Електромагнітна природа світла корпускулярно хвильовий дуалізм. Корпускулярно-хвильовий дуалізм – міф чи реальність? Досвід із двома щілинами

Світло довгий часзалишався одним із головних об'єктів вивчення. Багато вчених прагнули пізнати його природу, але зробити це було складно через обмежених можливостей. Найпершою теорією, яка намагалася пояснити природу світла, була хвильова теорія. Вона довгий час вважалася правильною і вірною, і не було жодних передумов, щоб сформувався корпускулярно. хвильовий дуалізм. У той час у фізиці існувала думка, що світло за своєю природою - хвиля, а атоми та інші дрібні частинкимали тільки корпускулярні властивості.

Теорія починала руйнуватися, тому що не вдавалося пояснити Резерфорд в результаті своїх дослідів припустив, що ядро ​​атома знаходиться в центрі, там же зосереджена основна маса, а електрони розподіляються по всьому об'єму, вільно заповнюючи простір. Але теорія не знайшла підтвердження, тому що згідно з розрахунками, подібна системане могла бути стійкою.

Передумови формування нової теорії

Пізніше було відкрито явище фотоефекту, що виходив за межі класичної фізики, яка панувала на той час. Згодом саме фотоефект допоміг сформувати корпускулярно-хвильовий дуалізм, бо це призвело до необхідності створення. Її особливістю стало те, що частки отримували властивості, які були б неможливі, якщо розглядати їх у світлі принципів фізики класичної. Корпускулярно-хвильовий дуалізм став однією з перших теорій, що вивчаються в новому

Суть фотоефекту полягала в тому, що звичайні речовини під впливом короткохвильового випромінювання випромінюють швидкі електрони. Головною розбіжністю з класичною фізикоюстав той факт, що енергія швидких електронів, що випускаються, не залежала від інтенсивності випромінювання. Значення мало лише властивості самої речовини, і навіть частота випромінювання. На той момент не вдалося пояснити механізми вивільнення фотоелектронів на основі наявних даних.

Хвильова теорія представлялася стрункої та незаперечної. Згідно з нею, енергія випромінювання поступово поширювалася у світловій хвилі. Коли вона потрапляє на електрон, вона повідомляє йому певну кількістьенергії, відповідно, відповідно до цієї теорії, що стоїть інтенсивність, то більше вписувалося енергія. Проте насправді виходило дещо інакше.

Розвиток ідеї дуалізму

Альберт Ейнштейн почав висловлювати ідеї про дискретну природу світла. Також почали розвиватися квантова теорія поля та концепції квантових полів, які допомогли сформувати корпускулярно-хвильовий дуалізм.

Суть полягає в тому, що на світ можуть впливати отже, він має Фізичні властивостіпотоку частинок – фотонів. Але при цьому в таких явищах як дифракція і демонструє явні властивості хвилі. Було проведено низку дослідів, що доводять двоїстість структури світла. Саме з їхньої основі було побудовано корпускулярно-хвильовий дуалізм світла, тобто. фотон виявляє корпускулярні властивості, але у низці експериментів він мав чіткі прояви хвильових властивостей.

Потрібно розуміти, що подібні ідеї на Наразіпредставляють лише історичний інтерес. Корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей речовини сформувався як теорія в період, коли вивчення подібних властивостей тільки починалося, тоді були фактично засновані нові розділи фізики. Така теорія була спробою пояснити нові явища мовою класичної фізики.

Насправді, з погляду квантової фізикиподібні об'єкти не є частинками, принаймні в класичному розумінні. Вони набувають певних властивостей лише при наближенні. Втім, теорія дуалізму, як і раніше, використовується для пояснення певних принципівприроди світла.

Ефект Комптону та фотоефект підтверджує корпускулярну природу світла. Світло поводиться як потік частинок – фотонів. Тоді як частка може виявляти властивості, властиві класичним хвиль? Адже частка може пройти через одну, або через іншу щілину. Однак відома інтерференція світла від двох щілин (досвід Юнга). Таким чином, ми дійшли парадоксу – світло має одночасно і властивості корпускул, і властивості хвиль. Тому кажуть, що світла властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм.

Протиставлення квантових та хвильових властивостей світла один одному є помилковим. Властивості безперервності електромагнітного полясвітлової хвилі не виключають властивостей дискретності, притаманних світлових квантів – фотонів. Світло одночасно має властивості безперервних електромагнітних хвиль та властивості дискретних фотонів. Він є діалектичним єдність цих властивостей. Зі зменшенням довжини хвилі дедалі виразніше виявляються квантові властивості світла (із цим пов'язане, наприклад, існування червоної межі фотоефекту). Хвильові властивості у короткохвильового випромінювання виявляються дуже слабо (наприклад, дифракція у рентгенівських променів). У довгохвильового випромінювання квантові властивості виявляються слабо і основну роль грають хвильові властивості.

Взаємозв'язок корпускулярно-хвильових властивостей світла пояснюється статистичним підходом до вивчення поширення світла. Світло – це потік дискретних частинок – фотонів, у яких локалізовані енергія, імпульс та маса випромінювання. Взаємодія фотонів з речовиною при переході через якусь оптичну систему призводить до перерозподілу фотонів у просторі та виникнення дифракційної картини. При цьому квадрат амплітуди світлової хвилі в будь-якій точці простору є мірою ймовірності попадання фотонів у цю точку.

Таким чином, корпускулярні властивості світла пов'язані з тим, що енергія, маса та імпульс випромінювання локалізовані у дискретних фотонах, а хвильові – зі статистичними закономірностями розподілу фотонів у просторі.

