Talasna i korpuskularna svojstva svjetlosti ukratko. Korpuskularna i valna svojstva čestica

Godine 1900. objavljen je rad M. Plancka posvećen problemu toplotnog zračenja tijela. M. Planck je modelirao materiju kao skup harmonijskih oscilatora različitih frekvencija. Pod pretpostavkom da se zračenje ne javlja kontinuirano, već u porcijama – kvantima, dobio je formulu za raspodjelu energije po spektru toplotnog zračenja, koja se dobro slagala sa eksperimentalnim podacima.

gdje je h Planckova konstanta, k je Boltzmanova konstanta, T je temperatura, ν je frekvencija zračenja.

Tako se prvi put u fizici pojavila nova fundamentalna konstanta - Plankova konstanta. Plankova hipoteza o kvantnoj prirodi toplotnog zračenja protivreči osnovama klasične fizike i pokazala je granice njene primenljivosti.
Pet godina kasnije, A. Einstein je, generalizirajući ideju M. Plancka, pokazao da je kvantizacija opće svojstvo elektromagnetnog zračenja. Prema Einsteinu, elektromagnetno zračenje se sastoji od kvanta, kasnije nazvanih fotona. Svaki foton ima određenu energiju i impuls:

E = hν , = (h/λ),

gdje su λ i ν valna dužina i frekvencija fotona, i jedinični vektor u smjeru širenja valova.

Ideja kvantizacije elektromagnetnog zračenja omogućila je da se objasne zakoni fotoelektričnog efekta, koje su eksperimentalno proučavali G. Hertz i A. Stoletov. Na osnovu kvantne teorije, A. Compton je 1922. godine objasnio fenomen elastičnog rasipanja elektromagnetnog zračenja slobodnim elektronima, praćen povećanjem talasne dužine svetlosti. Otkriće dvojne prirode elektromagnetnog zračenja - dualnosti talas-čestica - imalo je značajan uticaj na razvoj kvantne fizike i objašnjenje prirode materije.

Godine 1924. Louis de Broglie iznio je hipotezu o univerzalnosti dualnosti talas-čestica. Prema ovoj hipotezi, ne samo fotoni, već i sve druge čestice materije, uz korpuskularne, imaju i valna svojstva. Odnosi koji povezuju korpuskularna i valna svojstva čestica isti su kao oni koji su ranije uspostavljeni za fotone

E = h = ω , = , |p| = h/λ /,

gdje je h = 2π, ω = 2πν, = 2π talasna dužina (de Broglie) koja se može uporediti sa česticom. Vektor talasa je orijentisan u pravcu kretanja čestica. Direktni eksperimenti koji potvrđuju ideju o čestično-valnom dualnosti čestica bili su eksperimenti koji su 1927. izveli K. Davisson i L. Germer na difrakciji elektrona na monokristalu nikla. Kasnije je uočena difrakcija drugih mikročestica. Metoda difrakcije čestica trenutno se široko koristi u proučavanju strukture i svojstava materije.
Eksperimentalna potvrda ideje dualnosti val-čestica dovela je do revizije uobičajenih ideja o kretanju čestica i metode opisivanja čestica. Klasične materijalne tačke karakteriše kretanje po određenim putanjama, tako da su njihove koordinate i momenti precizno poznati u svakom trenutku. Za kvantne čestice ova tvrdnja je neprihvatljiva, jer je za kvantnu česticu impuls čestice povezan sa njenom talasnom dužinom, a govoriti o talasnoj dužini u datoj tački prostora je besmisleno. Stoga je za kvantnu česticu nemoguće istovremeno točno odrediti vrijednosti njenih koordinata i impulsa. Ako čestica zauzima tačno određenu poziciju u prostoru, tada je njen impuls potpuno neizvjestan, i obrnuto, čestica s određenim impulsom ima potpuno neizvjesnu koordinatu. Nesigurnost u vrijednosti koordinate čestice Δ x i nesigurnost u vrijednosti komponente impulsa čestice Δ p x povezane su uspostavljenom relacijom nesigurnosti

Prve ideje drevnih naučnika o tome šta je svetlost bile su veoma naivne. Bilo je nekoliko tačaka gledišta. Neki su vjerovali da posebni tanki pipci izlaze iz očiju i vizualni utisci nastaju kada opipaju predmete. Ovo gledište imalo je veliki broj sljedbenika, među kojima su bili Euklid, Ptolomej i mnogi drugi naučnici i filozofi. Drugi su, naprotiv, vjerovali da zrake emituje svjetlosno tijelo i da, dospivši do ljudskog oka, nose otisak svjetlećeg objekta. Ovog gledišta zastupali su Lukrecije i Demokrit.

