Корпускулярні хвилі. Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Вступ

Майже одночасно було висунуто дві теорії світла: корпускулярна теорія Ньютона і хвильова теоріяГюйгенс.

Відповідно до корпускулярної теорії, або теорії закінчення, висунутої Ньютоном наприкінці 17 століття, тіла, що світяться, випускають дрібні частинки(корпускули), які летять прямолінійно по всіх напрямках і, потрапляючи у око, викликають світлове відчуття.

Відповідно до віл нової теоріїтіло, що світиться, викликає особливому середовищу, що заповнює весь світовий простір - світовому ефірі - пружні коливання, які поширюються в ефірі подібно звуковим хвиляхв повітрі.

За часів Ньютона і Гюйгенса більшість учених дотримувалися корпускулярної теорії Ньютона, яка досить задовільно пояснювала всі відомі на той час світлові явища. Віддзеркалення світла пояснювалося аналогічно відбитку пружних тілпри ударі об площину. Заломлення світла пояснювалося дією на корпускули великих сил тяжіння з боку щільнішого середовища. Під дією цих сил, що виявляються, згідно з теорією Ньютона, при наближенні до більш щільного середовища, світлові корпускули отримували прискорення, спрямовані перпендикулярно до кордону цього середовища, внаслідок чого вони змінювали напрямок руху і одночасно збільшували свою швидкість. Аналогічно пояснювалися інші світлові явища.

Надалі нові спостереження не вкладалися в рамки цієї теорії. Зокрема, неспроможність цієї теорії виявилося, коли було виміряно швидкість поширення світла у воді. Вона виявилася не більше, а менше, ніж у повітрі.

На початку 19 століття хвильова теорія Гюйгенса, не визнана сучасниками, була розвинена та вдосконалена Юнгом та Френелем та отримала загальне визнання. У 60-х роках минулого століття, після того як Максвелл розробив теорію електромагнітного поля, з'ясувалося, що світло є електромагнітні хвилі. Таким чином, хвильова механістична теорія світла була замінена хвильовою електромагнітною теорією. Світлові хвилі ( видимий спектр) займають у шкалі електромагнітних хвиль діапазон 0,4-0,7 мкм. Хвильова теорія світла Максвелла, що трактує випромінювання як безперервний процес, виявилася не в змозі пояснити деякі з знову відкритих оптичних явищ. Її доповнила квантова теоріясвітла, за якою енергія світлової хвилі випромінюється, поширюється і поглинається не безперервно, а певними порціями - квантами світла, чи фотонами, - які залежить лише від довжини світлової хвилі. Таким чином, за сучасним уявленням, Світло володіє як хвильовими так, і корпускулярними властивостями.

Інтерференція світла

Хвилі створюють у кожній точці простору коливання з різницею фаз, що не змінюється з часом, називаються когерентними. Різниця фаз у цьому випадку має постійне, але, взагалі кажучи, різне для різних точокпростору значення. Очевидно, що когерентними можуть лише хвилі однакової частоти.

При поширенні в просторі кількох когерентних хвиль коливання, що породжуються цими хвилями, в одних точках посилюють один одного, в інших - послаблюють. Це називається інтерференцією хвиль. Інтерферувати можуть будь-які хвилі фізичної природи. Ми розглянемо інтерференцію світлових хвиль.

Джерела когерентних хвиль також називають когерентними. При освітленні деякої поверхні кількома когерентними джерелами світла на цій поверхні виникають загальному випадкусвітлі і темні смуги, що чергуються.

Два незалежних джерелсвітла, наприклад дві електролампи, не когерентні. Світлові хвилі, що випромінюються ними, – це результат складання великої кількостіхвиль, що випромінюються окремими атомами. Випромінювання хвиль атомами відбувається безладно, і тому немає якихось постійних співвідношень між фазами хвиль, що випромінюються двома джерелами.

При освітленні поверхні некогерентними джерелами характерна для інтерференції картина світлих і темних смуг, що чергуються, не виникає. Освітленість у кожній точці виявляється рівної суміосвітленостей, створюваних кожним із джерел окремо.

Когерентні хвилівиходять за допомогою поділу пучка світла від одного джерела на два або декілька окремих пучків.

Інтерференцію світла можна спостерігати при освітленні монохроматичними (одноколірними) променями прозорої пластинки змінної товщини, зокрема клиноподібної пластинки. У око спостерігача потраплятимуть хвилі, відбиті як від передньої, і задньої поверхонь пластинки. Результат інтерференції визначається різницею фаз тих та інших хвиль, яка поступово змінюється зі зміною товщини

При освітленні паралельним пучком плоскопаралельної пластинки різниця фаз світлових хвиль, відбитих від передньої і задньої її поверхонь, та сама в усіх точках, - пластинка здаватиметься освітленої рівномірно.

Навколо точки зіткнення трохи опуклого скла з плоским при освітленні монохроматичним світлом спостерігаються темні та світлі кільця – так звані кільця Ньютона. Тут найтонший прошарок повітря між обома склом відіграє роль плівки, що відображає, що має постійну товщину по концентричних колах.

Дифракція світла.

У світлової хвилі не відбувається зміни геометричної формифронту при поширенні в однорідному середовищі. Однак якщо поширення світла здійснюється в неоднорідному середовищі, в якому, наприклад, знаходяться не прозорі екрани, області простору порівняно різкою зміноюпоказника заломлення і т. п., спостерігається спотворення фронту хвилі. І тут відбувається перерозподіл інтенсивності світлової хвилі у просторі. При освітленні, наприклад, непрозорих екранів точковим джерелом світла на межі тіні, де згідно із законами геометричної оптикимав би проходити стрибкоподібний перехід від тіні до світла, спостерігається ряд темних і світлих смугчастина світла проникає в область геометричної тіні. Ці явища належать до дифракції світла.

Отже, дифракція світла у вузькому значенні - явище огинання світлом контуру непрозорих тіл і потрапляння світла до області геометричної тіні; в широкому значенні- будь-яке відхилення під час поширення світла від законів геометричної оптики.

Визначення Зоммерфельда: під дифракцією світла розуміють будь-яке відхилення від прямолінійного поширення, якщо воно не може бути пояснено як результат відбиття, заломлення або згинання світлових променів у середовищах з безперервно змінним показником заломлення.

Якщо середовищі є дрібні частки (туман) чи показник заломлення помітно змінюється на відстанях порядку довжини хвилі, то цих випадках говорять про розсіювання світла і термін «дифракція» не вживається.

Розрізняють два види дифракції світла. Вивчаючи дифракційну картину у точці спостереження, що знаходиться на кінцевій відстані від перешкоди, ми маємо справу з дифракцією Френеля. Якщо точка спостереження і джерело світла розташовані від перешкоди так далеко, що промені, що падають на перешкоду, і промені, що йдуть в точку спостереження, можна вважати паралельними пучками, то говорять про дифракцію паралельних променях- Дифракції Фраунгофера.