Лекція 4

2. Подвійна корпускулярно-хвильова природа частинок речовини

2.1. Гіпотеза де Бройля

У 1924 р. французький фізик Луї де Бройль висунув гіпотезу, згідно з якою рух електрона, або будь-якої іншої частинки, пов'язане з хвильовим процесом. Довжина хвилі цього процесу:

а частота ω = Е/ħ, тобто. корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий усім без винятку частинкам.

Якщо частка має кінетичну енергію Е, То їй відповідає довжина хвилі де Бройля:

Для електрона, що прискорюється різницею потенціалів
, кінетична енергія
,і довжина хвилі

Å. (2.1)

Досліди Девіссона та Джермера (1927).Ідея їхніх дослідів полягала в наступному. Якщо пучок електронів має хвильовими властивостями, можна очікувати, навіть не знаючи механізму відбиття цих хвиль, що й відбиття від кристала матиме такий самий інтерференційний характер, як і рентгенівських променів.

У однієї серії дослідів Девіссона і Джермера для виявлення дифракційних максимумів (якщо такі є) вимірювалися напруга електронів, що прискорює, і одночасно положення детектора D (лічильника відбитих електронів). У досвіді використовувався монокристал нікелю (кубічної системи), сошліфований так, як показано на рис.2.1.

Якщо його повернути навколо вертикальної осі в положення, що відповідає малюнку, то в цьому положенні поверхня зішліфована покрита правильними рядами атомів, перпендикулярними до площини падіння (площини малюнка), відстань між якими d= 0,215 нм.

Д етектор переміщали у площині падіння, змінюючи кут θ. При вугіллі θ = 50° та прискорювальній напрузі U= 54В спостерігався особливо виразний максимум відбитих електронів, полярна діаграма якого показано на рис.2.2.

Цей максимум можна витлумачити як інтерференційний максимум першого порядку від плоских дифракційних ґрат з періодом

, (2.2)

що видно з рис.2.3. На цьому малюнку кожна жирна точка є проекцією ланцюжка атомів, розташованих на прямій, перпендикулярній площині малюнка. Період d може бути виміряний незалежно, наприклад, дифракції рентгенівських променів.

У обчислена за формулою (2.1) дебройлівська довжина хвилі для U= 54В дорівнює 0,167 нм. Відповідна довжина хвилі, знайдена з формули (2.2), дорівнює 0,165 нм. Збіг настільки гарний, що отриманий результат слід визнати переконливим підтвердженням гіпотези де Бройля.

Інша серія дослідів Девіссона та Джермера полягала у вимірі інтенсивності Iвідбитого електронного пучка при заданому куті падіння, але при різних значеннях напруги, що прискорює U.

Теоретично повинні з'явитися при цьому інтерференційні максимуми відбиття подібно до відбиття рентгенівських променів від кристала. Від різних кристалічних площин кристала в результаті дифракції падаючого випромінювання на атомах виходять хвилі, що ніби випробували дзеркальне відображення від цих площин. Дані хвилі під час інтерференції підсилюють одна одну, якщо виконується умова Брегга-Вульфа:

, m=1,2,3,…, (2.3)

де d - міжплощинна відстань, α - Кут ковзання.

Н пам'ятаємо висновок цієї формули. З рис. 2.4 видно, що різниця ходу двох хвиль, 1 і 2, що відбилися дзеркально від сусідніх атомних верств, АВС =
. Отже, напрямки, у яких виникають інтерференційні максимуми, визначаються умовою (2.3).

Тепер підставимо у формулу (2.3) вираз (2.1) для дебройлівської довжини хвилі. Оскільки значення α та d експериментатори залишали незмінними, то з формули (2.3) випливає, що

~т, (2.4)

тобто. значення
, при яких утворюються максимуми відображення, повинні бути пропорційні цілим числам т= 1, 2, 3, ..., іншими словами, перебувати на однакових відстанях один від одного.

Е і було перевірено з досвіду, результати якого представлені на рис.2. 5, де U представлено у вольтах. Видно, що максимуми інтенсивності Iмайже рівновіддалені одна від одної (така ж картина виникає і при дифракції рентгенівських променів від кристалів).

Отримані Девіссоном та Джермером результати дуже переконливо підтверджують гіпотезу де Бройля. Теоретично, як ми бачили, аналіз дифракції дебройлівських хвиль повністю збігається з дифракцією рентгенівського випромінювання.

Отже, характер залежності (2.4) експериментально підтвердився, проте спостерігалося деяке розбіжність із прогнозами теорії. А саме, між положеннями експериментальних і теоретичних максимумів (останні показані стрілками на рис. 2.5) спостерігається систематична розбіжність, яка зменшується зі збільшенням напруги, що прискорює U. Ця розбіжність, як з'ясувалося надалі, обумовлено тим, що з висновку формули Брегга-Вульфа був враховано заломлення дебройлівських хвиль.

Про заломлення дебройлівських хвиль.Показник заломлення пдебройлівських хвиль, як і електромагнітних, визначається формулою

, (2.5)

де і - фазові швидкості цих хвиль у вакуумі та середовищі (кристалі).

Фазова швидкість дебройлівської хвилі - принципово неспостережувана величина. Тому формулу (2.5) слід перетворити так, щоб показник заломлення пможна було висловити через ставлення вимірюваних величин. Це можна зробити в такий спосіб. За визначенням, фазова швидкість

, (2.6)

де k - хвильове число. Вважаючи аналогічно фотонам, що частота і дебройлівські хвилі теж не змінюється при переході межі розділу середовищ (якщо таке припущення несправедливо, то досвід неминуче вкаже на це), представимо (2.5) з урахуванням (2.6) у вигляді

(2.7)

П Опадаючи з вакууму в кристал (метал), електрони опиняються у потенційній ямі. Тут їхня кінетична енергія зростає на «глибину» потенційної ями (рис. 2.6). З формули (2.1), де
, випливає, що λ~
Тому вираз (2.7) можна переписати так:

(2.8)

де U 0 - внутрішній потенціалкристала. Видно, що чим більше U (щодо ), тим пближче до одиниці. Таким чином, ппроявляє себе особливо при малих U, і формула Брегга-Вульфа набуває вигляду

(2.9)

Переконаємося, що формула Брегга-Вульфа (2.9) з урахуванням заломлення справді пояснює положення максимумів інтенсивності.
на рис. 2.5. Замінивши в (2.9) пі λ згідно з формулами (2.8) та (2.1) їх виразами через прискорюючу різницю потенціалів U, тобто.

