbim mai departe despre electroni, dar concluziile la care ajungem au un sens complet general și sunt la fel de aplicabile oricăror particule.

Din formula lui de Broglie a rezultat că proprietățile undelor ar trebui să fie inerente oricărei particule dintr-o substanță care are masă și viteză. . În 1929 Experimentele lui Stern au demonstrat că formula de Broglie este valabilă și pentru fasciculele de atomi și molecule. El a obținut următoarea expresie pentru lungimea de undă:

Ǻ,

Unde μ este masa molară a substanței, N A este numărul lui Avogadro, R este constanta universală a gazului, T- temperatura.

Când fasciculele de atomi și molecule sunt reflectate de pe suprafețele solidelor, trebuie observate fenomene de difracție, care sunt descrise prin aceleași relații ca și un rețeau de difracție plat (bidimensional). Experimentele au arătat că, pe lângă particulele împrăștiate la un unghi egal cu unghiul de incidență, există maxime ale numărului de particule reflectate la alte unghiuri determinate de formulele unui rețele de difracție bidimensionale.

Formulele lui De Broglie s-au dovedit a fi valabile și pentru neutroni. Acest lucru a fost confirmat de experimente privind difracția neutronilor pe receptori.

Astfel, prezența proprietăților undei în particulele în mișcare cu o masă în repaus este un fenomen universal care nu este asociat cu nici un specific al particulei în mișcare.

Absența proprietăților undelor în corpurile macroscopice este explicată după cum urmează. La fel ca rolul jucat de viteza luminii în deciderea aplicabilității mecanicii newtoniene (nerelativiste), există un criteriu care arată în ce cazuri ne putem limita la conceptele clasice. Acest criteriu este legat de constanta lui Planck ħ. Dimensiunea fizică ħ este egal ( energie)X( timp), sau ( impuls)X( lungime), sau (momentul impulsului). Se numește o cantitate cu această dimensiune acțiune. Constanta lui Planck este cuantumul de acțiune.

Dacă în aceasta sistem fizic valoarea unei mărimi caracteristice H Cu dimensiunea acțiunii este comparabilă cu ħ , atunci comportamentul acestui sistem poate fi descris doar în termeni de teorie cuantică. Dacă valoarea H foarte mare comparativ cu ħ , atunci comportamentul sistemului este descris cu mare precizie de legile fizicii clasice.

Rețineți, totuși, că acest criteriu este aproximativ. Indică doar când să fii atent. Miciune de acțiune H nu indică întotdeauna inaplicabilitatea completă a abordării clasice. În multe cazuri, poate oferi o idee calitativă a comportamentului sistemului, care poate fi rafinată folosind abordarea cuantică.

Conţinut.

1. Introducere.
2. Proprietățile undei ale luminii.

a) dispersie.

b) Difracția.

c) Polarizare

1. Proprietățile cuantice ale luminii.

a) efect fotoelectric.

b) Efectul Compton.

5. Concluzie.

6. Lista literaturii folosite.

Introducere.

Deja în antichitate au fost conturate trei abordări principale pentru rezolvarea problemei naturii luminii. Aceste trei abordări s-au conturat ulterior în două teorii concurente - teoriile corpusculare și ondulatorii ale luminii.

Majoritatea covârșitoare a filozofilor și oamenilor de știință antici considerau lumina ca un fel de raze care leagă corpul luminos și ochiul uman. În același timp, unii dintre ei credeau că razele provin din ochii unei persoane, ei, parcă, simt obiectul în cauză. Acest punct de vedere a avut un număr mare de adepți, printre care și Euclid. Formularea primei legi a opticii geometrice, legea propagării rectilinie a luminii,Euclid a scris: „Razele emise de ochi se propagă pe o cale dreaptă”. Aceeași viziune a fost susținută de Ptolemeu și de mulți alți oameni de știință și filozofi.

Cu toate acestea, mai târziu, deja în Evul Mediu, o astfel de idee despre natura luminii își pierde sensul. Din ce în ce mai puțini oameni de știință urmează aceste opinii. Și până la începutul secolului al XVII-lea. acest punct de vedere poate fi considerat deja uitat. Alții, dimpotrivă, credeau că razele sunt emise de un corp luminos și, ajungând la ochiul uman, poartă amprenta unui obiect luminos. Acest punct de vedere a fost susținut de atomiștii Democrit, Epicur, Lucretius.

Ultimul punct de vedere asupra naturii luminii mai târziu, în secolul al XVII-lea, a luat contur în teoria corpusculară a luminii, conform căreia lumina este un flux de particule emise de un corp luminos.

Al treilea punct de vedere asupra naturii luminii a fost exprimat de Aristotel. El a considerat lumina ca o acțiune sau mișcare care se propagă în spațiu (într-un mediu). Puțini oameni împărtășeau părerea lui Aristotel în vremea lui. Dar mai târziu, din nou în secolul al XVII-lea, punctul său de vedere a fost dezvoltat și a pus bazele teoriei ondulatorii a luminii.