U isto vrijeme, Euklid je formulisao zakon pravolinijskog širenja svjetlosti. Napisao je: "Zraci koje emituju oči putuju ravnom putanjom."

Međutim, kasnije, već u srednjem vijeku, ova ideja o prirodi svjetlosti gubi smisao. Sve je manje naučnika koji slijede ove stavove. I do početka 17.st. ova gledišta se mogu smatrati već zaboravljenim.

U 17. veku, gotovo istovremeno, nastale su i počele da se razvijaju dve potpuno različite teorije o tome šta je svetlost i kakva je njena priroda.

Jedna od ovih teorija povezana je s imenom Newton, a druga s imenom Huygens.

Newton se pridržavao takozvane korpuskularne teorije svjetlosti, prema kojoj je svjetlost strujanje čestica koje dolazi iz izvora u svim smjerovima (prijenos materije).

Prema Huygensovim idejama, svjetlost je tok valova koji se širi u posebnom, hipotetičkom mediju - etru, ispunjava sav prostor i prodire u sva tijela.

Obje teorije postojale su paralelno dugo vremena. Niko od njih nije mogao izboriti odlučujuću pobjedu. Samo je Newtonov autoritet natjerao većinu naučnika da daju prednost korpuskularnoj teoriji. Zakoni širenja svjetlosti, poznati u to vrijeme iz iskustva, više ili manje uspješno su objašnjeni u obje teorije.

Na osnovu korpuskularne teorije bilo je teško objasniti zašto svjetlosni snopovi, koji se ukrštaju u prostoru, ne djeluju jedni na druge. Na kraju krajeva, svjetlosne čestice se moraju sudarati i raspršiti.

Talasna teorija je to lako objasnila. Valovi, na primjer na površini vode, slobodno prolaze jedan kroz drugi bez međusobnog utjecaja.

Međutim, pravolinijsko širenje svjetlosti, koje dovodi do stvaranja oštrih sjenki iza objekata, teško je objasniti na temelju teorije valova. Sa korpuskularnom teorijom, pravolinijsko širenje svjetlosti je jednostavno posljedica zakona inercije.

Ova neizvjesna pozicija u pogledu prirode svjetlosti zadržala se sve do početka 19. stoljeća, kada su otkriveni fenomeni difrakcije svjetlosti (savijanje svjetlosti oko prepreka) i svjetlosne interferencije (pojačavanje ili slabljenje osvjetljenja kada se svjetlosni snopovi nalažu jedan na drugi). Ove pojave su svojstvene isključivo kretanju talasa. One se ne mogu objasniti korpuskularnom teorijom. Stoga se činilo da je teorija talasa odnijela konačnu i potpunu pobjedu.

Ovo samopouzdanje je posebno ojačano kada je Maksvel u drugoj polovini 19. veka pokazao da je svetlost poseban slučaj elektromagnetnih talasa. Maxwellov rad je postavio temelje elektromagnetne teorije svjetlosti.

Nakon eksperimentalnog otkrića elektromagnetnih valova od strane Herca, nije bilo sumnje da se svjetlost, kada se širi, ponaša kao talas.

Međutim, početkom 19. stoljeća ideje o prirodi svjetlosti počele su se radikalno mijenjati. Neočekivano, pokazalo se da je odbačena korpuskularna teorija i dalje povezana sa stvarnošću.

Kada se emituje i apsorbuje, svetlost se ponaša kao mlaz čestica.

Otkrivena su diskontinuirana, ili kako se kaže, kvantna svojstva svjetlosti. Nastala je neobična situacija: fenomeni interferencije i difrakcije se i dalje mogu objasniti posmatranjem svetlosti kao talasa, a fenomeni emisije i apsorpcije posmatranjem svetlosti kao struje čestica. Tridesetih godina 20. veka ove dve naizgled nespojive ideje o prirodi svetlosti uspele su da se na konzistentan način ujedine u novu izvanrednu fizičku teoriju - kvantnu elektrodinamiku.

1. Talasna svojstva svjetlosti

Dok je poboljšavao teleskope, Newton je primijetio da je slika koju proizvodi sočivo obojena na rubovima. Zainteresovao se za ovo i bio je prvi koji je „istražio raznovrsnost svetlosnih zraka i rezultirajuće karakteristike boja, što niko do sada nije radio“ (reči sa natpisa na Njutnovom grobu) Njutnov glavni eksperiment bio je briljantno jednostavan. Newton je pretpostavio da će svjetlosni snop malog poprečnog presjeka usmjeriti na prizmu. Snop sunčeve svjetlosti ušao je u zamračenu sobu kroz malu rupu na kapci. Padajući na staklenu prizmu, prelomio se i dao izduženu sliku s duginom izmjenom boja na suprotnom zidu. Slijedeći vjekovnu tradiciju, prema kojoj se smatralo da se duga sastoji od sedam osnovnih boja, Newton je identificirao i sedam boja: ljubičastu, plavu, cijan, zelenu, žutu, narandžastu i crvenu. Njutn je duginu prugu nazvao spektrom.