(2.11)

Тепер врахуємо, що розподіл
на рис.2.5 отримано для нікелю при значеннях U 0 = 15 B, d=0,203 нм та α = 80 °. Тоді (2.11) після нескладних перетворень можна переписати так:

(2.12)

Обчислимо за цією формулою значення
, наприклад, для максимуму третього порядку ( m= 3), для якого розбіжність із формулою Брегга-Вульфа (2.3) виявилася найбільшою:

Збіг з дійсним становищем максимуму 3-го порядку не вимагає коментарів.

Отже, досліди Девіссона та Джермера слід визнати блискучим підтвердженням гіпотези де Бройля.

Досвіди Томсона та Тартаковського. У цих дослідах пучок електронів пропускався через полікристалічну фольгу (за методом Дебая щодо дифракції рентгенівського випромінювання). Як і у разі рентгенівського випромінювання, на фотопластинці, розташованій за фольгою, спостерігалася система дифракційних кілець. Подібність обох картин вражає. Підозра, що система цих кілець породжується не електронами, а вторинним рентгенівським випромінюванням, що виникає внаслідок падіння електронів на фольгу, легко розсіюється, якщо шляху розсіяних електронів створити магнітне полі (піднести постійний магніт). Воно не впливає на рентгенівське випромінювання. Така перевірка показала, що інтерференційна картина відразу спотворювалася. Це однозначно свідчить, що маємо справу саме з електронами.

Г. Томсон здійснив досліди з швидкимиелектронами (десятки кеВ), ІІ.С. Тарковський - порівняно повільнимиелектронами (до 1,7 кеВ).

Досліди з нейтронами та молекулами.Для успішного спостереження дифракції хвиль на кристалах необхідно, щоб довжина хвилі цих хвиль була порівнянна з відстанями між вузлами кристалічних ґрат. Тому для спостереження дифракції важких частинок необхідно користуватися частинками досить малими швидкостями. Відповідні досліди щодо дифракції нейтронів і молекул при відображенні від кристалів були зроблені і також повністю підтвердили гіпотезу де-Бройля у застосуванні та до важких частинок.

Завдяки цьому було експериментально доведено, що хвильові властивості є універсальною властивістю. всіхчастинок. Вони не обумовлені якимись особливостями внутрішньої будови тієї чи іншої частинки, а відбивають їхній загальний закон руху.

Про допити з одиночними електронами. Описані вище досліди виконувалися з використанням пучків частинок. Тому виникає природне питання: хвильові властивості, що спостерігаються, виражають властивості пучка частинок або окремих частинок?

Щоб відповісти на це питання, В. Фабрикант, Л. Біберман і Н. Сушкін здійснили в 1949 р. досліди, в яких застосовувалися такі слабкі пучки електронів, що кожен електрон проходив через кристал свідомо поодинці і кожен розсіяний електрон реєструвався фотопластинкою. При цьому виявилося, що окремі електрони потрапляли в різні точки фотопластинки абсолютно безладним на перший погляд (рис.2.7,а). Тим часом при досить тривалій експозиції на фотопластинці виникала дифракційна картина (рис.2.7 б), абсолютно ідентична картині дифракції від звичайного електронного пучка. Так було підтверджено, що хвильовими властивостями володіють і окремі частинки.

Таким чином, ми маємо справу з мікрооб'єктами, які мають одночаснояк корпускулярними, і хвильовими властивостями. Це дозволяє нам надалі говорити про електрони, але висновки, до яких ми прийдемо, мають цілком загальний зміст і однаково застосовуються до будь-яких частинок.

З формули де Бройля випливало, що хвильові властивості повинні бути притаманні будь-якій частинці речовини, що має масу та швидкість . У 1929р. Досліди Штерна довели, що формула де Бройля справедлива і для пучків атомів та молекул. Він отримав такий вираз для довжини хвилі:

Ǻ,

де μ – молярна масаречовини, N А- Число Авогадро, R- Універсальна газова постійна, Т- Температура.

При відображенні пучків атомів та молекул від поверхонь твердих тілповинні спостерігатися дифракційні явища, які описуються тими самими співвідношеннями, як і плоскі (двовимірні) дифракційні грати. Досліди показали, що крім частинок, розсіяних під кутом, що дорівнює куту падіння, спостерігаються максимуми числа відбитих частинок під іншими кутами, що визначаються формулами двовимірної дифракційної решітки.

Формули де Бройля виявилися справедливими також для нейтронів. Це підтвердили досліди щодо дифракції нейтронів на приймачах.

Таким чином, наявність хвильових властивостей у рухомих частинок, що володіють масою спокою, є універсальне явище, не пов'язане з якою-небудь специфікою частинки, що рухається.

Відсутність хвильових властивостей у макроскопічних тіл пояснюється в такий спосіб. Подібно до тієї ролі, яку відіграє швидкість світла при вирішенні питання про застосування ньютонівської (нерелятивістської) механіки, існує критерій, що показує в яких випадках можна обмежитися класичними уявленнями. Цей критерій пов'язаний з Постійна Планка ħ. Фізична розмірність ħ дорівнює ( енергія)x( час), або ( імпульс)x( довжина), або (Момент імпульсу).Величину з такою розмірністю називають дією.Постійна Планка є квантом дії.