Теорія дифракції розглядає хвильові процеси в тих випадках, коли на шляху поширення хвилі є якісь перешкоди.

За допомогою теорії дифракції вирішують такі проблеми, як захист від шумів за допомогою акустичних екранів, поширення радіохвиль над поверхнею Землі. оптичних приладів(оскільки зображення, що дається об'єктивом, - завжди дифракційна картина), вимірювання якості поверхні, вивчення будови речовини та багато інших.

Поляризація світла

Явлення інтерференції та дифракції, що послужили для обґрунтування хвильової природисвітла, що не дають ще повного уявлення про характер світлових хвиль. Нові риси відкриває нам досвід проходження світла через кристали, зокрема через турмалін.

Візьмемо дві однакові прямокутні пластинки турмаліну, вирізані так, що одна зі сторін прямокутника збігається з певним напрямом усередині кристала, що має назву оптичної осі. Накладемо одну пластинку на іншу так, щоб осі їх збігалися у напрямку, і пропустимо через складену пару пластин вузький пучок світла від ліхтаря або сонця. Так як турмалін є кристалом буро - зеленого кольору, то слід минулого пучка на екрані представиться у вигляді темно - зеленої цятки. Почнемо повертати одну з пластин навколо пучка, залишаючи другу нерухомою. Ми виявимо, що слід пучка стає слабшим, і коли платівка повернеться на 90 0 він зовсім зникне. При подальшому обертанні пластинки пучок, що проходить, знову почне посилюватися і дійде до колишньої інтенсивності, коли пластинка повернеться на 180 0 , тобто. коли оптичні осі платівок знову розташуються паралельно. При подальшому обертанні турмаліну пучок знову слабшає.

Можна пояснити всі явища, що спостерігаються, якщо зробити наступні висновки.

1) Світлові коливання в пучку спрямовані перпендикулярно лінії поширення світла (світлові хвилі поперечні).

2) Турмалін здатний пропускати світлові коливаннятільки у тому випадку, коли вони спрямовані певним чином щодо його осі.

3) У світлі ліхтаря (сонця) представлені поперечні коливання будь-якого напрямку і до того ж у однаковій частці, отже жоден напрямок переважає.

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. 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 світуНа 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 масаматерії, 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 хвиля або електронна хвиляподібні до морських або звукових хвиль. 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.

Всім 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...

Корпускулярно-хвильовий дуалізм– властивість будь-якої мікрочастинки виявляти ознаки частки (корпускули) та хвилі. Найбільш яскраво корпускулярно-хвильовий дуалізм проявляється у елементарних частинок. Електрон, нейтрон, фотон в одних умовах поводяться як добре локалізовані в просторі матеріальні об'єкти (частки), що рухаються з певними енергіями та імпульсами за класичними траєкторіями, а в інших – як хвилі, що проявляється в їхній здатності до інтерференції та дифракції. Так електромагнітна хвиля, розсіюючись на вільних електронах, поводиться як потік окремих частинок – фотонів, які є квантами електромагнітного поля (Комптон ефект), причому імпульс фотона дається формулою р = h/λ, де λ – довжина електромагнітної хвилі, а h – постійна Планка . Ця формула як така – свідчення дуалізму. У ній ліворуч – імпульс окремої частки (фотону), а праворуч – довжина хвилі фотона. Дуалізм електронів, які ми звикли вважати частинками, проявляється в тому, що при відображенні поверхні монокристала спостерігається дифракційна картина, що є проявом хвильових властивостейелектронів. Кількісний зв'язок між корпускулярними і хвильовими характеристиками електрона той самий, як і фотона: р = h/λ (р – імпульс електрона, а λ – його довжина хвилі де Бройля). Корпускулярно-хвильовий дуалізм є основою квантової фізики.

Хвиля (хутро) - процес, завжди пов'язаний з будь-яким матеріальним середовищемзаймає певний обсяг у просторі.

64. Хвилі де Бройля. Дифракція електронів Хвильові властивості мікрочастинок.

Розвиток уявлень про корпускулярно-хвильові властивості матерії набуло гіпотези про хвильовому характері руху мікрочастинок. Луї де Бройль з ідеї симетрії в природі для частинок речовини та світла приписав будь-якій мікрочастинці певний внутрішній періодичний процес (1924). Об'єднавши формули E = hν і E = mc 2 він отримав співвідношення, що показує, що будь-якій частинці відповідає своя довжина хвилі : λ Б = h/mv = h/p, де p-імпульс хвилі-частинки. Наприклад, для електрона, має енергію 10 эВ, довжина хвилі де Бройля становить 0,388 нм. Надалі було показано, що стан мікрочастинки в квантовій механіці може бути описаний певною комплексною хвильовою функцією координат Ψ(q), причому квадрат модуля цієї функції |Ψ| 2 визначає розподіл ймовірностей значень координат. Ця функція була вперше введена в квантову механікуШредінгером в 1926 р. Отже, хвиля де Бройля несе енергію, лише відображає “розподіл фаз” якогось ймовірнісного періодичного процесу у просторі. Отже, опис стану об'єктів мікросвіту носить імовірнісний характер, на відміну об'єктів макросвіту, які описуються законами класичної механіки.

Для доказу ідеї де Бройля про хвильову природу мікрочастинок німецький фізик Ельзассер запропонував використати кристали для спостереження дифракції електронів (1925). У США Девіссон і Л. Джермер виявили явище дифракції при проходженні пучка електронів через пластинку з кристала нікелю (1927). Незалежно від них дифракцію електронів під час проходження через металеву фольгу відкрили Дж. П. Томсон в Англії та П.С. Тартаковський у СРСР. Так ідея де Бройля про хвильові властивості речовини знайшла експериментальне підтвердження. Згодом дифракційні, а отже хвильові властивості були виявлені у атомних і молекулярних пучків. Корпускулярно-хвильовими властивостями мають не тільки фотони та електрони, а й усі мікрочастинки.

Окриття хвильових властивостей у мікрочастинок показало, що такі форми матерії, як поле (безперервне) і речовина (дискретне), які з точки зору класичної фізики, вважалися якісно різними, в певних умовах можуть проявляти властивості, властиві і тій і іншій формі. Це свідчить про єдність цих форм матерії. Повний описїх властивостей можливо лише з урахуванням протилежних, але доповнюють друг - друга уявлень.

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 та 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 частинки мали 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 кількість енергії, відповідно, згідно з цією теорією, чим вище інтенсивність, тим більша 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 фізики подібні 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.