Până la mijlocul secolului al XVII-lea s-au acumulat fapte care au împins gândirea științifică dincolo de limitele opticii geometrice. Unul dintre primii oameni de știință care a împins gândirea științifică la teoria naturii ondulatorii a luminii a fost omul de știință ceh Marci. Opera sa este cunoscută nu numai în domeniul opticii, ci și în domeniul mecanicii și chiar al medicinei. În 1648 a descoperit fenomenul de dispersie a luminii.

În secolul al XVII-lea În legătură cu dezvoltarea opticii, problema naturii luminii a început să trezească tot mai mult interes. În același timp, se formează treptat două teorii opuse ale luminii: corpusculară și ondulatorie. A existat un teren mai favorabil pentru dezvoltarea teoriei corpusculare a luminii. Într-adevăr, pentru optica geometrică, ideea că lumina este un flux de particule speciale era destul de naturală. Propagarea rectilinie a luminii, precum și legile reflexiei și refracției au fost bine explicate din punctul de vedere al acestei teorii.

De asemenea, ideea generală a structurii materiei nu a intrat în conflict cu teoria corpusculară a luminii. La acea vreme, opiniile asupra structurii materiei se bazau pe atomistică. Toate corpurile sunt formate din atomi. Există spațiu gol între atomi. În special, atunci s-a crezut că spațiul interplanetar este gol. În ea, lumina din corpurile cerești se propagă sub formă de fluxuri de particule de lumină. Prin urmare, este destul de firesc ca în secolul al XVII-lea. au fost mulți fizicieni care au aderat la teoria corpusculară a luminii. În același timp, conceptul de natura ondulatorie a luminii a început să se dezvolte. Descartes poate fi considerat fondatorul teoriei ondulatorii a luminii.

Unitatea proprietăților corpusculare și ondulatorii ale radiației electromagnetice.

Fenomenele luate în considerare în această secțiune - radiația corpului negru, efectul fotoelectric, efectul Compton - servesc ca dovadă a ideilor cuantice (corpusculare) despre lumină ca flux de fotoni. Pe de altă parte, fenomene precum interferența, difracția și polarizarea luminii confirmă în mod convingător natura ondulatorie (electromagnetică) a luminii. În cele din urmă, presiunea și refracția luminii sunt explicate atât prin teoriile undelor, cât și prin teoriile cuantice. Prin urmare, radiatie electromagnetica dezvăluie o unitate uimitoare de proprietăți aparent care se exclud reciproc - continue (valuri) și discrete (fotoni), care se completează reciproc.

O analiză mai detaliată a fenomenelor optice duce la concluzia că proprietățile continuității, caracteristice câmpului electromagnetic al unei unde luminoase, nu trebuie să fie opuse proprietăților discretității, caracteristice unui foton. Lumina, având proprietăți atât corpusculare, cât și ondulatorii, dezvăluie anumite regularități în manifestarea lor. Astfel, proprietățile de undă ale luminii se manifestă în legile propagării sale, interferențe, difracție, polarizare și corpusculare - în procesele de interacțiune a luminii cu materia. Cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât energia și impulsul fotonului sunt mai mici și cu atât este mai dificilă detectarea proprietăților cuantice ale luminii (de exemplu, existența marginii roșii a efectului fotoelectric este legată de aceasta). Dimpotrivă, cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât energia și impulsul fotonului sunt mai mari și cu atât este mai dificil să se detecteze proprietățile undei (de exemplu, proprietățile undei (difracția) razelor X au fost descoperite numai după ce au fost folosite cristale. ca rețea de difracție).

Relația dintre proprietățile duble ale undelor corpusculare ale luminii poate fi explicată dacă, așa cum o face optica cuantică, se folosește o abordare statistică pentru a lua în considerare legile care guvernează luarea în considerare a luminii. De exemplu, difracția luminii printr-o fantă constă în faptul că atunci când lumina trece printr-o fantă, fotonii sunt redistribuiți în spațiu. Deoarece probabilitatea ca fotonii să lovească diferite puncte ale ecranului nu este aceeași, apare un model de difracție. Iluminarea ecranului este proporțională cu probabilitatea de a lovi fotonii pe unitatea de suprafață a ecranului. Pe de altă parte, conform teoriei undelor, iluminarea este proporțională cu pătratul amplitudinii undei luminoase în același punct de pe ecran. Prin urmare, pătratul amplitudinii unei unde luminoase într-un punct dat din spațiu este o măsură a probabilității ca fotonii să lovească acel punct.

Proprietățile undei ale luminii.

1.1 Dispersia.

Newton s-a orientat către studiul culorilor observate prin refracția luminii în legătură cu încercările de a îmbunătăți telescoapele. În efortul de a obține cele mai bune lentile posibile, Newton s-a convins că principalul dezavantaj al imaginilor este prezența marginilor colorate. Investigand colorarea refractivă, Newton a făcut cele mai mari descoperiri optice ale sale.

Esența descoperirilor lui Newton este explicată prin următoarele experimente (Fig. 1) lumina de la un felinar luminează o gaură îngustă S (decalaj). Cu o lentilă L imaginea fantei se obține pe ecran MN sub forma unui dreptunghi alb scurt S `. Prin plasarea unei prisme în cale P , a carui margine este paralela cu fanta, vom constata ca imaginea fantei se va deplasa si se va transforma intr-o dunga colorata, tranzitiile de culoare in care de la rosu la violet sunt asemanatoare cu cele observate in curcubeu. Această imagine curcubeu a numit-o Newton spectru.