Якщо в даній фізичної системизначення певної характерної величини Нз розмірністю дії порівняно з ħ поведінка цієї системи може бути описана тільки в рамках квантової теорії. Якщо ж значення Ндуже велике в порівнянні з ħ , поведінка системи з високою точністю описують закони класичної фізики.

Зазначимо, однак, що цей критерій має наближений характер. Він показує лише, коли слід виявляти обережність. Трохи дії Някий завжди свідчить про повну непридатність класичного підходу. У багатьох випадках вона може дати деяке якісне уявлення щодо поведінки системи, яку можна уточнити за допомогою квантового підходу.

Типові приклади об'єктів, що виявляють подвійну корпускулярно-хвильову поведінку - електрони та світло; принцип справедливий і для більших об'єктів, але, як правило, чим об'єкт масивніше, тим меншою мірою проявляються його хвильові властивості (мова тут не йде про колективну хвильову поведінку багатьох частинок, наприклад, хвилі на поверхні рідини).

Ідея про корпускулярно-хвильовий дуалізм була використана при розробці квантової механіки для інтерпретації явищ, що спостерігаються в мікросвіті, з погляду класичних концепцій. Насправді квантові об'єкти є ні класичними хвилями, ні класичними частинками, проявляючи властивості перших чи других лише залежно та умовами експериментів, які з них проводяться. Корпускулярно-хвильовий дуалізм незрозумілий у рамках класичної фізики і може бути витлумачений лише в квантовій механіці.

Подальшим розвиткомуявлень про корпускулярно-хвильовому дуалізмі стала концепція квантованих полів у квантовій теорії поля.

Хвилі де Бройля

Кількісне вираз принцип корпускулярно-хвильового дуалізму отримує в ідеї хвиль де Бройля. Для будь-якого об'єкта, що виявляє одночасно хвильові та корпускулярні властивості, є зв'язок між імпульсом p (\displaystyle \mathbf (p) )та енергією E (\displaystyle E), властивими цьому об'єкту як частинці, та його хвильовими параметрами - хвильовим вектором k (\displaystyle \mathbf (k) ), довжиною хвилі λ (\displaystyle \lambda), частотою ν (\displaystyle \nu ), циклічною частотою ω (\displaystyle \omega). Цей зв'язок задається співвідношеннями:

де ℏ (\displaystyle \hbar )і h = 2 π ℏ (\displaystyle h=2\pi \hbar )- Редукована і звичайна постійна Планка, відповідно. Ці формули вірні для релятивістських енергії та імпульсу.

Хвиля де Бройля ставиться у відповідність будь-якому об'єкту мікросвіту, що рухається; таким чином, у вигляді хвиль де Бройля і світло, і масивні частинки піддаються інтерференції та дифракції. Водночас чим більше масачастинки, тим менше її дебройлівська довжина хвилі за тієї ж швидкості, і тим складніше зареєструвати її хвильові властивості. Грубо кажучи, взаємодіючи з оточенням, об'єкт веде себе як частка, якщо довжина його дебройлівської хвилі значно менша за характерні розміри, що є в його оточенні, і як хвиля - якщо значно більша; проміжний випадок може бути описаний тільки в рамках повноцінної квантової теорії.

Фізичний сенс хвилі де Бройля такий: квадрат модуля амплітуди хвилі у певній точці простору дорівнює щільності ймовірності виявлення частки у цій точці, якщо буде проведено вимір її положення. У той же час, поки вимір не проведено, частка насправді не знаходиться в якомусь одному конкретному місці, а розмазана по простору у вигляді дебройлівської хвилі.

Історія розвитку

Питання природі світла і речовини мають багатовікову історію, проте до певного часу вважалося, відповіді них мають бути однозначними: світло - чи потік частинок, чи хвиля; речовина або складається з окремих частинок, що підкоряються класичній механіці, або є суцільним середовищем.

хвилевий опис світла, що з'явився усталеним, виявився неповним, коли в 1901 році Планк отримав формулу для спектру випромінювання абсолютно чорного тіла, а потім Ейнштейн пояснив фотоефект, спираючись на припущення, що світло з певною довжиноюхвилі випромінюється та поглинається виключно певними порціями. Така порція – квант світла, пізніше названий фотоном – переносить енергію, пропорційну частоті світлової хвилі з коефіцієнтом h (\displaystyle h)- Постійна Планка. Отже, виявилося, що світло виявляє як хвильові, а й корпускулярні властивості.

Більш конкретне і коректне втілення принцип корпускулярно-хвильового дуалізму отримав у «хвильовій механіці» Шредінгера, яка потім перетворилася на сучасну квантову механіку.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла

Як класичний прикладзастосування принципу корпускулярно-хвильового дуалізму, світло можна трактувати як потік корпускул (фотонів), які у багатьох фізичних ефектіввиявляють властивості класичних електромагнітних хвиль. Світло демонструє властивості хвилі в явищах дифракції та інтерференції при масштабах, які можна порівняти з довжиною світлової хвилі. Наприклад, навіть одиночніфотони, що проходять через подвійну щілину, створюють на екрані інтерференційну картину, що визначається рівняннями Максвелла.

Тим не менш, експеримент показує, що фотон не є коротким імпульсом електромагнітного випромінювання, наприклад, він може бути розділений на кілька пучків оптичними дільниками променів, що наочно показав експеримент, проведений французькими фізиками Гранжье, Роже і Аспэ 1986 року . Корпускулярні властивості світла виявляються у закономірностях рівноважного теплового випромінювання, при фотоефекті та ефекті Комптону . Фотон веде себе і як частка, яка випромінюється або поглинається цілком об'єктами, розміри яких набагато менше його довжини хвилі (наприклад, атомними ядрами), або взагалі можуть вважатися точковими (наприклад, електрон).