Prekrivajući rupu crvenim staklom, Newton je uočio samo crvenu mrlju na zidu, prekrivajući je plavo-plavom, itd. Iz ovoga je sledilo da nije prizma ta koja je obojila belo svetlo, kao što se ranije mislilo. Prizma ne mijenja boju, već je samo razlaže na sastavne dijelove. Bijelo svjetlo ima složenu strukturu. Iz njega je moguće izdvojiti grozdove različitih boja, a samo njihovo kombinovano djelovanje daje utisak bijele boje. U stvari, ako se koristi druga prizma zarotirana za 180 stepeni u odnosu na prvu. Sakupite sve snopove spektra, a zatim opet dobijete bijelo svjetlo. Izolujući bilo koji dio spektra, na primjer zeleni, i prisiljavajući svjetlost da prođe kroz drugu prizmu, više nećemo dobiti daljnju promjenu boje.

Još jedan važan zaključak do kojeg je Newton došao formulirao je u svojoj raspravi o "Optici" na sljedeći način: "Svjetlosni snopovi koji se razlikuju po boji razlikuju se po stupnju prelamanja ljubičastih zraka najjače, crvenih zraka manje od drugih." Ovisnost indeksa prelamanja svjetlosti o njegovoj boji naziva se disperzija (od latinske riječi Dispergo - rasipanje).

Newton je kasnije poboljšao svoja opažanja spektra kako bi dobio čistije boje. Na kraju krajeva, okrugle obojene mrlje svjetlosnog snopa koji prolazi kroz prizmu djelomično su se preklapali. Umjesto okrugle rupe korišten je uski prorez (A), osvijetljen jarkim izvorom. Iza proreza nalazilo se sočivo (B), koje je davalo sliku na ekranu (D) u obliku uske bijele pruge. Ako se prizma (C) postavi na putanju zraka, slika proreza će se razvući u spektar, obojenu prugu, prijelazi boja u kojima su od crvene do ljubičaste slični onima koji se opažaju u dugi. Njutnov eksperiment je prikazan na slici 1

Ako otvor prekrijete staklom u boji, tj. ako na prizmu usmjerite obojenu svjetlost umjesto bijele svjetlosti, slika proreza će se svesti na obojeni pravougaonik koji se nalazi na odgovarajućem mjestu u spektru, tj. Ovisno o boji, svjetlo će odstupati pod različitim uglovima od originalne slike. Opisana zapažanja pokazuju da se zraci različitih boja različito lome prizmom.

Newton je potvrdio ovaj važan zaključak kroz mnoge eksperimente. Najvažnije od njih bilo je određivanje indeksa prelamanja zraka različitih boja izolovanih iz spektra. U tu svrhu je u ekranu izrezana rupa na kojoj se dobija spektar; Pomicanjem ekrana bilo je moguće izbaciti uski snop zraka jedne ili druge boje kroz rupu. Ova metoda izolacije jednoličnih zraka je naprednija od izolacije pomoću obojenog stakla. Eksperimenti su otkrili da tako odvojeni snop, prelomljen u drugoj prizmi, više ne rasteže traku. Takav snop odgovara određenom indeksu prelamanja, čija vrijednost ovisi o boji odabranog snopa.

Dakle, Newtonovi glavni eksperimenti sadržavali su dva važna otkrića:

1. Svjetlost različitih boja karakteriziraju različiti indeksi prelamanja u datoj tvari (disperzija).

2. Bijela boja je kolekcija jednostavnih boja.

Znajući da bijela svjetlost ima složenu strukturu, možemo objasniti nevjerovatnu raznolikost boja u prirodi. Ako predmet, na primjer list papira, reflektira sve zrake različitih boja koje padaju na njega, tada će izgledati bijelo. Prekrivanjem papira slojem boje ne stvaramo novu boju svjetlosti, već zadržavamo dio postojeće svjetlosti na listu. Sada će se reflektirati samo crvene zrake, a ostatak će apsorbirati sloj boje. Trava i lišće drveća nam se čine zelenim jer zbog svih sunčevih zraka koji padaju na njih, odbijaju samo zelene, upijajući ostatak. Ako travu pogledate kroz crveno staklo, koje propušta samo crvene zrake, izgledat će gotovo crno.