Dacă acoperiți golul cu sticlă colorată, de exemplu. dacă este îndreptată către o prismă în loc de lumină albă culoare, imaginea fantei va fi redusă la un dreptunghi colorat situat în locul corespunzător din spectru, adică. în funcție de culoare, lumina se va abate în unghiuri diferite față de imaginea originală S `. Observația descrisă arată că razele de culori diferite sunt refractate diferit de o prismă.

Newton a verificat această concluzie importantă prin multe experimente. Cea mai importantă dintre ele a constat în determinarea indicelui de refracție al razelor de diferite culori extrase din spectru. În acest scop, pe ecran MN , pe care se obține spectrul, s-a tăiat o gaură; prin deplasarea ecranului, era posibil să se elibereze prin orificiu un fascicul îngust de raze de o culoare sau alta. Această metodă de evidențiere a razelor omogene este mai perfectă decât evidențierea cu sticlă colorată. Experimentele au arătat că un astfel de fascicul selectat, refractat în a doua prismă, nu mai întinde banda. Un astfel de fascicul corespunde unui anumit indice de refracție, a cărui valoare depinde de culoarea fasciculului selectat.

Experimentele descrise arată că pentru un fascicul colorat îngust izolat din spectru, indicele de refracție are o valoare bine definită, în timp ce refracția luminii albe poate fi caracterizată doar aproximativ printr-o singură valoare a acestui indice. Comparând observații similare, Newton a concluzionat că există culori simple care nu se descompun la trecerea printr-o prismă și culori complexe care reprezintă un set de culori simple care au indici de refracție diferiți. În special, lumina soarelui este o astfel de combinație de culori care, cu ajutorul unei prisme, se descompune, dând o imagine spectrală a unei fante.

Astfel, principalele experimente ale lui Newton au cuprins două descoperiri importante:

1) Lumina de culori diferite este caracterizată de indici diferiți de refracție într-o anumită substanță (dispersie).

2) Albul este o colecție de culori simple.

Acum știm că diferite culori corespund diferitelor lungimi de undă ale luminii. Prin urmare, prima descoperire a lui Newton poate fi formulată după cum urmează:

Indicele de refracție al unei substanțe depinde de lungimea de undă a luminii.

De obicei crește pe măsură ce lungimea de undă scade.

1.2 Difracția.

O undă luminoasă nu schimbă forma geometrică a frontului atunci când se propagă într-un mediu omogen. Cu toate acestea, dacă propagarea luminii se realizează într-un mediu neomogen, în care, de exemplu, există ecrane netransparente, regiuni ale spațiului cu o modificare relativ bruscă a indicelui de refracție etc., atunci o distorsiune a undei se observă front. În acest caz, intensitatea undei luminoase este redistribuită în spațiu. La iluminarea, de exemplu, a ecranelor opace cu o sursă de lumină punctuală la marginea umbrei, unde, conform legilor opticii geometrice, ar fi trebuit să existe o tranziție bruscă de la umbră la lumină, o serie de benzi întunecate și luminoase sunt observat, iar o parte din lumină pătrunde în regiunea umbrei geometrice. Aceste fenomene sunt legate de difracția luminii.

Deci, difracția luminii în sens restrâns este fenomenul de îndoire a luminii în jurul conturului corpurilor opace și a luminii care cade în regiunea unei umbre geometrice; în sens larg – orice abatere în propagarea luminii de la legile opticii geometrice.

Definiția lui Sommerfeld: Sub difracția luminii se înțelege orice abatere de la propagarea rectilinie, dacă nu poate fi explicată ca rezultat al reflexiei, refracției sau îndoirii razelor de lumină în medii cu un indice de refracție în continuă schimbare.

Dacă mediul are particule minuscule(ceață) sau indicele de refracție se modifică vizibil la distanțe de ordinul unei lungimi de undă, atunci în aceste cazuri se vorbește de împrăștiere a luminii și nu se folosește termenul de „difracție”.

Există două tipuri de difracție a luminii. Când studiem modelul de difracție la un punct de observație situat la o distanță finită de un obstacol, avem de-a face cu difracția Fresnel. Dacă punctul de observație și sursa de lumină sunt situate atât de departe de obstacol încât razele care intră pe obstacol și razele care merg spre punctul de observare pot fi considerate fascicule paralele, atunci se vorbește de difracție în raze paralele - difracția Fraunhofer.

Teoria difracției ia în considerare procesele undelor în cazurile în care există obstacole în calea de propagare a undelor.

Folosind teoria difracției, ele rezolvă probleme precum protecția împotriva zgomotului folosind ecrane acustice, propagarea undelor radio pe suprafața Pământului, funcționarea instrumentelor optice (deoarece imaginea dată de lentilă este întotdeauna un model de difracție), măsurători de calitate a suprafeței. , studiul structurii materiei și multe altele.

1.3 Polarizare

Fenomenele de interferență și difracție, care au servit la fundamentarea naturii ondulatorii a luminii, nu oferă încă o imagine completă a naturii undelor luminoase. Caracteristici noi ne sunt dezvăluite prin experiența trecerii luminii prin cristale, în special prin turmalină.