Чим менша довжина хвилі електромагнітного випромінювання, тим більша енергія та імпульс фотонів і важче виявити хвильові властивості цього випромінювання. Наприклад, рентгенівське випромінювання дифрагує тільки на дуже «тонкій» дифракційних грат - кристалічні гратитвердого тіла.

Хвильова поведінка великих об'єктів

Хвильове поведінка виявляють як елементарні частки і нуклони, а й великі об'єкти - молекули. У 1999 році вперше спостерігалася дифракція фулеренів. У 2013 році вдалося досягти дифракції молекул масою понад 10000 а.о.м. , що складаються з понад 800 атомів кожна .

Тим не менш, немає повної впевненості, чи можуть у принципі виявляти хвильову поведінку об'єкти з масою, що перевищує планковську.

Див. також

Примітки

1. Слово «корпускула» означає «частка» і поза контекстом корпускулярно-хвильового дуалізму практично не використовується.
2. Герштейн З. З. Корпускулярно-хвильовий дуалізм// Фізична енциклопедія: [5 т.] / Гол. ред. А. М. Прохоров. - М.: Радянська енциклопедія, 1990. – Т. 2: Добротність – Магнітооптика. – С. 464-465. – 704 с. - 100 000 екз. -

Якщо ви вважали, що ми канули в лету зі своїми мозковими темами, що повертають, то поспішаємо вас засмутити порадувати: ви помилялися! Насправді весь цей час ми намагалися знайти прийнятну методику викладу божевільних тем пов'язаних із квантовими парадоксами. Ми написали кілька варіантів чернеток, але всі вони були викинуті на мороз. Бо коли йдеться про пояснення квантових приколів, то ми й самі плутаємось і визнаємо, що багато чого не розуміємо (та й взагалі мало хто розуміє у цій справі, включаючи крутих світових учених). На жаль, квантовий світ настільки чужий для обивательського світогляду, що зовсім не соромно зізнатися у своєму нерозумінні і намагатися потроху разом розібратися хоча б в основах.

І хоча ми, як завжди, постараємося розповідати гранично доступно з картинками з гугла, недосвідченому читачеві знадобиться деяка початкова підготовкатому рекомендуємо переглянути наші попередні теми, особливо про кванти та матерію.
Спеціально для гуманітаріїв та інших, хто цікавиться - квантові парадокси. Частина 1.

У цій темі ми поговоримо про саму повсякденну загадку квантового світу- Корпукулярно-хвильовому дуалізмі. Коли ми говоримо "найзвичайніша" ми маємо на увазі, що фізикам вона вже приїлася настільки, що начебто і не здається загадкою. Але це все тому, що решта квантових парадокси обивательському розуму прийняти ще складніше.

А справа була така. У старі добрі часидесь у середині 17-го століття Ньютон і Гюйгенс розійшлися на думці, що є світло: Ньютон без сорому совісті заявив, що світло це потік частинок, а старовина Гюйгенс намагався довести, що світло це хвиля. Але Ньютон був авторитетнішим, тому його заява про природу світла була прийнята як істинна, а над Гюйгенсом посміялися. І двісті років світло вважали потоком якихось невідомих частинок, природу яких якось сподівалися відкрити.

На початку 19 століття один сходознавець на ім'я Томас Юнг балувався з оптичними приладами- в результаті він взяв і провів експеримент, який зараз називають досвідом Юнга, і кожен фізик вважає цей досвід священним.

Томас Юнг лише направив промінь (одного кольору, щоб частота була приблизно однакова) світла через два прорізи в пластині, а позаду поставив ще одну пластину-екран. І показав результат своїм колегам. Якби світло було потоком частинок, то ми побачили б на задньому фоні дві світлі смуги.
Але, на жаль всього наукового світу, на екрані-пластині з'явилася низка темних і світлих смуг. Звичайне явище, яке називається інтерференцією - накладання двох (і більше хвиль) одна на одну.

До речі, саме завдяки інтерференції ми спостерігаємо райдужні переливи на плямі олії чи мильному міхурі.

Інакше висловлюючись, Томас Юнг експериментально довів, що це хвилі. Вчений світдовго не хотів вірити Юнгу, і в свій час його так закрикували, що той навіть відмовився від своїх ідей хвильової теорії. Але впевненість у своїй правоті таки перемогла, і вчені почали вважати світло хвилею. Щоправда, хвилею чогось – це було загадкою.
Ось на малюнку старий добрий досвід Юнга.

Слід сказати, хвильова природа світла не сильно вплинула на класичну фізику. Вчені переписали формули і стали думати, що скоро весь світ паде до їхніх ніг під єдиною. універсальною формулоювсього.
Але ви вже здогадалися, що Ейнштейн, як завжди, все зіпсував. Біда підкралася з іншого боку - спочатку вчені заморочилися розрахунком енергії теплових хвиль і відкрили поняття квантів (обов'язково почитайте нашу відповідну тему " " ). А потім за допомогою цих квантів Ейнштейн завдав удару з фізики, пояснивши явище фотоефекту.

Коротко: фотоефект (одне із наслідків якого є засвічування плівки) це вибивання світлом електронів із деяких матеріалів. Технічно це вибивання відбувається так, наче світло це частка. Частинку світла Ейнштейн назвав квантом світла, а потім їй надали ім'я - фотон.

У 1920 році до антихвильової теорії світла додався дивовижний ефект Комптона: коли електрон обстрілюють фотонами, то фотон відскакує від електрона зі втратою енергії ("стріляємо" синім кольором, а відлітає вже червона), як більярдна куля від іншого. Комптон за це схопив нобелівську премію.