Sada znamo da različite boje odgovaraju različitim talasnim dužinama svetlosti. Stoga se prvo Newtonovo otkriće može formulirati na sljedeći način: indeks prelamanja tvari ovisi o talasnoj dužini svjetlosti. Obično se povećava kako se talasna dužina smanjuje.

Interferencija svetlosti je primećena veoma dugo, ali oni toga nisu bili svesni. Mnogi su vidjeli obrazac interferencije kada su se, kao djeca, zabavljali duvajući mjehuriće sapuna ili posmatrajući dugine boje tankog filma kerozina na površini vode. Interferencija svjetlosti čini mehur od sapunice tako vrijednim za divljenje.

Glavne karakteristike svjetlosti kao valnog procesa su frekvencija n i valna dužina l. Korpuskularna svojstva svjetlosti karakteriziraju fotoni. Svaki foton ima energiju

e f = hn, (5.1)

i impuls

. (5.3)

Formula (5.3) uspostavlja vezu između talasnih i korpuskularnih svojstava svetlosti.

S tim u vezi, nastala je pretpostavka da je dualna priroda svojstvena ne samo svjetlosti, već i česticama materije, posebno elektronu. Louis de Broglie je 1924. godine predložio sljedeću hipotezu: talasni proces je povezan s elektronom čija je valna dužina jednaka

gdje je h = 6,63 × 10 –34 J×s Plankova konstanta, m je masa elektrona, v je brzina elektrona.

Proračuni su pokazali da je talasna dužina povezana sa elektronom koji se kreće istog reda kao i talasna dužina X zraka (10 –10 ¸ 10 –13 m).

Iz de Broglieove formule (5.4) jasno je da su valna svojstva čestica značajna samo u onim slučajevima u kojima se ne može zanemariti vrijednost Planckove konstante h. Ako pod uslovima ovog problema možemo pretpostaviti da je h ® 0, onda se i l®0 i valna svojstva čestica mogu zanemariti.

5.2. Eksperimentalno utemeljenje korpuskularno-talasnog dualizma

De Broglieova hipoteza dobila je eksperimentalnu potvrdu u eksperimentima K. Davissona i L. Germera (1927), P.S. Tartakovski (1927), L.M. Biberman, N.G. Suškin i V.A. Fabrikant (1949) itd.

U eksperimentima Davissona i Germera (slika 5.1), elektroni iz elektronskog topa bili su usmjereni uskom snopu na kristal nikla, čija je struktura dobro poznata.

Sl.5.1. Dijagram eksperimenta Davisson i Germer

Elektroni reflektirani od površine kristala ušli su u prijemnik spojen na galvanometar. Prijemnik se kretao duž luka i hvatao elektrone reflektirane pod različitim uglovima. Što je više elektrona pogodilo prijemnik, galvanometar je zabilježio veću struju.

Pokazalo se da se za dati kut upada elektronskog snopa i promjenu razlike potencijala U koja ubrzava elektrone, struja I nije mijenjala monotono, već je imala niz maksimuma (slika 5.2).

Sl.5.2. Ovisnost jačine struje o razlici potencijala ubrzanja u eksperimentima Davissona i Germera

Rezultirajući grafikon sugerira da se refleksija elektrona događa ne pri bilo kojoj, već pri strogo definiranim vrijednostima U, tj. pri strogo definisanim brzinama v elektrona. Ova zavisnost bi se mogla objasniti samo na osnovu ideja o elektronskim talasima.

Da bismo to učinili, izražavamo brzinu elektrona u smislu napona ubrzanja:

i pronađite de Broljovu talasnu dužinu elektrona:

(5.6)

Za elektronske talase reflektovane od kristala, kao i za X-zrake, mora biti zadovoljen Wulff-Braggov uslov:

2d sinq = kl, k = 1,2,3,..., (5.7)

gdje je d konstanta kristalne rešetke, q je ugao između upadne zrake i površine kristala.

Zamjenom (5.6) u (5.7) nalazimo one vrijednosti napona ubrzanja koje odgovaraju maksimalnoj refleksiji, a time i maksimalnoj struji kroz galvanometar:

(5.8)

Vrijednosti U izračunate korištenjem ove formule pri q=const se odlično slažu s eksperimentalnim rezultatima Davissona i Germera.

U eksperimentima P.S. Kristal Tartakovski je zamijenjen tankim filmom polikristalne strukture (slika 5.3).

Sl.5.3. Šema eksperimenata P.S. Tartakovski

Elektroni raspršeni filmom stvarali su difrakcijske krugove na ekranu. Slična slika je uočena kada su rendgenski zraci raspršeni polikristalima. Iz prečnika difrakcionih krugova može se odrediti de Broglieova talasna dužina l elektrona. Ako je l poznat, onda nam difrakcijski uzorak omogućava da prosudimo strukturu kristala. Ova metoda proučavanja strukture naziva se elektronografija.