Luați două plăci dreptunghiulare identice de turmalină, tăiate astfel încât una dintre laturile dreptunghiului să coincidă cu o anumită direcție în interiorul cristalului, care se numește axa optică. Să punem o farfurie pe alta, astfel încât axele lor să coincidă în direcție și să lăsăm un fascicul îngust de lumină de la un felinar sau un soare să treacă prin perechea de plăci pliate. Deoarece turmalina este un cristal maro-verde, urma fasciculului de întâlnire de pe ecran va apărea ca o pată verde închis. Să începem să întoarcem una dintre plăci în jurul grinzii, lăsând-o pe a doua nemișcată. Vom constata că urma fasciculului devine mai slabă, iar când placa se rotește cu 90 0 , aceasta dispare cu totul. Odată cu rotirea în continuare a plăcii, fasciculul transmis va începe să crească din nou și să atingă intensitatea anterioară atunci când placa se rotește prin 180 0 , adică. când axele optice ale plăcilor sunt din nou paralele. Odată cu rotirea în continuare a turmalinei, fasciculul slăbește din nou.

Toate fenomenele observate pot fi explicate dacă se trag următoarele concluzii.

Vibrațiile luminii din fascicul sunt direcționate perpendicular pe linia de propagare a luminii (undele luminoase sunt transversale).

Turmalina este capabilă să transmită vibrații luminoase numai atunci când acestea sunt direcționate într-un anumit mod față de axa sa.

În lumina unui felinar (soare), sunt prezente vibrații transversale de orice direcție și, în plus, în aceeași proporție, astfel încât niciuna dintre direcții nu este predominantă.

Concluzia 3 explică de ce lumina naturală trece prin turmalină în aceeași măsură în orice orientare, deși turmalina, conform concluziei 2, este capabilă să transmită vibrațiile luminii doar într-o anumită direcție. Trecerea luminii naturale prin turmalina duce la faptul ca doar acele vibratii care pot fi transmise de turmalina sunt selectate din vibratiile transversale. Prin urmare, lumina care trece prin turmalina va fi un set de vibrații transversale într-o direcție, determinate de orientarea axei turmalinei. O astfel de lumină o vom numi polarizat liniar, iar planul care conține direcția de oscilație și axa fasciculului luminos va fi numit plan de polarizare.

Acum devine clar experimentul cu trecerea luminii prin două plăci de turmalină așezate succesiv. Prima placă polarizează fasciculul de lumină care trece prin ea, lăsând în ea o singură direcție de oscilație. Aceste vibratii pot trece complet prin a doua turmalina numai daca directia lor coincide cu directia vibratiilor transmise de a doua turmalina, i.e. când axa sa este paralelă cu axa primului. Daca directia vibratiilor in lumina polarizata este perpendiculara pe directia vibratiilor transmise de a doua turmalina, atunci lumina va fi complet blocata. Dacă direcţia de oscilaţie în lumina polarizată este colt ascutit cu direcția trecută de turmalină, vibrațiile vor fi doar parțial ratate.

Proprietățile cuantice ale luminii.

2.1 Efect fotoelectric.

Ipoteza lui Planck despre cuante a servit drept bază pentru explicarea fenomenului efectului fotoelectric, descoperit în 1887. Fizicianul german Heinrich Hertz.

Fenomenul efectului fotoelectric este detectat la iluminarea unei plăci de zinc conectată la tija unui electrometru. Dacă o sarcină pozitivă este transferată pe placă și tijă, atunci electrometrul nu se descarcă atunci când placa este iluminată. Când o sarcină electrică negativă este transmisă plăcii, electrometrul este descărcat imediat ce lovește placa. radiații ultraviolete. Acest experiment demonstrează că sarcinile electrice negative pot fi eliberate de pe suprafața unei plăci de metal sub acțiunea luminii. Măsurătorile sarcinii și masei particulelor ejectate de lumină au arătat că aceste particule sunt electroni.

Există mai multe tipuri de efecte fotoelectrice: efect fotoelectric extern și intern, efect fotoelectric de supapă și o serie de alte efecte.

Efectul fotoelectric extern este fenomenul de extragere a electronilor dintr-o substanță sub acțiunea luminii care cade asupra acesteia.

Efectul fotoelectric intern este apariția electronilor liberi și a găurilor într-un semiconductor ca urmare a ruperii legăturilor dintre atomi din cauza energiei luminii incidente pe semiconductor.

Efectul fotoelectric de poartă este apariția unei forțe electromotoare sub acțiunea luminii într-un sistem care conține contactul a doi semiconductori diferiți sau un semiconductor și un metal.

2.2 Efectul Compton.

Cele mai complete proprietăți corpusculare ale luminii se manifestă în efectul Compton. Fizicianul american A. Compton (1892-1962), în 1923, studiind împrăștierea radiațiilor monocromatice de raze X de către substanțe cu atomi de lumină (parafină, bor), a descoperit că în compoziția radiației împrăștiate, împreună cu radiația de se observă și radiația cu lungimea de undă inițială, cu lungime de undă mai mare.