Цього разу фізики застерегли ось так запросто відмовлятися від хвильової природи світла, а натомість міцно замислилися. Наука постала перед жахливою загадкою: так все ж таки світло це хвиля чи частка?

У світла, як і будь-якої хвилі, є частота - і це легко перевірити. Ми бачимо різні кольори, тому що кожен колір це просто різні частотиелектромагнітної (світлової) хвилі: червоний – маленька частота, фіолетовий – велика частота.
Але дивно: довжина хвилі видимого світлау п'ять тисяч разів більше за розмір атома - як така "штука" влазить в атом, коли атом поглинає цю хвилю? Якщо тільки фотон це частка, можна порівняти за розмірами з атомом. Фотон одночасно і великий та маленький?

До того ж фотоефект і ефект Комптона однозначно доводять, що світло це все-таки потік частинок: не можна пояснити, яким чином хвиля передає енергію локалізованим у просторі електронам - якби світло було хвилею, то деякі електрони були б вибиті пізніше, ніж інші, і явище фотоефекту ми б не спостерігали. Але у разі потоку окремо взятий фотон стикається з окремо взятим електроном і за певних умов вибиває його з атома.

У результаті було вирішено: світло це водночас і хвиля та частка. Точніше, і ні те й ні інше, а нова невідома раніше форма існування матерії: явища, які ми спостерігаємо, це лише проекції або тіні реального стану справ, залежно від того, як дивитися на те, що відбувається. Коли ми дивимося на тінь циліндра, освітленого з одного боку, бачимо коло, а при освітленні з іншого боку - прямокутна тінь. Так і з корпускулярно-хвильовим уявленням світла.

Але тут все непросто. Не можна говорити, що ми вважаємо світло або хвилею, або потоком частинок. Подивіться у вікно. Несподівано навіть у чисто вимитому склі ми бачимо своє, нехай нечітке, але відображення. У чому каверза? Якщо світло – це хвиля, то пояснити відображення у вікні просто – подібні ефекти ми бачимо на воді, коли хвиля відбивається від перешкоди. Але якщо світло – це потік частинок, то пояснити відображення так просто не вийде. Адже всі фотони однакові. Однак якщо всі вони однакові, то і перешкода у вигляді шибки повинна однаково на них впливати. Або всі вони проходять крізь скло, або всі відбиваються. А в суворої реальностічастина фотонів пролітає через скло, і ми бачимо сусідній будинок і відразу спостерігаємо своє відображення.

І єдине пояснення, яке спадає на думку: фотони самі собі на думці. Не можна зі стовідсотковою ймовірністю передбачити, як поведеться конкретний фотон - зіткнеться зі склом як частка або хвиля. Це основа квантової фізики - абсолютно, абсолютно випадкова поведінка матерії на мікрорівні без будь-якої причини (а у своєму світі великих величинми з досвіду знаємо, що це має причину). Це ідеальний генератор випадкових чиселна відміну від монетки, що підкидається.

Геніальний Ейнштейн, який відкрив фотон, до кінця життя був упевнений, що квантова фізика помиляється, і запевняв усіх, що Бог не грає в кістки. Але сучасна наукадедалі більше підтверджує: таки грає.

Так чи інакше, але одного разу вчені вирішили поставити жирну крапку в суперечці "хвиля або частка" і відтворити досвід Юнга з урахуванням технологій XX століття. До цього часу вони навчилися куляти фотонами по одному (квантові генератори, відомі серед населення під ім'ям "лазери"), і тому було задумано перевірити, що буде на екрані у разі, якщо вистрілити двома щілинами однією часткою: ось і стане зрозуміло, нарешті , чим є матерія при контрольованих умовах експерименту.

І раптово - одиночний квант світла (фотон) показав інтерференційну картинку, тобто частка пролітала через обидві щілини одночасно, фотон інтерферував сам із собою (якщо говорити вченою мовою). Уточнимо технічний момент- насправді інтерференційну картинку показав не один фотон, а серія пострілів по одній частинці з інтервалами в 10 секунд.

З погляду хвилі це логічно – хвиля проходить через щілини, і тепер дві нові хвилі розходяться концентричними колами, накладаючись одна на одну.
Але з корпускулярної точки зору виходить, що фотон знаходиться у двох місцях одночасно, коли проходить через щілини, а після проходження поєднується сам із собою. Це взагалі нормально, га?
Виявилось, що нормально. Більше того, раз фотон знаходиться відразу в двох щілинах, значить він одночасно знаходиться скрізь і до щілин і після прольоту через них. І взагалі з погляду квантової фізики випущений фотон між стартом і фінішем знаходиться одночасно "скрізь і одразу". Таке знаходження частки "відразу скрізь" фізики називають суперпозицією - страшне слово, яке раніше було математичним пустощом, тепер стало фізичною реальністю.

Якийсь Е. Шредінгер, відомий противник квантової фізики, на той час нарив десь формулу, яка описувала хвильові властивості матерії, типу води. І трохи над нею почаклувавши, на свій жах вивів так звану хвильову функцію. Ця функція показувала ймовірність знаходження фотона в певному місці. Зауважте, саме ймовірність, а не точне місцезнаходження. І ця можливість залежала від квадрата висоти гребеня квантової хвилі в заданому місці (якщо комусь цікаві деталі).

Питанням виміру місцезнаходження частинок ми присвятимо окрему главу.

Подальші відкриття показали, що відносини з дуалізмом ще гірші та загадковіші.
У 1924 році Луї де Бройль узяв і заявив, що корпускулярно-хвильові властивості світла це верхівка айсберга. А такою незрозумілою властивістю мають усі елементарні частинки.
Тобто частинкою та хвилею одночасно є не лише частинки електромагнітного поля (фотони), а й речові частинки типу електронів, протонів тощо. Вся матерія навколо нас на мікроскопічному рівні є хвилями(і частинками одночасно).