L.M. Biberman, N.G. Suškin i V.A. Proizvođač je izvršio eksperimente na difrakciji pojedinačnih, naizmjenično letećih elektrona. Pojedinačni elektroni udaraju u različite tačke na ekranu, naizgled nasumično rasute. Međutim, prilikom raspršivanja velikog broja elektrona otkriveno je da su tačke u kojima elektroni udaraju u ekran raspoređene na način da formiraju maksimume i minimume, tj. uz dugu ekspoziciju, dobijen je isti uzorak difrakcije kao i elektronski snop. Ovo ukazuje da svaki pojedinačni elektron ima valna svojstva.

Difrakcijski fenomeni su uočeni u eksperimentima ne samo s elektronima, već i s protonima, neutronima, atomskim i molekularnim snopovima.

Svojstva talasa. Savremenik Isaaca Newtona, holandski fizičar Christiaan Huygens, nije odbacio postojanje korpuskula, ali je vjerovao da ih ne emituju svijetleća tijela, već da ispunjavaju sav prostor. Hajgens je proces širenja svetlosti predstavio ne kao translatorno kretanje, već kao sekvencijalni proces prenošenja uticaja jednog korpuskula na drugo.

Pristalice Huygensa su izrazile mišljenje da je svjetlost vibracija koja se širi u posebnom mediju - "eter", koji ispunjava sav kosmički prostor i koji slobodno prodire u sva tijela. Svjetlosna pobuda iz izvora svjetlosti se prenosi eterom u svim smjerovima.

Tako su nastale prve valne ideje o prirodi svjetlosti. Glavna vrijednost početne valovne teorije svjetlosti je princip koji je prvobitno formulirao Huygens, a zatim razvio Fresnel. Huygens-Fresnel princip kaže da svaki pupoljak koji je primio svjetlosnu ekscitaciju, zauzvrat, postaje centar sekundarnih valova i prenosi ih u svim smjerovima na susjedne pupoljke.

Talasna svojstva svjetlosti najjasnije se manifestuju u fenomenima interferencije i difrakcije.

Interferencija svjetlosti leži u činjenici da kada su dva talasa međusobno prisutna, vibracije mogu biti pojačane ili oslabljene. Princip interferencije otkrio je 1801. godine Englez Thomas Young (1773-1829), ljekar po profesiji. Jung je izveo sada već klasičan eksperiment s dvije rupe. Na ekranu su vrhom igle probušene dvije blisko raspoređene rupe, koje su bile osvijetljene sunčevom svjetlošću iz male rupe na prozoru sa zavjesama. Umjesto dva svijetla tona, iza ekrana je uočen niz naizmjeničnih tamnih i svijetlih prstenova.

Neophodan uslov za posmatranje interferentnog obrasca je koherentnost talasa (koordinisana pojava oscilatornih ili talasnih procesa).

Fenomen interferencije se široko koristi u uređajima - interferometrima, uz pomoć kojih se vrše razna precizna mjerenja i prati čistoća površinske obrade dijelova, kao i mnoge druge kontrolne operacije.

Godine 1818. Fresnel je predstavio opširan rad o difrakciji svjetlosti na takmičenju na Pariškoj akademiji nauka. Razmatrajući ovaj izvještaj, A. Poisson (1781-1840) je došao do zaključka da bi, prema teoriji koju je predložio Fresnel, pod određenim uvjetima, u središtu difrakcijske šeme od neprozirne okrugle prepreke na putu svjetlosti trebalo bi biti svetlosna tačka, a ne senka. Bio je to zapanjujući zaključak. D. F. Arago (1786-1853) je odmah izvršio eksperiment i Poissonovi proračuni su potvrđeni. Dakle, zaključak koji je napravio Poisson, a koji je izvana bio kontradiktoran Fresnelovoj teoriji, pretvorio se uz pomoć Aragovog eksperimenta u jedan od dokaza njegove valjanosti, a također je postavio temelj za prepoznavanje valne prirode svjetlosti.

Fenomen odstupanja svjetlosti od pravolinijskog smjera širenja naziva se difrakcija.

Mnogi optički instrumenti su zasnovani na fenomenu difrakcije. Konkretno, difrakcija rendgenskih zraka se koristi u kristalografskoj opremi.

Talasna priroda svjetlosti i poprečna priroda svjetlosnih valova također je dokazana ovim fenomenom polarizacija. Suštinu polarizacije jasno pokazuje jednostavan eksperiment: kada svjetlost prolazi kroz dva prozirna kristala, njen intenzitet ovisi o relativnoj orijentaciji kristala. Sa istom orijentacijom, svjetlost prolazi bez slabljenja. Kada se jedan od kristala okrene za 90°, svjetlost se potpuno gasi, tj. ne prolazi kroz kristale.