Efectul Compton se numește împrăștiere elastică a radiațiilor electromagnetice cu undă scurtă (raze X și radiații gamma) pe electronii liberi (sau slab legați) ai unei substanțe, însoțită de o creștere a lungimii de undă. Acest efect nu se încadrează în cadrul teoriei undelor, conform căreia lungimea de undă nu ar trebui să se schimbe în timpul împrăștierii: sub acțiunea unui câmp periodic al unei unde luminoase, un electron oscilează cu frecvența câmpului și, prin urmare, emite unde împrăștiate. de aceeasi frecventa.

Explicația efectului Compton este dată pe baza conceptelor cuantice ale naturii luminii. Dacă presupunem, așa cum face teoria cuantică, că radiația este de natură corpusculară.

Efectul Compton este observat nu numai asupra electronilor, ci și asupra altor particule încărcate, cum ar fi protonii, cu toate acestea, datorită masei mari a protonului, recul acestuia este „vizibil” doar atunci când fotonii de energii foarte mari sunt împrăștiați.

Atât efectul Compton, cât și efectul fotoelectric bazat pe concepte cuantice se datorează interacțiunii fotonilor cu electronii. În primul caz, fotonul este împrăștiat, în al doilea, este absorbit. Difuzarea are loc atunci când un foton interacționează cu electronii liberi, iar efectul fotoelectric are loc atunci când interacționează cu electronii legați. Se poate demonstra că atunci când un foton se ciocnește cu electronii liberi, absorbția unui foton nu poate avea loc, deoarece aceasta este în conflict cu legile conservării impulsului și energiei. Prin urmare, atunci când fotonii interacționează cu electronii liberi, se poate observa doar împrăștierea lor, adică. Efectul Compton.

Concluzie.

Deci, lumina este corpusculară în sensul că energia, impulsul, masa și spinul ei sunt localizate în fotoni și nu sunt estompate în spațiu, dar nu în sensul că un foton poate fi localizat într-un loc dat, precis definit în spațiu. Lumina se comportă ca o undă în sensul că propagarea și distribuția fotonilor în spațiu sunt probabiliste: probabilitatea ca un foton să se afle într-un punct dat este dată de pătratul amplitudinii în acel punct. Dar natura probabilistică (undă) a distribuției fotonilor în spațiu nu înseamnă că un foton se află într-un anumit punct în fiecare moment de timp.

Astfel, lumina combină continuitatea undelor și discretitatea particulelor. Dacă luăm în considerare faptul că fotonii există doar atunci când se mișcă (cu o viteză c), atunci ajungem la concluzia că atât proprietățile ondulatorii, cât și cele corpusculare sunt simultan inerente luminii. Dar în unele fenomene, în anumite condiții, fie undă, fie proprietăți corpusculare joacă rolul principal, iar lumina poate fi considerată fie ca undă, fie ca particule (corpuscule).

Lista literaturii folosite.

1) A.A. Detlaf B.M. Yavorsky „Cursul de fizică” ed. " facultate» 2000

2) T.I. Trofimov „Curs de fizică” ed. „Liceu” 2001

3) H. Kuhling „Manualul de fizică” ed. „Pace” 1982

4) Gursky I.P. " fizica elementara» ed. I.V. Saveleva 1984

5) Tarasov L.V., Tarasova A.N. „Convorbiri despre refracția luminii” / ed. V.A.

Fabricant, ed. „Știință”, 1982.

Dacă ai crezut că ne-am scufundat în uitare cu subiectele noastre năucitoare, atunci ne grăbim să te supărăm și să-ți facem plăcere: te-ai înșelat! De fapt, în tot acest timp am încercat să găsim o metodă acceptabilă de prezentare a subiectelor nebunești legate de paradoxurile cuantice. Am scris mai multe ciorne, dar toate au fost aruncate în frig. Pentru că atunci când vine vorba de explicarea glumelor cuantice, noi înșine suntem confuzi și admitem că nu înțelegem multe (și într-adevăr, puțini oameni înțeleg această chestiune, inclusiv cei mai buni oameni de știință din lume). Din păcate, lumea cuantică este atât de străină de viziunea filistină asupra lumii, încât nu-i este deloc rușine să recunoască neînțelegerea cuiva și să încerce să înțelegi măcar elementele de bază împreună, încetul cu încetul.

Și deși noi, ca de obicei, vom încerca să spunem cât mai multe cu poze de la Google, cititorul neexperimentat va avea nevoie de o pregătire inițială, așa că vă recomandăm să vă uitați la subiectele noastre anterioare, în special despre cuante și materie.
Mai ales pentru științe umaniste și alți interesați - paradoxuri cuantice. Partea 1.

În acest subiect, vom vorbi despre cel mai comun mister al lumii cuantice - dualitatea val-particulă. Când spunem „cel mai obișnuit” ne referim la faptul că fizicienii s-au săturat deja de asta, încât nu pare a fi un mister. Dar asta se datorează faptului că restul paradoxurilor cuantice sunt și mai greu de acceptat de mintea neprofesionistului.