Вступ

Майже одночасно висунули дві теорії світла: корпускулярна теорія Ньютона і хвильова теорія Гюйгенса.

Відповідно до корпускулярної теорії, або теорії закінчення, висунутої Ньютоном наприкінці 17 століття, тіла, що світяться, випромінюють дрібні частинки (корпускули), які летять прямолінійно по всіх напрямках і, потрапляючи в око, викликають світлове відчуття.

Згідно з хвильовою теорією, що світиться тіло викликає особливому середовищу – світовому ефірі, що заповнює весь світовий простір – пружні коливання, які поширюються в ефірі подібно до звукових хвиль у повітрі.

За часів Ньютона і Гюйгенса більшість вчених дотримувалися корпускулярної теорії Ньютона, яка досить задовільно пояснювала всі відомі на той час світлові явища. Віддзеркалення світла пояснювалося аналогічно відбитку пружних тіл при ударі об площину. Заломлення світла пояснювалося дією на корпускули великих сил тяжіння з боку щільнішого середовища. Під дією цих сил, що виявляються, згідно з теорією Ньютона, при наближенні до більш щільного середовища, світлові корпускули отримували прискорення, спрямовані перпендикулярно до кордону цього середовища, внаслідок чого вони змінювали напрямок руху і одночасно збільшували свою швидкість. Аналогічно пояснювалися інші світлові явища.

Надалі нові спостереження не вкладалися в рамки цієї теорії. Зокрема, неспроможність цієї теорії виявилося, коли було виміряно швидкість поширення світла у воді. Вона виявилася не більше, а менше, ніж у повітрі.

На початку 19 століття хвильова теорія Гюйгенса, не визнана сучасниками, була розвинена та вдосконалена Юнгом та Френелем та отримала загальне визнання. У 60-х роках минулого століття, після того як Максвелл розробив теорію електромагнітного поля, з'ясувалося, що світло є електромагнітними хвилями. Таким чином, хвильова механістична теорія світла була замінена хвильовою електромагнітною теорією. Світлові хвилі (видимий діапазон) займають у шкалі електромагнітних хвиль діапазон 0,4-0,7 мкм. Хвильова теорія світла Максвелла, що трактує випромінювання як безперервний процес, виявилася неспроможною пояснити деякі з відкритих оптичних явищ. Її доповнила квантова теорія світла, за якою енергія світлової хвилі випромінюється, поширюється і поглинається не безперервно, а певними порціями - квантами світла, чи фотонами, - які залежить лише від довжини світлової хвилі. Таким чином, за сучасними уявленнями, світло має як хвильові так, і корпускулярні властивості.

Інтерференція світла

Хвилі створюють у кожній точці простору коливання з різницею фаз, що не змінюється з часом, називаються когерентними. Різниця фаз у разі має постійне, але, взагалі кажучи, різне для різних точок простору значення. Очевидно, що когерентними можуть лише хвилі однакової частоти.

При поширенні в просторі кількох когерентних хвиль коливання, що породжуються цими хвилями, в одних точках посилюють один одного, в інших - послаблюють. Це називається інтерференцією хвиль. Інтерферувати можуть хвилі будь-якої фізичної природи. Ми розглянемо інтерференцію світлових хвиль.

Джерела когерентних хвиль також називають когерентними. При освітленні деякої поверхні декількома когерентними джерелами світла на цій поверхні виникають в загальному випадку світлі і темні смуги, що чергуються.

Два незалежні джерела світла, наприклад дві електролампи, не когерентні. Світлові хвилі, що випромінюються ними, – це результат складання великої кількості хвиль, що випромінюються окремими атомами. Випромінювання хвиль атомами відбувається безладно, і тому немає якихось постійних співвідношень між фазами хвиль, що випромінюються двома джерелами.

При освітленні поверхні некогерентними джерелами характерна для інтерференції картина світлих і темних смуг, що чергуються, не виникає. Освітленість у кожній точці виявляється рівною сумі освітленостей, створюваних кожним із джерел окремо.

Когерентні хвилі виходять за допомогою поділу пучка світла від одного джерела на два або кілька окремих пучків.

Інтерференцію світла можна спостерігати при освітленні монохроматичними (одноколірними) променями прозорої пластинки змінної товщини, зокрема клиноподібної пластинки. У око спостерігача потраплятимуть хвилі, відбиті як від передньої, і задньої поверхонь пластинки. Результат інтерференції визначається різницею фаз тих та інших хвиль, яка поступово змінюється зі зміною товщини платівки. Відповідно змінюється освітленість: якщо різниця ходу інтерферуючих хвиль у певній точці поверхні пластинки дорівнює парному числу напівхвиль, то цій точці поверхню здаватиметься світлою, при різниці фаз у непарне число напівхвиль – темної.

При освітленні паралельним пучком плоскопаралельної пластинки різниця фаз світлових хвиль, відбитих від передньої і задньої її поверхонь, та сама в усіх точках, - пластинка здаватиметься освітленої рівномірно.

Навколо точки зіткнення трохи опуклого скла з плоским при освітленні монохроматичним світлом спостерігаються темні та світлі кільця – так звані кільця Ньютона. Тут найтонший прошарок повітря між обома склом відіграє роль плівки, що відображає, що має постійну товщину по концентричних колах.

Дифракція світла.

У світлової хвилі немає зміни геометричної форми фронту при поширенні в однорідній середовищі. Однак якщо розповсюдження світла здійснюється в неоднорідному середовищі, в якому, наприклад, знаходяться не прозорі екрани, області простору з порівняно різкою зміною показника заломлення тощо, то спостерігається спотворення фронту хвилі. І тут відбувається перерозподіл інтенсивності світлової хвилі у просторі. При освітленні, наприклад, непрозорих екранів точковим джерелом світла межі тіні, де відповідно до законів геометричної оптики мав би проходити стрибкоподібний перехід від тіні до світла, спостерігається ряд темних і світлих смуг, частина світла проникає у область геометричної тіні. Ці явища належать до дифракції світла.

Отже, дифракція світла у вузькому значенні - явище огинання світлом контуру непрозорих тіл і потрапляння світла до області геометричної тіні; у широкому значенні - будь-яке відхилення під час поширення світла від законів геометричної оптики.

Визначення Зоммерфельда: під дифракцією світла розуміють будь-яке відхилення від прямолінійного поширення, якщо воно не може бути пояснено як результат відбиття, заломлення або згинання світлових променів у середовищах з безперервно змінним показником заломлення.

Якщо середовищі є дрібні частки (туман) чи показник заломлення помітно змінюється на відстанях порядку довжини хвилі, то цих випадках говорять про розсіювання світла і термін «дифракція» не вживається.