Talasnu prirodu svjetlosti potvrđuje i fenomen disperzije svjetlosti. Uski paralelni snop bijele svjetlosti, kada prolazi kroz staklenu prizmu, razlaže se na snopove svjetlosti različitih boja. Obojena pruga se naziva kontinuirani spektar. Ovisnost brzine širenja svjetlosti u mediju o talasnoj dužini naziva se disperzija svjetlosti. Disperziju je otkrio I. Newton.

Razlaganje bijele svjetlosti objašnjava se činjenicom da se sastoji od elektromagnetnih valova različitih valnih dužina i indeks loma ovisi o valnoj dužini. Najveća vrijednost indeksa prelamanja je za svjetlost najkraće talasne dužine - ljubičasta, a najmanja za svjetlost sa najdužom talasnom dužinom - crvena. Eksperimenti su pokazali da je u vakuumu brzina svjetlosti ista za svjetlost bilo koje valne dužine.

Proučavanje fenomena difrakcije, interferencije, polarizacije i disperzije svjetlosti dovelo je do uspostavljanja valovne teorije svjetlosti.

Kvantna svojstva svjetlosti. Godine 1887. G. Hertz, kada je osvjetljavao cink ploču spojenu na elektrometarsku šipku, otkrio je fenomen fotoelektričnog efekta. Ako se pozitivno naelektrisanje prenese na ploču i štap, tada se elektrometar ne prazni kada je ploča osvijetljena. Dajući negativni električni naboj na ploču, elektrometar se prazni čim zračenje udari u ploču. Ovaj eksperiment dokazuje da se negativni centrični naboji izbacuju s površine metalne ploče pod utjecajem svjetlosti. Mjerenje naboja i mase čestica koje je svjetlost izbacila pokazalo je da su te čestice elektroni. Fenomen emisije elektrona tvari pod utjecajem elektromagnetnog zračenja naziva se fotoelektrični efekat.

Kvantitativni obrasci fotoelektričnog efekta ustanovljeni su 1888-1889. Ruski fizičar A.G. Stoletov (1839-1896).

Nije bilo moguće objasniti osnovne zakone fotoelektričnog efekta na osnovu elektromagnetne teorije svjetlosti. Elektromagnetska teorija svjetlosti nije mogla objasniti neovisnost energije fotoelektrona od intenziteta svjetlosnog zračenja, postojanje crvene granice fotoelektričnog efekta, proporcionalnost kinetičke energije fotoelektrona frekvenciji svjetlosti.

Maxwellova elektromagnetna teorija i Lorentzova elektronska teorija, uprkos svojim ogromnim uspjesima, bile su donekle kontradiktorne i naišlo se na niz poteškoća u njihovoj primjeni. Obje teorije bile su zasnovane na hipotezi o etru, samo je "elastični eter" zamijenjen "elektromagnetnim eterom" (Maxwellova teorija) ili "fiksnim eterom" (Lorentzova teorija). Maxwellova teorija nije mogla objasniti procese emisije i apsorpcije svjetlosti, fotoelektrični efekat, Comptonovo raspršenje, itd. Lorentzova teorija, zauzvrat, nije mogla objasniti mnoge pojave povezane s interakcijom svjetlosti sa materijom, posebno pitanje distribucije energije preko talasnih dužina tokom toplotnog zračenja apsolutno crnog tela.

Navedene poteškoće i protivrečnosti prevaziđene su zahvaljujući smeloj hipotezi koju je 1900. godine izneo nemački fizičar M. Planck, prema kojoj Emisija svjetlosti se ne događa kontinuirano, već diskretno, odnosno u određenim dijelovima (kvantima), čija je energija određena frekvencijom n:

Gdje h- Plankova konstanta.

Plancovoj teoriji nije potreban koncept etra. Objasnila je toplotno zračenje crnog tijela.

A. Einstein je stvorio 1905. godine kvantna teorija svjetlosti: ne samo emisija svjetlosti, već se i njeno širenje događa u obliku protok svetlosnih kvanta - fotona,čija je energija određena gornjom Planck formulom, i impuls

gdje je l talasna dužina.

Kvantna svojstva elektromagnetnih talasa najpotpunije se manifestuju u Comptonov efekat: Kada se monokromatsko rendgensko zračenje rasprši supstancom sa svjetlosnim atomima u raspršenom zračenju, zajedno sa zračenjem koje karakterizira izvorna valna dužina, uočava se zračenje veće valne dužine.