Și așa a fost. Pe vremurile bune, undeva la mijlocul secolului al XVII-lea, Newton și Huygens nu erau de acord că există lumină: Newton a declarat fără rușine că lumina este un flux de particule, iar bătrânul Huygens a încercat să demonstreze că lumina este o undă. Dar Newton era mai autoritar, așa că afirmația sa despre natura luminii a fost acceptată ca adevărată, iar Huygens a fost râs de râs. Și timp de două sute de ani, lumina a fost considerată un flux de particule necunoscute, a căror natură spera odată să o descopere.

La începutul secolului al XIX-lea, un orientalist pe nume Thomas Young s-a amestecat cu instrumente optice - în cele din urmă a luat și a condus un experiment care se numește acum experimentul Young și fiecare fizician consideră această experiență sacră.

Thomas Jung tocmai a direcționat un fascicul de lumină (de aceeași culoare, astfel încât frecvența să fie aproximativ aceeași) prin două fante din placă și a pus o altă placă de ecran în spate. Și a arătat rezultatul colegilor săi. Dacă lumina ar fi un flux de particule, atunci am vedea două benzi de lumină în fundal.
Dar, din nefericire pentru întreaga lume științifică, o serie de dungi întunecate și luminoase au apărut pe ecranul-placă. Un fenomen comun numit interferență este suprapunerea a două (sau mai multe) unde una peste alta.

Apropo, datorită interferențelor observăm revărsări irizate pe o pată de ulei sau pe un balon de săpun.

Cu alte cuvinte, Thomas Jung a demonstrat experimental că lumina sunt unde. Lumea științifică nu a vrut să-l creadă mult timp pe Jung și la un moment dat a fost atât de criticat încât chiar și-a abandonat ideile despre teoria valurilor. Dar neprihănirea de sine a câștigat totuși, iar oamenii de știință au început să considere lumina ca un val. Adevărat, valul a ceea ce - a fost un mister.
Iată, în figură, vechea experiență bună a lui Jung.

Trebuie spus că natura ondulatorie a luminii nu a afectat foarte mult fizica clasică. Oamenii de știință au rescris formulele și au început să creadă că în curând întreaga lume va cădea la picioarele lor sub o singură formulă universală pentru orice.
Dar ai ghicit, Einstein a încurcat lucrurile, ca de obicei. Problema s-a strecurat pe cealaltă parte - la început, oamenii de știință s-au încurcat calculând energia undelor termice și au descoperit conceptul de cuante (asigurați-vă că citiți subiectul nostru corespunzător „”) despre aceasta. Și apoi, cu ajutorul acestor cuante, Einstein a dat o lovitură fizicii, explicând fenomenul efectului fotoelectric.

Pe scurt: efectul fotoelectric (una dintre consecințele căruia este iluminarea filmului) este eliminarea electronilor de pe suprafața anumitor materiale de către lumină. Din punct de vedere tehnic, acest ciocănit se întâmplă ca și cum lumina ar fi o particule. Einstein a numit o particulă de lumină cuantum de lumină, iar mai târziu i s-a dat un nume - un foton.

În 1920, uimitorul efect Compton a fost adăugat teoriei anti-undă a luminii: atunci când un electron este bombardat cu fotoni, fotonul sare de pe electron cu o pierdere de energie („tragem” în albastru, dar zboară deja). roșu), ca o minge de biliard de la alta. Compton a câștigat Premiul Nobel pentru asta.

De data aceasta, fizicienii au avut grijă să nu abandoneze pur și simplu natura ondulatorie a luminii, ci s-au gândit din greu. Știința s-a confruntat cu o ghicitoare terifiantă: lumina este încă o undă sau o particulă?

Lumina, ca orice val, are o frecvență - și aceasta este ușor de verificat. V-om vedea Culori diferite, deoarece fiecare culoare este doar o frecvență diferită a unei unde electromagnetice (luminoase): roșu este o frecvență mică, violet este o frecvență înaltă.
Dar, surprinzător, lungimea de undă lumina vizibila de cinci mii de ori mai mare decât un atom - cum se potrivește un astfel de „lucru” într-un atom atunci când atomul absoarbe această undă? Dacă doar un foton este o particulă comparabilă ca mărime cu un atom. Este un foton și mare și mic în același timp?

În plus, efectul fotoelectric și efectul Compton demonstrează în mod clar că lumina este încă un flux de particule: este imposibil de explicat modul în care o undă transferă energie către electronii localizați în spațiu - dacă lumina ar fi o undă, atunci unii electroni ar fi eliminați. mai târziu decât altele, iar fenomenul nu am observa efectul fotoelectric. Dar în cazul unui flux, un singur foton se ciocnește cu un singur electron și, în anumite condiții, îl scoate din atom.

În cele din urmă, s-a decis că lumina este atât o undă, cât și o particulă. Mai degrabă, nici una, nici alta, ci o nouă formă necunoscută anterior a existenței materiei: fenomenele pe care le observăm sunt doar proiecții sau umbre ale stării reale de lucruri, în funcție de modul în care privești ceea ce se întâmplă. Când privim umbra unui cilindru iluminat dintr-o parte, vedem un cerc, iar când este iluminat din cealaltă parte, umbra este dreptunghiulară. Așa este și cu reprezentarea corpusculară a luminii.