Розрізняють два види дифракції світла. Вивчаючи дифракційну картину у точці спостереження, що знаходиться на кінцевій відстані від перешкоди, ми маємо справу з дифракцією Френеля. Якщо точка спостереження та джерело світла розташовані від перешкоди так далеко, що промені, що падають на перешкоду, і промені, що йдуть у точку спостереження, можна вважати паралельними пучками, то говорять про дифракцію в паралельних променях – дифракції Фраунгофера.

Теорія дифракції розглядає хвильові процеси в тих випадках, коли на шляху поширення хвилі є якісь перешкоди.

За допомогою теорії дифракції вирішують такі проблеми, як захист від шумів за допомогою акустичних екранів, поширення радіохвиль над поверхнею Землі, робота оптичних приладів (оскільки зображення, що дається об'єктивом, - завжди дифракційна картина), вимірювання якості поверхні, вивчення будови речовини та багато інших .

Поляризація світла

Явища інтерференції та дифракції, що послужили обґрунтування хвильової природи світла, не дають ще повного уявлення про характер світлових хвиль. Нові риси відкриває нам досвід проходження світла через кристали, зокрема через турмалін.

Візьмемо дві однакові прямокутні пластинки турмаліну, вирізані так, що одна зі сторін прямокутника збігається з певним напрямом усередині кристала, що має назву оптичної осі. Накладемо одну пластинку на іншу так, щоб осі їх збігалися у напрямку, і пропустимо через складену пару пластин вузький пучок світла від ліхтаря або сонця. Так як турмалін є кристалом буро - зеленого кольору, то слід минулого пучка на екрані представиться у вигляді темно - зеленої цятки. Почнемо повертати одну з пластин навколо пучка, залишаючи другу нерухомою. Ми виявимо, що слід пучка стає слабшим, і коли платівка повернеться на 90 0 він зовсім зникне. При подальшому обертанні пластинки пучок, що проходить, знову почне посилюватися і дійде до колишньої інтенсивності, коли пластинка повернеться на 180 0 , тобто. коли оптичні осі платівок знову розташуються паралельно. При подальшому обертанні турмаліну пучок знову слабшає.

Можна пояснити всі явища, що спостерігаються, якщо зробити наступні висновки.

1) Світлові коливання в пучку спрямовані перпендикулярно лінії поширення світла (світлові хвилі поперечні).

2) Турмалін здатний пропускати світлові коливання лише у тому випадку, коли вони спрямовані певним чином щодо його осі.

3) У світлі ліхтаря (сонця) представлені поперечні коливання будь-якого напрямку і до того ж у однаковій частці, отже жоден напрямок переважає.

Висновок 3 пояснює, чому природне світло в однакового ступеняпроходить через турмалін за будь-якої його орієнтації, хоча турмалін, згідно з висновком 2, здатний пропускати світлові коливання лише певного напрямку. Проходження природного світлачерез турмалін призводить до того, що з поперечних коливаньвідбираються ті, які можуть пропускатися турмаліном. Тому світло, що пройшло через турмалін, буде сукупністю поперечних коливань одного напрямку, що визначається орієнтацією осі турмаліну. Таке світло ми називатимемо лінійно поляризованим, а площина, що містить напрямок коливань і вісь світлового пучка, - площиною поляризації.

Тепер стає зрозумілим досвід із проходженням світла через дві послідовно поставлені платівки турмаліну. Перша пластинка поляризує пучок світла, що проходить через неї, залишаючи в ньому коливання тільки одного напрямку. Ці коливання можуть пройти через другий турмалін повністю лише тому випадку, коли напрям їх збігається з напрямом коливань, пропусканих другим турмаліном, тобто. коли його вісь паралельна осі першого. Якщо ж напрям коливань у поляризованому світліперпендикулярно до напрямку коливань, що пропускаються другим турмаліном, світло буде повністю затриманий. Якщо напрям коливань у поляризованому світлі становить гострий кутз напрямком, що пропускається турмаліном, коливання будуть пропущені лише частково.

Дисперсія світла

Ньютон звернувся до дослідження квітів, що спостерігаються під час заломлення світла, у зв'язку зі спробами вдосконалення телескопів. Прагнучи отримати лінзи можливо кращої якості, Ньютон переконався, що головним недоліком зображень є наявність пофарбованих країв. Досліджуючи фарбування при заломленні, Ньютон зробив свої найбільші оптичні відкриття.

Сутність відкриттів Ньютона пояснюється наступними дослідами(рис.1) світло від ліхтаря висвітлює вузький отвір S (щілина). З допомогою лінзи L зображення щілини виходить на екрані MN як короткого білого прямокутника S`. Помістивши на шляху призму P, ребро якої паралельно щілини, виявимо, що зображення щілини зміститься і перетвориться на пофарбовану смужку, переходи кольорів, в якій від червоного до фіолетового подібні до веселки. Це райдужне зображення Ньютон назвав спектром.

Якщо прикрити щілину кольоровим склом, тобто. якщо направляти на призму замість білого світлакольоровий, зображення щілини зведеться до кольорового прямокутника, що має на місці спектра, тобто. в залежності від кольору світло відхилятиметься на різні кути від початкового зображення S`. Описане спостереження показує, що промені різного кольору по-різному заломлюються призмою.

Цей важливий висновок Ньютон перевірив багатьма дослідами. Найважливіший з них полягав у визначенні та показника заломлення променів різного кольору, виділених із спектру. Для цього в екрані MN , у якому виходить спектр, прорізався отвір; переміщуючи екран, можна було випустити через отвір вузький пучок променів того чи іншого кольору. Такий спосіб виділення однорідних променів досконаліший, ніж виділення за допомогою кольорового скла. Досліди виявили, що такий виділений пучок, заломлюючись у другій призмі, вже не розтягує смужку. Такому пучку відповідає певний показник заломлення, значення якого залежить від кольору виділеного пучка.

Описані досліди показують, що для вузького кольорового пучка, виділеного із спектру, показник заломлення має цілком певне значення, тоді як заломлення білого світла можна лише приблизно охарактеризувати одним якимсь значенням цього показника. Зіставляючи подібні спостереження, Ньютон зробив висновок, що існують прості кольори, що не розкладаються при проходженні через призму, і складні, що представляють сукупність простих, які мають різні показникизаломлення. Зокрема, сонячне світлоє така сукупність кольорів, яка за допомогою призми розкладається, даючи спектральне зображення щілини.

Таким чином, в основних дослідах Ньютона полягали два важливих відкриття:

1) Світло різного кольору характеризується різними показниками заломлення в даній речовині(Дисперсія).

2) Білий колір є сукупність простих кольорів.

Ми знаємо зараз, що різним кольорам відповідають різні довжини світлових хвиль. Тому перше відкриття Ньютона можна сформулювати так:

Показник заломлення речовини залежить від довжини світлової хвилі.