Kvantne ideje o svjetlosti dobro se slažu sa zakonima zračenja i apsorpcije svjetlosti, zakonima interakcije, zračenja sa materijom. Dobro proučeni fenomeni kao što su interferencija, difrakcija i polarizacija svjetlosti su dobro objašnjeni u smislu valnih koncepata. Cela raznolikost proučavanih svojstava i zakona širenja svetlosti, njene interakcije sa materijom to pokazuje svjetlost ima složenu prirodu: to je jedinstvo suprotnih svojstava - korpuskularnih (kvantnih) i talasnih (elektromagnetnih). Dug razvojni put je doveo do moderne ideje o dualnoj korpuskularno-talasnoj prirodi svjetlosti. Gornji izrazi povezuju korpuskularne karakteristike zračenja - masu i energiju kvanta - sa karakteristikama talasa - frekvencijom oscilovanja i talasnom dužinom. dakle, svjetlost predstavlja jedinstvo diskretnosti i kontinuiteta.

Pitanja za samotestiranje

Pitanje 1. Navedite najvažniji zadatak prirodnih nauka.

1. edukativni

2. ideološki

3. teleološki

4. stvaranje prirodnonaučne slike svijeta

Pitanje 2. Navedite najopštije, najvažnije fundamentalne koncepte fizičkog opisa prirode.

1. materija

2. kretanje

3. prostor

Pitanje 3. Imenujte filozofsku kategoriju za označavanje objektivne stvarnosti, koju reflektuju naši osjeti, koji postoje nezavisno od njih.

1. svijest

2. displej

3. materija

Tokom proteklih stotinu godina, nauka je napravila veliki napredak u proučavanju strukture našeg sveta i na mikroskopskom i na makroskopskom nivou. Nevjerovatna otkrića koja nam donose specijalne i opće teorije relativnosti i kvantne mehanike još uvijek uzbuđuju umove javnosti. Međutim, svaka obrazovana osoba treba da razumije barem osnove savremenih naučnih dostignuća. Jedna od najimpresivnijih i najvažnijih tačaka je dualnost talasa i čestica. Ovo je paradoksalno otkriće čije je razumijevanje izvan dosega intuitivne svakodnevne percepcije.

Korpuskule i talasi

Dualizam je prvi put otkriven u proučavanju svjetlosti, koja se ponašala potpuno drugačije ovisno o uvjetima. S jedne strane, pokazalo se da je svjetlost optički elektromagnetski talas. S druge strane, postoji diskretna čestica (hemijsko djelovanje svjetlosti). U početku su naučnici vjerovali da se ove dvije ideje međusobno isključuju. Međutim, brojni eksperimenti su pokazali da to nije slučaj. Postepeno, stvarnost takvog koncepta kao što je dualitet talas-čestica postala je uobičajena. Ovaj koncept daje osnovu za proučavanje ponašanja složenih kvantnih objekata koji nisu ni talasi ni čestice, već samo dobijaju svojstva potonjih ili prvih u zavisnosti od određenih uslova.

Eksperiment sa dvostrukim prorezom

Difrakcija fotona je jasna demonstracija dualizma. Detektor naelektrisanih čestica je fotografska ploča ili fluorescentni ekran. Svaki pojedinačni foton je bio obeležen osvetljenjem ili tačkastim blicem. Kombinacija takvih oznaka dala je interferencijski obrazac - izmjenu slabo i jako osvijetljenih pruga, što je karakteristika difrakcije valova. Ovo se objašnjava konceptom kao što je dualnost talasa i čestica. Čuveni fizičar i nobelovac Richard Feynman rekao je da se materija ponaša na malim razmjerima na takav način da je nemoguće osjetiti "prirodnost" kvantnog ponašanja.

Univerzalni dualizam

Međutim, ovo iskustvo vrijedi ne samo za fotone. Pokazalo se da je dualizam svojstvo svake materije i da je univerzalan. Heisenberg je tvrdio da materija postoji u oba oblika naizmenično. Danas je apsolutno dokazano da se oba svojstva pojavljuju potpuno istovremeno.

Korpuskularni talas

Kako možemo objasniti ovakvo ponašanje materije? Talas koji je svojstven korpuskulama (česticama) naziva se de Broglie val, nazvan po mladom aristokratskom naučniku koji je predložio rješenje ovog problema. Općenito je prihvaćeno da de Broglieove jednačine opisuju talasnu funkciju, koja, na kvadrat, određuje samo vjerovatnoću da se čestica nalazi u različitim tačkama prostora u različito vrijeme. Jednostavno rečeno, de Broljev val je vjerovatnoća. Tako je uspostavljena jednakost između matematičkog koncepta (vjerovatnosti) i realnog procesa.