Dar nici aici totul nu este ușor. Nu putem spune că considerăm lumina ca fiind fie o undă, fie un flux de particule. Uita-te pe fereastra. Brusc, chiar și într-un pahar spălat curat, ne vedem reflexia, deși indistinctă, dar. Care e siretlicul? Dacă lumina este un val, atunci reflexia într-o fereastră este ușor de explicat - vedem efecte similare asupra apei atunci când un val este reflectat de un obstacol. Dar dacă lumina este un flux de particule, atunci reflexia nu poate fi explicată atât de simplu. La urma urmei, toți fotonii sunt la fel. Cu toate acestea, dacă toate sunt la fel, atunci bariera sub formă de sticlă ar trebui să le afecteze în mod egal. Fie trec toate prin sticlă, fie sunt toate reflectate. Și în realitatea dură, unii dintre fotoni zboară prin sticlă și vedem o casă vecină și ne observăm imediat reflecția.

Și singura explicație care îmi vine în minte este că fotonii sunt în propria lor minte. Este imposibil de prezis cu o certitudine absolută cum se va comporta un anumit foton - dacă se va ciocni cu sticla ca particulă sau ca undă. Aceasta este baza fizicii cuantice - un comportament complet, absolut aleatoriu al materiei la nivel micro fără motiv (și în propria sa lume cantitati mariștim din experiență că totul are o cauză). Acesta este un generator de numere aleatoare perfect, spre deosebire de aruncarea unei monede.

Genialul Einstein, care a descoperit fotonul, a fost sigur până la sfârșitul vieții că fizica cuantică a greșit și a asigurat pe toată lumea că „Dumnezeu nu joacă zaruri”. Dar stiinta moderna confirmă din ce în ce mai mult: mai joacă.

Într-un fel sau altul, dar odată ce oamenii de știință au decis să pună capăt disputei „val sau particule” și să reproducă experiența lui Jung, ținând cont de tehnologiile secolului al XX-lea. Până atunci, au învățat să tragă fotoni pe rând (generatoare cuantice, cunoscute în rândul populației sub denumirea de „lasere”) și, prin urmare, a fost conceput pentru a verifica ce s-ar întâmpla pe ecran dacă o particulă ar fi trasă la două. fante: va deveni în sfârșit clar care este problema în condiții controlate ale experimentului.

Și dintr-o dată - un singur cuantum de lumină (foton) a arătat un model de interferență, adică particula a zburat prin ambele fante în același timp, fotonul a interferat cu el însuși (în termeni științifici). Să clarificăm punctul tehnic - de fapt, imaginea de interferență a fost arătată nu de un foton, ci de o serie de fotografii la o particulă la intervale de 10 secunde - de-a lungul timpului, franjurile lui Jung au apărut pe ecran, familiare oricărui trio din 1801. .

Din punctul de vedere al valului, acest lucru este logic - valul trece prin fisuri, iar acum două valuri noi diverg în cercuri concentrice, suprapunându-se.
Dar din punct de vedere corpuscular, reiese că fotonul se află în două locuri în același timp când trece prin fante, iar după trecere se amestecă cu el însuși. Este absolut normal, nu?
S-a dovedit a fi ok. Mai mult, deoarece fotonul este situat în două fante deodată, înseamnă că este simultan peste tot atât înainte de fante, cât și după trecerea prin ele. Și, în general, din punctul de vedere al fizicii cuantice, fotonul eliberat între început și sfârșit este simultan „pretutindeni și deodată”. Această descoperire a unei particule „odată peste tot” este numită de fizicieni o suprapunere - un cuvânt groaznic care odinioară era o farsă matematică, a devenit acum o realitate fizică.

Un anume E. Schrodinger, un cunoscut adversar al fizicii cuantice, a dezgropat pe undeva o formulă care descria proprietățile undei ale materiei, cum ar fi apa. Și după ce a evocat puțin peste asta, spre propria sa groază a dedus așa-numita funcție de undă. Această funcție a arătat probabilitatea de a găsi un foton într-un anumit loc. Rețineți că este o probabilitate, nu o locație exactă. Și această probabilitate depindea de pătratul înălțimii crestei undei cuantice la o anumită locație (dacă cineva este interesat de detalii).

Vom dedica un capitol separat problemelor de măsurare a locației particulelor.

Descoperirile ulterioare au arătat că lucrurile cu dualism sunt și mai rele și mai misterioase.
În 1924, un anume Louis de Broglie a luat-o și a declarat că proprietățile unde corpusculare ale luminii sunt vârful aisbergului. Și toate particulele elementare au o astfel de proprietate de neînțeles.
Adică, nu numai particulele câmpului electromagnetic (fotoni), ci și particulele reale, cum ar fi electronii, protonii etc. sunt atât o particulă, cât și o undă în același timp. Toată materia din jurul nostru este, la nivel microscopic, unde.(și particule în același timp).

Și câțiva ani mai târziu, acest lucru a fost chiar confirmat experimental - americanii au introdus electroni în tuburi catodice(care sunt cunoscute de vechii farts de azi ca „kinescop”) - și astfel observațiile legate de reflexia electronilor au confirmat că electronul este și o undă (pentru ușurință de înțelegere, putem spune că o placă cu două fante a fost plasată în calea electronului și am văzut interferența electronului așa cum este).