Зазвичай він збільшується зі зменшенням довжини хвилі.

Гіпотеза Планка

Прагнучи подолати труднощі класичної теоріїпри поясненні випромінювання нагрітого твердого тіла, німецький фізик Макс Планк у 1900р. висловив гіпотезу, яка започаткувала справжню еволюцію в теоретичної фізики. Сенс цієї гіпотези полягає в тому, що запас енергії коливальної системи, що знаходиться в рівновазі з електромагнітним випромінюванням, не може набувати будь-яких значень. Енергія елементарних систем, що поглинають і випромінюють електромагнітні хвилі, обов'язково повинна дорівнювати цілому кратному деякого певної кількостіенергії.

Мінімальна кількістьЕнергія, яку система може поглинути або випромінювати, називається квантом енергії. Енергія кванта Е має бути пропорційна частоті коливань v:

Е= hv .

Коефіцієнт пропорційності hу цьому виразі зветься постійна Планка. Постійна Планка дорівнює

6,6261937 . 10 -34 Дж . з

Постійну Планкуіноді називають квантом дії. Зауважимо, що розмірність h збігається з розмірністю моменту імпульсу.

Виходячи з цієї нової ідеї, Планк отримав закон розподілу енергії в спектрі, який добре узгоджується з експериментальними даними. Хороша згода теоретично передбаченого закону з експериментом була ґрунтовним підтвердженням квантової гіпотези Планка.

Відкриття фотоефекту

Гіпотеза Планка про кванти послужила основою пояснення явища фотоелектричного ефекту, Відкритого в 1887р. німецьким фізиком Генріхом Герцем.

Явище фотоефекту виявляється при освітленні цинкової пластини, з'єднаної зі стрижнем електрометра. Якщо пластині та стрижню переданий позитивний зарядто електрометр не розряджається при освітленні пластини. При повідомленні пластині негативного електричного заряду електрометр розряджається, як тільки пластину потрапляє ультрафіолетове випромінювання. Цей досвід доводить, що з поверхні металевої пластинипід дією світла можуть звільнятися негативні електричні заряди. Вимірювання заряду та маси частинок, що вириваються світлом, показало, що ці частинки – електрони.

Фотоефекти бувають декількох видів: зовнішній та внутрішній фотоефект, вентильний фотоефект та ряд інших ефектів.

Зовнішнім фотоефектом називають явище виривання електронів з речовини під дією світла, що падає на нього.

Внутрішнім фотоефектом називають появу вільних електроніві дірок у напівпровіднику внаслідок розриву зв'язків між атомами за рахунок енергії світла, що падає на напівпровідник.

Вентильним фотоефектом називають виникнення під дією світла електрорушійної силив системі, що містить контакт двох різних напівпровідників або напівпровідника та металу.

Закони фотоефекту

Кількісні закономірності фотоелектричного ефекту було встановлено видатним російським фізиком Олександром Григоровичем Столетовим (1839 – 1896) 1888 – 1889гг. Використовуючи вакуумний скляний балон із двома електродами (рис.2), він досліджував залежність сили струму в балоні від напруги між електродами та умов освітлення електрода.

У вакуумному балоні знаходяться два металеві електроди А і К, до яких прикладають напругу. Полярність електродів і прикладена до них напруга можна змінювати за допомогою потенціометра R з відведенням від середньої точки. Коли повзунок потенціометра знаходиться ліворуч від середньої точки, електрод А подають мінус, а на електрод К - плюс. Напруга, прикладена між електродами, вимірюють вольтметром V. Електрод К через вікно, закрите кварцовим склом, опромінюють світлом. Під його впливом з цього електрода виривають електрони (називаються фотоелектронами), які летять до електрода А і утворюють фотострум, що реєструється міліамперметром mA.

На описаній установці, використовуючи електроди, виготовлені з різних металівдля кожного освітлюваного

речовини можна отримати вольтамперні характеристики зовнішнього фотоефекту(тобто залежності сили фотоструму I від напруги U між електродами) при різних значенняхпотоку енергії падаючого світла.

Дві такі параметри представлені на (рис.3).

Експериментально встановлено такі закономірності та закони зовнішнього фотоефекту.

1. За відсутності напруги між електродами фотострумів відрізняється від нуля. Це означає, що фотоелектрони мають при вильоті кінетичну енергію.

2. У міру збільшення U фотострумів I поступово зростає, т.к. Усе більша кількістьфотоелектронів сягає анода.

3. При досягненні між електродами деякої прискорюючої напруги U н всі електрони, що вибиваються з катода, досягають анода і сила фотоструму перестає залежати від напруги. Такий фотострум, сила якого зі збільшенням напруги не зростає, називають фотострумом насичення. Якщо число фотоелектронів, що вилітають з металу, що висвітлюється в одиницю часу, дорівнює n е, то сила фотоструму насичення

I н = D q / D t = Ne / D t = n e

Тому, вимірявши силу струму насичення, можна визначити кількість фотоелектронів, що вилітають за секунду.

4. Сила фотоструму насичення прямо пропорційна потоку енергії світла, що падає на метал (перший закон фотоефекту):

I н = g Ф

Тут g – коефіцієнт пропорційності, званий фоточутливістю речовини. Отже, число електронів, що вириваються за одну секунду з речовини, прямо пропорційно потоку енергії світла, що падає на цю речовину.

5. За рахунок початкової кінетичної енергії електрони можуть виконувати роботу проти сил затримувача. електричного поля. Тому фотострум існує і в області негативних напруг від 0 до U 3 (електрод А з'єднаний з мінусом джерела струму). Починаючи з деякої затримуючої напруги U 3, фотострум припиняється. При цьому робота електричного поля, що затримує А е =еU 3 дорівнює максимальної початкової кінетичної енергії фотоелектронів W к.м. =mv м 2 /2:

А е = W к.м. ; е U 3 = mv м 2 /2

V м = 2е U 3 / m

Таким чином, вимірявши затримуючу напругу U 3 можна визначити максимальну початкову кінетичну енергію і максимальну початкову швидкістьфотоелектронів.

6. Значення напруги, що затримує, а отже максимальна кінетична енергіяі максимальна швидкістьфотоелектронів залежить від інтенсивності падаючого світла, а залежить від його частоти (другий закон фотоефекту).

7. Для кожної речовини існує певне значення частоти vдо (і, отже, довжини хвилі l до), таке, що при частотах vпадаючого світла менших vдо (тобто. довжинах хвиль світла, великих l к), фотоефект немає (третій закон фотоефекту). Частоту vдо (і довжину хвилі l к) називають червоною межею фотоефекту. Наприклад, при опроміненні цинкової платівкивидимим світлом навіть дуже великий інтенсивності фотоефекту немає, тоді як із її опроміненні ультрафіолетовим світломнавіть дуже малої інтенсивності фотоефект спостерігається.