Kvantno polje

Šta su korpuskuli materije? Uglavnom, to su kvanti talasnih polja. Foton je kvant elektromagnetnog polja, pozitron i elektron su elektron-pozitronsko polje, mezon je kvant mezonskog polja i tako dalje. Interakcija između valnih polja objašnjava se razmjenom određenih međučestica između njih, na primjer, tokom elektromagnetne interakcije dolazi do izmjene fotona. Iz ovoga direktno slijedi još jedna potvrda da su valni procesi koje je opisao de Broglie apsolutno stvarni fizički fenomeni. A dualizam val-čestica ne djeluje kao “misteriozno skriveno svojstvo” koje karakterizira sposobnost čestica da se “reinkarnira”. Jasno pokazuje dvije međusobno povezane radnje - kretanje objekta i valni proces povezan s njim.

Efekat tunela

Dualnost svetlosti talas-čestica povezana je sa mnogim drugim zanimljivim fenomenima. Smjer djelovanja de Broglieovog vala javlja se tokom takozvanog tunelskog efekta, odnosno kada fotoni prodiru kroz energetsku barijeru. Ova pojava je uzrokovana impulsom čestice koji premašuje prosječnu vrijednost u trenutku valnog antičvora. Tuneliranje je omogućilo razvoj mnogih elektronskih uređaja.

Interferencija svjetlosnih kvanta

Moderna nauka govori o interferenciji fotona na isti misteriozan način kao i o interferenciji elektrona. Ispostavilo se da foton, koji je nedjeljiva čestica, može istovremeno proći bilo kojom putanjom otvorenom sebi i ometati se. Ako uzmemo u obzir da je valno-čestična dualnost svojstava materije i fotona val koji pokriva mnoge strukturne elemente, onda nije isključena njegova djeljivost. Ovo je u suprotnosti s prethodnim pogledima na česticu kao elementarnu nedjeljivu formaciju. Posjedujući određenu masu kretanja, foton formira uzdužni val povezan s tim kretanjem, koji prethodi samoj čestici, budući da je brzina uzdužnog vala veća od brzine poprečnog elektromagnetnog vala. Stoga, postoje dva objašnjenja za interferenciju fotona sa samim sobom: čestica je podijeljena na dvije komponente, koje interferiraju jedna s drugom; Talas fotona putuje duž dva puta i formira interferencijski obrazac. Eksperimentalno je otkriveno da se interferencijski obrazac stvara i kada se jednostruko nabijene čestice-fotoni naizmjence prolaze kroz interferometar. Ovo potvrđuje tezu da svaki pojedinačni foton interferira sam sa sobom. Ovo se posebno jasno vidi kada se uzme u obzir činjenica da je svjetlost (ni koherentna ni monohromatska) skup fotona koje emituju atomi u međusobno povezanim i nasumičnim procesima.

Šta je svjetlost?

Svjetlosni val je elektromagnetno nelokalizirano polje koje je raspoređeno po prostoru. Elektromagnetno polje talasa ima zapreminsku gustinu energije koja je proporcionalna kvadratu amplitude. To znači da se gustina energije može promijeniti za bilo koju količinu, odnosno da je kontinuirana. S jedne strane, svjetlost je tok kvanta i fotona (korpuskula), koji zahvaljujući univerzalnosti takvog fenomena kao što je dualitet čestica-val, predstavljaju svojstva elektromagnetnog vala. Na primjer, u fenomenima interferencije i difrakcije i skala, svjetlost jasno pokazuje karakteristike talasa. Na primjer, jedan foton, kao što je gore opisano, prolazi kroz dvostruki prorez stvara interferencijski uzorak. Uz pomoć eksperimenata je dokazano da jedan foton nije elektromagnetski impuls. Ne može se podijeliti na snopove s razdjelnicima zraka, kao što su pokazali francuski fizičari Aspe, Roger i Grangerier.

Svetlost takođe ima korpuskularna svojstva koja se manifestuju u Comptonovom efektu i fotoelektričnom efektu. Foton se može ponašati kao čestica koju u potpunosti apsorbiraju objekti čije su dimenzije mnogo manje od njegove valne dužine (na primjer, atomsko jezgro). U nekim slučajevima, fotoni se općenito mogu smatrati točkastim objektima. Nema razlike u kojoj poziciji razmatramo svojstva svjetlosti. U polju vida boja, tok svjetlosti može djelovati i kao val i čestica-foton kao kvant energije. Tačka fokusirana na fotoreceptor retine, kao što je membrana konusa, može omogućiti oku da formira vlastitu filtriranu vrijednost kao glavne spektralne zrake svjetlosti i sortira ih u valne dužine. Prema kvantnim energetskim vrijednostima, u mozgu će tačka objekta biti prevedena u osjećaj boje (fokusirana optička slika).