Până în prezent, s-a descoperit în experimente că atomii au și proprietăți de undă și chiar unele tipuri speciale moleculele (așa-numitele „fulerene”) se manifestă ca o undă.

Mintea iscoditoare a cititorului, care încă nu a înnebunit din povestea noastră, se va întreba: dacă materia este un val, atunci de ce, de exemplu, o minge zburătoare nu este mânjită în spațiu sub forma unui val? De ce un avion cu reacție nu arată în niciun fel ca un val, dar este foarte asemănător cu un avion cu reacție?

De Broglie, la naiba, și apoi a explicat totul: da, o minge zburătoare sau un „Boeing” este și un val, dar lungimea acestui val este mai mică, cu atât impulsul este mai mare. Momentul este masa înmulțită cu viteza. Adică, cu cât masa materiei este mai mare, cu atât lungimea de undă a acesteia este mai mică. Lungimea de undă a unei mingi care zboară cu o viteză de 150 km/h va fi aproximativ egală cu 0,00 metri. Prin urmare, nu putem observa cum mingea este răspândită în spațiu ca un val. Pentru noi, aceasta este o materie solidă.
Un electron este o particulă foarte ușoară și, zburând cu o viteză de 6000 km/s, va avea o lungime de undă vizibilă de 0,0000000001 metri.

Apropo, vom răspunde imediat la întrebarea de ce nucleul unui atom nu este atât de „undă”. Deși este situat în centrul atomului, în jurul căruia, uluit, electronul zboară și, în același timp, se unge, are un impuls decent asociat cu masa de protoni și neutroni, precum și cu oscilația de înaltă frecvență (viteza) datorită existenței unui schimb constant de particule în interiorul nucleului interacțiune puternică (citește subiectul). Prin urmare, miezul este mai degrabă ca materie solidă cunoscută nouă. Electronul, aparent, este singura particulă cu o masă care are proprietăți de undă pronunțate, așa că toată lumea o studiază cu entuziasm.

Să revenim la particulele noastre. Deci, se dovedește: un electron care se rotește în jurul unui atom este atât o particulă, cât și o undă. Adică, o particulă se rotește și, în același timp, un electron, ca o undă, este o înveliș cu o anumită formă în jurul nucleului - cum poate fi înțeles acest lucru de creierul uman?

Mai sus, am calculat deja că un electron zburător are o lungime de undă destul de mare (pentru un microcosmos) și o astfel de undă are nevoie de o cantitate indecent de mare pentru a se potrivi în jurul nucleului unui atom. Acesta este exact ceea ce explică dimensiuni atât de mari ale atomilor în comparație cu nucleul. Lungimile de undă ale unui electron determină dimensiunea unui atom. Spațiul gol dintre nucleu și suprafața unui atom este umplut cu „plasarea” lungimii de undă (și în același timp a particulei) electronului. Aceasta este o explicație foarte aspră și incorectă - vă rugăm să ne iertați - de fapt, totul este mult mai complicat, dar scopul nostru este să permitem cel puțin oamenilor care sunt interesați să muște o bucată din granitul științei.

Să lămurim din nou! După câteva comentarii la articol [în JP], ne-am dat seama ce remarcă importantă lipsește acestui articol. Atenţie! Forma materiei pe care o descriem nu este nici o undă, nici o particulă. Numai (simultan) are proprietățile unei unde și proprietățile particulelor. Nu poți spune asta unde electromagnetice sau undele electronice sunt ca marea sau unde sonore. Undele cunoscute nouă reprezintă propagarea perturbațiilor în spațiul plin cu o anumită substanță.
Fotonii, electronii și alte exemple ale microlumii atunci când se mișcă în spațiu pot fi descrise prin ecuații de undă, le place doar o undă în comportament, dar în niciun caz nu sunt o undă. Este similar cu partea corpusculară a materiei: comportamentul unei particule este similar cu zborul bilelor mici, dar acestea nu sunt niciodată bile.
Acest lucru trebuie înțeles și acceptat, altfel toate reflecțiile noastre vor duce în cele din urmă la căutarea analogilor în macrocosmos și astfel înțelegerea fizicii cuantice va ajunge la sfârșit, iar frivolitatea sau filosofia șarlatană va începe ca magia cuantică și materialitatea gândurilor. .

Restul concluziilor și consecințelor oribile ale experienței modernizate a lui Jung vor fi discutate mai târziu în partea următoare - incertitudinea lui Heisenberg, pisica lui Schrödinger, principiul excluderii lui Pauli și încurcătura cuantică îl așteaptă pe cititorul răbdător și atent care recitește articolele noastre de mai multe ori și scotocește. pe Internet în căutarea de informații suplimentare.

Vă mulțumesc tuturor pentru atenție. Bucurați-vă de toate insomniile sau coșmarurile cognitive!

NB: Vă reamintim cu sârguință că toate imaginile sunt preluate de pe Google (căutare imagini) - autoritatea este stabilită acolo.
Copierea ilegală a textului este urmărită, suprimată, ei bine, știi...