8. З початку опромінення металу світлом до початку вильоту фотоелектронів минає час t<10 -9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v > vдо, то виліт фотоелектронів відбувається майже миттєво. Якщо ж v < vдо, то як би довго не освітлювали метал, фотоефект не спостерігається.

Фотони

У релятивістській фізиці (теоретично відносності) показується, що маса m і енергія W взаємопов'язані:

W = mc 2

Тому кванту енергії Wф = h vелектромагнітного випромінювання відповідає маса

m ф = W ф / c 2 = h v / c 2

Електромагнітне випромінювання, а отже і фотон, існує лише при поширенні зі швидкістю з. Це означає, що маса спокою фотона дорівнює нулю.

Фотон, маючи масу m ф і рухаючись зі швидкістю з, має імпульс

p ф = m ф c = h v / c

Фотон має також власний моментімпульсу, званий спином .

L ф= h /2 p= h

Об'єкт, що має енергію, масу, імпульс, момент імпульсу асоціюється, швидше за все, з часткою. Тому квант енергії електромагнітного випромінювання – фотон – є хіба що частинкою електромагнітного випромінювання, зокрема світла.

З того, що електромагнітне випромінювання– це сукупність фотонів, випливає, що електромагнітне поле частинки є сукупністю фотонів, що випускаються і поглинаються самою ж часткою.

В рамках класичної фізики випромінювання переносника взаємодії вільною частинкою заборонено законами збереження енергії та імпульсу. Квантова фізиказнімає зазначену заборону, використовуючи співвідношення невизначеностей енергії та часу. Більше того, при цьому встановлюється зв'язок між масою переносника взаємодії та радіусом дії.

Такі процеси, які йдуть як би з порушенням закону збереження енергії, прийнято називати віртуальними процесами, а частинки, які переносять взаємодію і не можуть володіти енергією та імпульсом, пов'язаними так само, як у вільних частках, – віртуальними частинками. Віртуальні обмінні частинки, що у взаємодії, виявити неможливо. Але, збільшуючи енергію випромінюючої частки, наприклад, прискорюючи електрони, можна віртуальні фотони перетворити на дійсні, вільні, які можуть реєструватися. Це процес випромінювання реальних фотонів.

Таке уявлення електромагнітного поля призводить до перегляду концепції взаємодії електрично заряджених частинок за допомогою електромагнітного поля. Якщо від частки виявиться інша заряджена частка, то фотон, випущений однією часткою, може поглинутись іншою, і навпаки, у результаті відбудеться обмін фотонами, тобто. частинки почнуть взаємодіяти. Таким чином, електромагнітна взаємодія частинок відбувається шляхом обміну фотонами. Цей механізм взаємодії називається обміннимі поширюється попри всі взаємодії. Будь-яке поле – це сукупність квантів – переносників взаємодій, що випускаються взаємодіючою часткою, а будь-яка взаємодія – це обмін переносниками взаємодії.

На закінчення відзначимо, що фотон є однією з частинок із групи фундаментальних частинок.

Неможливість пояснення законів фотоефекту з урахуванням хвильових поглядів на світлі.

Були зроблені спроби пояснити закономірності зовнішнього фотоефекту з урахуванням хвильових поглядів на світлі. Згідно з цими уявленнями, механізм фотоефекту виглядає так. На метал падає світлова хвиля. Електрони, що знаходяться в поверхневому шарі, поглинають енергію цієї хвилі, і їх енергія поступово збільшується. Коли вона стає більше роботиВиходу, електрони починають вилітати з металу. Таким чином, хвильова теорія світла ніби здатна якісно пояснити явище фотоефекту.

Однак розрахунки показали, що при такому поясненні час між початком освітлення металу та початком вильоту електронів має бути близько десяти секунд. Тим часом з досвіду випливає, що t<10 -9 c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безынерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Відповідно до хвильової теорії кінетична енергія фотоелектронів повинна зростати зі збільшенням інтенсивності світла, що падає на метал. А інтенсивність хвилі визначається амплітудою коливань напруженості Е, а чи не частотою світла. (Від інтенсивності падаючого світла залежить лише кількість електронів, що вибиваються, і сила струму насичення).

З хвильової теорії випливає, що енергію, необхідну виривання електронів з металу, здатне дати випромінювання будь-якої довжини хвилі, якщо його інтенсивність досить велика, тобто. що фотоефект може викликатись будь-яким світловим випромінюванням. Проте є червона межа фотоефекту, тобто. енергія, що отримується електронами, залежить не від амплітуди хвилі, а від її частоти.

Таким чином, спроби пояснити закономірності фотоефекту на основі хвильових уявлень про світло виявилися неспроможними.

Пояснення законів фотоефекту на основі квантових уявлень про світло. Ейнштейн рівняння для фотоефекту.

Для пояснення закономірностей фотоефекту А. Ейнштейн використав квантові уявлення про світло, введені Планком для опису теплового випромінювання тел.

Ейнштейн, аналізуючи флуктуації енергії випромінювання абсолютно чорного тіла, дійшов висновку про те, що випромінювання поводиться так, якби воно складалося з N=W/(hv) незалежних квантів енергії величиною hv кожен. За Ейнштейном, при поширенні світла, що вийшло з якоїсь точки, енергія розподіляється не безперервно в дедалі більшому просторі. Енергія складається з кінцевого числа локалізованих у просторі квантів енергії. Ці кванти рухаються, не поділяючись на частини; вони можуть поглинатися та випускатися тільки як ціле.

Таким чином, Ейнштейн дійшов висновку, що світло не тільки випромінюється, а й поширюється у просторі та поглинається речовиною у вигляді квантів. Порції світлового випромінювання – кванти світла – які мають корпускулярними властивостями, тобто. властивостями частинок, які є носіями властивостей електромагнітного поля. Ці частки отримали назву фотонів.

З точки зору квантових уявлень про світло енергія монохроматичного випромінювання, що падає на метал, складається з фотонів з енергією.

W ф = h v

W св = NW ф = Nh v

а потік енергії світла дорівнює

Ф= W св / t = Nh v / t = n ф h v

де N - Число фотонів, що падають на метал за час t; n ф – число фотонів, що падають на метал за одиницю часу.

Взаємодія випромінювання з речовиною складається з великої кількості елементарних актів, у кожному з яких один електрон повністю поглинає енергію одного фотона. Якщо енергія фотонів більша за роботу виходу або їй дорівнює, то електрони вилітають з металу. При цьому частина енергії поглиненого фотона витрачається на виконання роботи виходу А, а решта становить кінетичну енергію фотоелектрона. Тому

W ф =А + W до ; h v =А + mv 2 /2.