І через кілька років це навіть підтвердили експериментально - американці ганяли електрони в електронно-променевих трубках (які відомі нинішнім старперам під назвою "кінескоп") - отож спостереження, пов'язані з відображенням електронів, підтвердили, що електрон це теж хвиля (для простоти розуміння можна сказати, що на шляху електрона поставили платівку з двома щілинами і бачили інтерференцію електрона як вона є).

На даний час у дослідах виявлено, що і атоми мають хвильові властивості і навіть деякі спеціальні видимолекул (так звані "фулерени") проявляють себе як хвиля.

Допитливий розум читача, який ще не очманів від нашої розповіді, запитає: якщо матерія це хвиля, то чому, наприклад, м'ячик, що летить, не розмазаний у просторі у вигляді хвилі? Чому реактивний літак ніяк не схожий на хвилю, а дуже схожий на реактивний літак?

Де Бройль, чортяка, і тут все пояснив: таки-так, м'ячик, що летить, або "боїнг" це теж хвиля, але довжина цієї хвилі тим менша, чим більший імпульс. Імпульс це маса, помножена на швидкість. Тобто чим більше маса матерії, тим менша довжина її хвилі. Довжина хвилі м'яча, що летить зі швидкістю 150 км/год, буде приблизно дорівнює 0,00 метра. Тому ми не можемо помітити, як м'ячик розмазаний по простору як хвиля. Для нас це тверда матерія.
Електрон вельми легка часткаі, що летить зі швидкістю 6000 км/сек, він матиме помітну довжину хвилі 0,0000000001 метра.

До речі, одразу відповімо на запитання, чому ядро ​​атома не настільки "хвильове". Хоч воно і знаходиться в центрі атома, навколо якого, очманівши, літає і в той же час розмазується електрон, воно має пристойний імпульс, пов'язаний з масою протонів і нейтронів, а також високочастотним коливанням (швидкістю) через існування всередині ядра постійного обміну частинками сильної взаємодії (читайте тему). Тому ядро ​​більше схоже на звичну нам тверду матерію. Електрон же, мабуть, є єдиною часткою з масою, у якої яскраво виражені хвильові властивості, ось його всі із захопленням і вивчають.

Повернемося до наших частинок. Так що виходить: електрон, що обертається навколо атома, це одночасно і частка і хвиля. Тобто обертається частка, і в той же час електрон як хвиля являє собою оболонку певної формидовкола ядра - як це взагалі можна зрозуміти людським мозком?

Вище ми вже підрахували, що електрон, що літає, має досить величезну (для мікросвіту) довжину хвилі і щоб розміститися навколо ядра атома такій хвилі потрібно непристойно багато місця. Ось саме цим і пояснюються такі великі розміриатомів проти ядром. Довжини хвиль електрона визначають розміри атома. Порожнє місце між ядром і поверхнею атома заповнене "розміщенням" довжини хвилі (і водночас частки) електрона. Це дуже грубе і некоректне пояснення – просимо нас пробачити – насправді все набагато складніше, але наша мета – хоч би дозволити відгризти шматочок граніту науки людям, яким все це цікаво.

Давайте ще раз прояснимо!Після деяких коментарів до статті [на ЯП] ми зрозуміли, якого важливого зауваження не вистачає цій статті. Увага! Описувана нами форма матерії перестав бути ні хвилею ні частинкою. Вона лише (одночасно) має властивості хвилі та властивості частинок. Не можна говорити, що електромагнітна хвиляабо електронна хвиляподібні до морських або звуковим хвилях. Звичні нам хвилі є поширенням обурень у просторі заповненим будь-якою речовиною.
Фотони, електрони та інші екземпляри мікросвіту під час руху в просторі можна описати хвильовими рівняннями, вони за поведінкою лише схожі на хвилю, але в жодному разі хвилею не є. Аналогічно і з корпускулярною стрункою матерії: поведінка частки схоже на політ маленьких точкових кульок, але це жодного разу не кульки.
Це потрібно зрозуміти і прийняти, інакше всі наші роздуми будуть зрештою призводити до пошуку аналогів у макросвіті і тим самим розумінню квантової фізики настане кінець, і почнеться фрицтво або шарлатанська філософія на кшталт квантової магії та матеріальності думок.

Інші жахливі висновки та наслідки з модернізованого досвіду Юнга ми розглянемо пізніше в наступній частині – невизначеність Гейзенберга, кішка Шредінгера, принцип заборони Паулі та квантова заплутаністьчекають терплячого та вдумливого читача, який ще не раз перечитає наші статті та покопається в інтернеті у пошуках додаткової інформації.

Усім дякую за увагу. Приємною всім безсоння чи пізнавальних кошмарів!

NB: Ретельно нагадуємо, що всі зображення взяті з гугла (пошук за картинками) – авторство визначається там же.
Незаконне копіювання тексту переслідується, припиняється, ну і самі знаєте...

Колега, за уявленнями класичної фізики, рух частинок і поширення хвиль різняться важливо. Багато хто спостерігав цю різницю між польотом каменю певною траєкторією і поширенням хвиль по поверхні води, при падінні цього каменю у воду.

Це, мій друже, в макросвіті. Але в мікросвіті ці відмінності, як би, «розмиваються».

Наприклад, ще Гюйгенс (1629-1695), потім Юнг (1773-1829) та Френель (1788-1827) довели, що світло має хвильову природу. Це проявляється у явищах, поляризації, заломленні, інтерференції та дифракції світла.