Цей вираз називається рівнянням Ейнштейна для фотоефекту.

З нього видно, що кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти світла, що падає (другий закон фотоефекту).

Якщо енергія квантів менша за роботу виходу, то при будь-якій інтенсивності світла електрони не вилітають. Цим пояснюється існування червоного кордону фотоефекту (третій закон фотоефекту).

Покажемо тепер, як пояснюється перший закон фотоефекту на основі квантових уявлень про світло.

Число електронів, що вивільняються внаслідок фотоефекту n е, повинно бути пропорційно числу падаючих на поверхню квантів світла n ф;

n е ~ n ф ; n е = kn ф ,

де k - Коефіцієнт, що показує, яка частина падаючих фотонів вибиває електрони з металу. (Зауважимо, що лише мала частина квантів передає свою енергію фотоелектронам. Енергія інших квантів витрачається на нагрівання речовини, що поглинає світло). Число фотонів n ф визначає потік енергії падаючого світла.

Таким чином, квантова теорія світла повністю пояснює всі закономірності зовнішнього фотоефекту. Тим самим незаперечно експериментально підтверджується те, що світло крім хвильових властивостей має корпускулярні властивості.

Корпускулярно-хвильова природа світла

Явлення інтерференції, дифракції, поляризації світла від традиційних джерел світла незаперечно свідчить про хвильових властивостях світла. Однак і в цих явищах за відповідних умов світло виявляє корпускулярні властивості. Своєю чергою закономірності теплового випромінювання тіл, фотоелектричного ефекту та інших незаперечно свідчать, що світло поводиться не як безперервна, протяжна хвиля, бо як потік «згустків» (порцій, квантів) енергії, тобто. як потік частинок - фотонів. Але за цих явищ світло має і хвильові властивості, вони цих явищ просто істотні.

Виникає питання, що є світлом – безперервну електромагнітну хвилю, що випромінюється джерелом, або потік дискретних фотонів, що випускаються джерелом? Необхідність приписувати світлу, з одного боку, квантові, корпускулярні властивості, з другого боку, хвильові – може створити враження недосконалості наших знань про властивості світла. Необхідність користуватися при поясненні експериментальних фактів різними і начебто виключаючими один одного уявленнями видається штучною. Хочеться думати, що все різноманіття оптичних явищ можна пояснити на основі однієї з двох точок зору на властивості світла.

Одним із найбільш значних досягнень фізики нашого століття служить поступове переконання в помилковості спроби протиставити один одному хвильові та квантові властивості світла. Властивості безперервності, характерні електромагнітного поля світлової хвилі, не виключають властивостей дискретності, характерні для світлових квантів – фотонів. Світло одночасно має властивості безперервних електромагнітних хвиль та властивості дискретних фотонів. Він є діалектичним єдність цих протилежних властивостей. Електромагнітне випромінювання (світло) – це потік фотонів, поширення та розподіл яких у просторі описується рівняннями електромагнітних хвиль. Отже, світло має корпускулярно – хвильову природу.

Корпускулярно - хвильова природа світла відображена у формулі

p ф = h v / c = h / l

зв'язує корпускулярну характеристику фотона – імпульс з хвильовою характеристикою світла – із частотою (або довжиною хвилі).

Однак корпускулярно – хвильова природа світла не означає, що світло – це і частка, і хвиля у звичному класичному їх уявленні.

Взаємозв'язок корпускулярних та хвильових властивостей світла знаходить просте тлумачення при статистичному (ймовірному) підході до розгляду розподілу та поширення фотонів у просторі.

1) Розглянемо дифракцію світла, наприклад, на круглому отворі.

Якщо через отвір пропустити один фотон, то на екрані не буде світлих і темних смуг, що чергуються, як слід би очікувати з хвильової точки зору; фотон потрапляє в одну, ту чи іншу, точку екрана, а не розпливається по ньому, як би мало бути за хвильовими уявленнями. Але при цьому не можна фотон розглядати як частинку і розрахувати, в яку саме точку він потрапляє, що можна зробити, якби фотон був класичною часткою.

Якщо пропустити через отвір N фотонів один за одним, різні фотони можуть потрапити в різні точки екрана. Але в ті місця, де згідно з хвильовими уявленнями мають бути світлі смуги, фотони потраплятимуть частіше.

Якщо ж через отвір пропустити все N фотонів відразу, то у кожній точці простору та екрану виявляється стільки фотонів, скільки потрапляло туди при пропусканні їх по одному. Але в цьому випадку відповідне число фотонів у кожну точку екрана потрапляє одночасно і, якщо N велике, на екрані буде спостерігатися дифракційна картина, що очікується з точки зору хвильових уявлень.

Наприклад, для темних інтерференційних смуг квадрат амплітуди коливання та щільність ймовірності попадання фотонів мінімальна, а для світлих смуг квадрат амплітуди та щільність ймовірності максимальні.

Таким чином, якщо світло містить дуже велику кількість фотонів, то при дифракції його можна розглядати як безперервну хвилю, хоча воно складається з дискретних фотонів.

2) У явищі зовнішнього фотоелектричного ефекту важливо, що кожен фотон стикається тільки з одним електроном (як частинка з часткою) і поглинається ним, не поділяючись на частини, як ціле, а не те, який саме фотон, який саме вільний електрон потрапляє (це визначається хвильовими властивостями) та вибиває його. Тому при фотоефекті світло начебто можна як потік частинок.

Корпускулярно - хвильова природа електромагнітного випромінювання була встановлена ​​саме для світла тому, що звичайне сонячне світло, з яким ми маємо справу в повсякденному житті, з одного боку, представляє потік великої кількості фотонів і чітко виявляє хвильові властивості, а з іншого боку, фотони світла мають енергію, достатню для здійснення таких ефектів як фотоіонізація, фотолюмінесценція, фотосинтез, фотоефект, в яких визначальну роль відіграють корпускулярні властивості. Фотони ж, відповідні, наприклад, радіохвилях, мають малу енергію, і окремі фотони помітних дій не роблять, і радіохвилі, що реєструються, повинні містити багато фотонів і поводитися швидше як хвилі. g- промені, що виникають при радіоактивних розпадах ядер і ядерних реакціях, мають велику енергію, їх дія легко реєструється, але потік великої кількості фотонів виходить у спеціальних умовах в ядерних реакторах. Тому g – промені частіше проявляють себе як частинки, а не як хвилі.

Отже, світло корпускулярний у тому сенсі, що його енергія, імпульс, маса і спин локалізовані у фотонах, а не розмиті в просторі, але не в тому, що фотон може перебувати в певному місці простору. Світло поводиться як хвиля тому, що поширення і розподіл фотонів у просторі носять ймовірний характер: ймовірність того, що фотон знаходиться в цій точці визначається квадратом амплітуди в цій точці. Але імовірнісний (хвильовий) характер розподілу фотонів у просторі не означає, що фотон у кожний момент часу знаходиться в одній точці.

Таким чином, світло поєднує безперервність хвиль і дискретність частинок. Якщо врахуємо, що фотони існують тільки при русі (зі швидкістю с), то приходимо до висновку, що світла одночасно властиві як хвильові, так і корпускулярні властивості. Але в деяких явищах за певних умов основну роль відіграють або хвильові, або корпускулярні властивості і світло можна розглядати як хвилю, або як частинки (корпускули).

Практичне застосування інтерференції світла

Застосування голографії при неруйнівному контролі матеріалів.

При зчитуванні такої голограми відтворюються обидві предметні хвилі, що інтерферують. Якщо деформація об'єкта невелика (сумірна з довжиною хвилі l), то зображення об'єкта буде чітким, але покритим інтерференційними смугами, ширина і форма яких кількісно дозволяють описати деформації об'єкта, оскільки вид смуг у кожній точці поверхні пропорційний до зміни оптичної довжини шляху.

Голографічна інтерферометрія застосовується також виявлення дефектів у разі, якщо вони (тріщини, порожнечі, неоднорідності властивостей матеріалу, тощо.) призводить до аномальної деформації поверхні об'єкта при навантаженні. Деформації виявляються зі зміни інтерференційної картини проти картиною, що виникає без дефектного зразка.

При голографічному інтерференційному неруйнівному контролі використовують різні способи навантаження. Наприклад, при механічному навантаженні виявляються і локалізуються мікротріщини довжиною в кілька міліметрів, як на поверхні матеріалу, так і поблизу неї. Такі дослідження проводяться, зокрема, для виявлення тріщин у бетоні та спостереженні за їх зростанням.

Голографічна інтерферометрія використовується для вивчення якості з'єднання в порожнистих конструкціях, тоді використовується навантаження під тиском та вакуумне навантаження. Деформація в дефектних областях і, отже, інтерференційні картини від деформації інших ділянок конструкції.

Часто застосовується теплове навантаження. Цей метод ґрунтується на вивченні поверхневих деформацій, що виникають при зміні температури поверхні. У зоні дефекту спотворюється температурне поле, що призводить до локальної зміни деформації і, отже, спотворення інтерференційної картини. Завдяки високій чутливості голографічної інтерферометрії, деформації, що реєструються, з'являються при зміні температури об'єкта всього на кілька градусів в порівнянні з температурою навколишнього середовища.

Застосування фотоефекту

Найпростішим приладом, який працює на основі використання фотоефекту, є вакуумний фотоелемент. Вакуумний фотоелемент складається зі скляної колби, з двома електричними висновками. Внутрішня поверхня колби частково вкрита тонким шаром металу. Це покриття є катодом фотоелемента. У центрі балона розташований анод. Виведення катода та анода підключаються до джерела постійної напруги. При освітленні катода з поверхні вириваються електрони. Цей процес називається зовнішнім фотоефектом. Електрони рухаються під впливом електричного поля до анода. У ланцюзі фотоелемента виникає електричний струм, сила струму пропорційна потужності світлового випромінювання. Таким чином, фотоелемент перетворює енергію світлового випромінювання в енергію електричного струму.

Для перетворення енергії світлового випромінювання на енергію електричного струму застосовуються і напівпровідникові фотоелементи.

Напівпровідниковий елемент має такий пристрій. У плоскому кристалі кремнію або іншого напівпровідника з дірковою провідністю створюється тонкий шар напівпровідника з електронною провідністю. На межі поділу цих верств виникає p – n – перехід. При освітленні напівпровідникового кристала внаслідок поглинання світла відбувається зміна розподілу електронів та дірок з енергій. Цей процес називається внутрішнім фотоефектом. В результаті внутрішнього фотоефекту збільшується кількість вільних електронів і дірок у напівпровіднику, відбувається їх поділ на межі p – n – переходу.

При з'єднанні протилежних шарів напівпровідникового фотоелемента провідником ланцюга виникає електричний струм; сила струму в ланцюзі пропорційна потужності світлового потоку випромінювання, що падає на фотоелемент.

Увімкнення фотоелемента послідовно з обмоткою електромагнітного реле дозволяє автоматично вмикати або вимикати виконавчі пристрої при попаданні світла на фотоелемент. Фотоелементи використовуються в кіно для відтворення звукового супроводу, записаного на фільм у вигляді звукової доріжки.

Напівпровідникові фотоелементи широко використовуються на штучних супутниках Землі, міжпланетних автоматичних станціях та орбітальних станціях як енергетичні установки, за допомогою яких енергія сонячного випромінювання перетворюється на електричну енергію. ККД сучасних напівпровідникових фотоелектричних генераторів перевищує 20%.

Напівпровідникові фотоелементи все ширше використовуються в побуті. Вони використовуються як не поновлювані джерела струму в годинах, мікрокалькуляторах.

Вступ 3

Інтерференція 4

Дифракція 5

Поляризація 6

Дисперсія 8

Гіпотеза Планка 9

Відкриття фотоефекту 10

Закони фотоефекту 11

Фотони 14

Неможливість пояснення фотоефекту на основі хвильових уявлень про світло 15

Пояснення законів фотоефекту на основі квантових уявлень про світло. Ейнштейн для фотоефекту 16

Корпускулярно - хвильова природа світла 18

Практичне застосування інтерференції світла 21

Застосування фотоефекту 23

Список використаної літератури 25

Московська Державна Академія Водного Транспорту

Кафедра фізики та хімії

Концепція сучасного природознавства (з фізики)

на тему:

«Корпускулярно-хвильовий дуалізм, його значення в теорії та експериментальні підтвердження»

Виконав:

Студент 2-го курсу

групи МВТ-4

Викладач:

Кобранов.М.Є

Москва 2001

Список літератури:

Грибов Л.А. Прокоф'єва Н.І., "Основи фізики", вид. Наука 1995р.

Жібров А.Є., Михайлов В.К., Гальцев В.В., «Елементи квантової механіки та фізики атома», МІСД ім. В.В Куйбишева, 1984р.

Шпольський І.В., "Атомна фізика", вид. Наука, 1974р.

Гурський І.П., «Елементарна фізика», За редакцією Савельєва І.В., 1984р.

«Елементарний підручник фізики», За ред. Ландсберг Г.С., 1986р.

Кабардін О.Ф., «Фізика», вид. Просвітництво.

Савельєв І.В., "Курс загальної фізики", вид. Наука, 1988р.