Проте, досліджуючи 1900 року закони теплового випромінювання, Планк (1858-1947) виявив «світлові порції» – кванти електромагнітного поля. Ці кванти - фотони - багато в чому схожі на частинки (корпускули): вони мають певну енергію і імпульс, взаємодіють з речовиною як ціле. Пізніші досліди з виривання світлом електронів з поверхні металів (фотоефект) і розсіювання світла на електронах (Комптон ефект) показали, що світло поводиться подібно до потоку частинок.

З іншого боку, виявилося, що електрони, що падають на кристал, які спочатку сприймалися, як частинки, дають дифракційну картину, яку не можна зрозуміти інакше, як на основі хвильових уявлень. Пізніше було встановлено, що це явище властиве взагалі всім мікрочастинкам.

У 1924 Бройль (1892-1968) виступив з вражаючою за сміливістю гіпотезою у тому, що корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий усім без винятку видам матерії – електронам, протонам, атомам тощо., причому кількісні співвідношення між хвильовими і корпускулярними властивостями частинок ж, як і встановлені раніше для фотонів. А саме, якщо частка має енергію Wта імпульс p, то з нею пов'язана хвиля, частота якої ν = W/hта довжина хвилі λ = h/p, де h - Постійна Планка. Ці хвилі одержали назву «хвилі де Бройля».

Таким чином, характерною особливістюМікросвіту є своєрідна двоїстість, дуалізм корпускулярних та хвильових властивостей, який не може бути зрозумілий у рамках класичної фізики.

Квантова механікаусунула абсолютну грань між хвилею та частинкою. Адже кожна хвиля складається з напівхвиль, які ми називаємо пучностями (розташовані між двома вузлами, див. рис.):

Пучності багато в чому нагадують частинки (корпускули). Адже вони, так само як і фотони, мають певну енергію та імпульс, чітко обмежені в просторі (довжина хвилі) і в часі (період хвилі).

При цьому (дуже важливо!), якщо ми по горизонтальної осібудемо відкладати довжину хвилі (в метрах), а по вертикальній – її імпульс (кг*м/с), то величина площі пучності дорівнюватиме постійної Планка (Дж*с). Таке ж значення матиме площа пучності, якщо ми по вертикалі відкладатимемо енергію хвилі (Дж), а по горизонталі – її період (у секундах). Саме тому ми називаємо ці пучності квантами (порціями) енергії та імпульсу (отже, і маси).

Висновок: фотон, електрон, протон, нейтрон ... є лише напівхвилями коливань того середовища, в якому поширюється хвиля. У свою чергу напівхвилю можна розглядати як корпускулу, що має конкретний розмір (довжина напівхвилі), енергію, імпульс і масу (для електрона та протона – ще й електричний заряд) .

Доповнення:

Проте електромагнітні хвилі поширюються над площині, а тривимірному обсязі. При цьому поперечність цих хвиль виражається в тому, що вектори, що коливаються в них, напруженості електричного і магнітного полів перпендикулярні напрямку поширення хвилі. Крім того, ці вектори майже завжди взаємно перпендикулярні, тому для опису електромагнітної хвилі потрібно знати поведінку лише одного з них. Зазвичай для цього вибирають вектор Е.

На малюнку показані коливання проекцій електричного вектора Е на взаємно перпендикулярні осі X і Y (Z - напрямок поширення хвилі) і огинаюча кінців повного вектораЄ в різних точкаххвилі для випадку, коли вертикальні (осі X) коливання на чверть періоду (90°) випереджають горизонтальні (осі Y). Кінець вектора Е у разі описує окружність у бік «правого гвинта».

Практично ми отримали циліндричну пружину, яку можна розглядати як пристрій, що накопичує потенційну енергію. Однак, у потенційному полі атома електромагнітна хвиля поширюється не лінійно (вздовж осі Z), а замкненою кривою. Отже, нашу пружину необхідно звернути в кільце так, щоб її підстави поєдналися один з одним. Отримаємо тор (простіше бублик), центр якого збігається із центром потенційного поля.

Електромагнітна хвиля в замкнутому просторі атома є стоячою хвилею, яка поширюється вздовж осі тора (згорнута нами в кільце вісь Z) з орбітальною швидкістю, рівною коренюквадратному з модуля гравітаційного потенціалу (v 2 , Дж/кг) на даній траєкторії, а кінець вектора Е описує гвинтове коло вздовж витків пружини.

Для довідки:

Поляризація світла, одна з фундаментальних властивостей оптичного випромінювання(світла), що полягає в нерівноправності векторів напруженості в площині, перпендикулярній світловому променю(Напрямок поширення світлової хвилі).

Заломлення світла, Зміна напряму поширення оптичного випромінювання (світла) при його проходженні через межу розділу двох середовищ.

Інтерференція хвиль, Додавання в просторі двох (або декількох) хвиль, при якому в різних точках виходить посилення або ослаблення амплітуди результуючої хвилі.

Дифракція (від латів. diffractus – розламаний) хвиль, явище, пов'язане з відхиленням хвиль при їх проходженні повз край перешкоди. Відповідно до принципу Гюйгенса - Френеля ця перешкода є джерелом вторинних хвиль, від якого поширюється сферична хвиля, потрапляючи в область геометричної тіні.

Квант світла(Нім. Quant, від лат. Quantum – скільки), кількість (порція) електромагнітного випромінювання, яке в одиничному акті здатний випромінювати або поглинути атом або інша квантова система; елементарна частка, те, що фотон.

Планка стала, квант дії, фундаментальна фізична постійна, визначальна широке коло фізичних явищ, котрим суттєва дискретність дії.

Квантова механіка – хвильова механіка, теорія встановлює спосіб опису та закони руху мікрочастинок ( елементарних частинок, атомів, молекул, атомних ядер) та їх систем, а також зв'язок величин, що характеризують частки та системи, фізичними величинамибезпосередньо вимірюваними в макроскопічних дослідах.