Valguse laine- ja korpuskulaarsed omadused lühidalt. Osakeste korpuskulaarsed ja lainelised omadused

1900. aastal ilmus M. Plancki teos, mis oli pühendatud kehade soojuskiirguse probleemile. M. Planck modelleeris ainet kui erineva sagedusega harmooniliste ostsillaatorite kogumit. Eeldades, et kiirgus ei toimu pidevalt, vaid portsjonitena – kvantidena, sai ta soojuskiirguse spektri ulatuses energia jaotuse valemi, mis ühtis hästi katseandmetega.

kus h on Plancki konstant, k on Boltzmanni konstant, T on temperatuur, ν on kiirgussagedus.

Nii tekkis esimest korda füüsikas uus fundamentaalne konstant – Plancki konstant. Plancki hüpotees soojuskiirguse kvantloomusest läheb vastuollu klassikalise füüsika alustega ja näitas selle rakendatavuse piire.
Viis aastat hiljem näitas A. Einstein M. Plancki ideed üldistades, et kvantimine on elektromagnetilise kiirguse üldine omadus. Einsteini järgi koosneb elektromagnetkiirgus kvantidest, mida hiljem nimetatakse footoniteks. Igal footonil on teatud energia ja impulss:

E = hν , = (h/λ ),

kus λ ja ν on footoni lainepikkus ja sagedus ning laine levimise suuna ühikvektor.

Elektromagnetilise kiirguse kvantiseerimise idee võimaldas selgitada fotoelektrilise efekti seadusi, mida eksperimentaalselt uurisid G. Hertz ja A. Stoletov. A. Compton selgitas 1922. aastal kvantteooriale tuginedes elektromagnetkiirguse elastse hajumise nähtust vabade elektronide poolt, millega kaasneb valguse lainepikkuse suurenemine. Elektromagnetkiirguse duaalse olemuse – laine-osakeste duaalsuse – avastamine mõjutas oluliselt kvantfüüsika arengut ja aine olemuse selgitamist.

1924. aastal esitas Louis de Broglie hüpoteesi laine-osakeste duaalsuse universaalsuse kohta. Selle hüpoteesi kohaselt on laineomadused mitte ainult footonitel, vaid ka mis tahes muudel aineosakestel, lisaks korpuskulaarsetele. Osakeste korpuskulaarseid ja lainelisi omadusi ühendavad seosed on samad, mis varem tuvastati footonite puhul

E = h = ω , = , |p| = h/λ /,

kus h = 2π, ω = 2πν, = 2π on lainepikkus (de Broglie), mida saab osakesega võrrelda. Lainevektor on orienteeritud osakeste liikumise suunas. Otsesed katsed, mis kinnitasid osakeste-laine duaalsuse ideed, olid 1927. aastal K. Davissoni ja L. Germeri katsed elektronide difraktsioonil nikli monokristallil. Hiljem täheldati teiste mikroosakeste difraktsiooni. Osakeste difraktsioonimeetodit kasutatakse praegu laialdaselt aine struktuuri ja omaduste uurimisel.
Laine-osakeste duaalsuse idee eksperimentaalne kinnitus viis tavaliste ideede läbivaatamiseni osakeste liikumise ja osakeste kirjeldamise meetodi kohta. Klassikalisi materiaalseid punkte iseloomustab liikumine mööda teatud trajektoore, nii et nende koordinaadid ja momendid on igal ajahetkel täpselt teada. Kvantosakeste puhul on see väide vastuvõetamatu, kuna kvantosakese jaoks on osakese impulss seotud tema lainepikkusega ning lainepikkusest rääkimine antud ruumipunktis on mõttetu. Seetõttu on kvantosakeste jaoks võimatu samaaegselt täpselt määrata selle koordinaatide ja impulsi väärtusi. Kui osake hõivab ruumis täpselt määratletud positsiooni, siis on tema impulss täiesti ebakindel ja vastupidi, teatud impulsiga osake on täiesti ebakindla koordinaadiga. Osakese koordinaadi Δ x väärtuse määramatus ja osakese impulsi komponendi Δ p x väärtuse määramatus on seotud kindlaksmääratud määramatuse seosega.

Iidsete teadlaste esimesed ideed valguse kohta olid väga naiivsed. Seisukohti oli mitu. Mõned uskusid, et silmadest tulevad välja spetsiaalsed õhukesed kombitsad ja esemeid katsudes tekivad visuaalsed muljed. Sellel vaatenurgal oli palju järgijaid, kelle hulgas olid Eukleides, Ptolemaios ja paljud teised teadlased ja filosoofid. Teised, vastupidi, uskusid, et kiiri kiirgab helendav keha ja need kannavad inimsilma jõudes helendava objekti jäljendit. Seda seisukohta pidasid Lucretius ja Demokritos.

Samal ajal sõnastas Euclid valguse sirgjoonelise levimise seaduse. Ta kirjutas: "Silmade kiirgavad kiired liiguvad mööda sirget rada."

Kuid hiljem, juba keskajal, kaotab see valguse olemuse idee oma tähenduse. Teadlasi, kes neid seisukohti järgivad, jääb järjest vähemaks. Ja 17. sajandi alguseks. neid seisukohti võib lugeda juba unustatud.

17. sajandil tekkisid peaaegu üheaegselt kaks täiesti erinevat teooriat, mis hakkasid arenema selle kohta, mis on valgus ja mis on selle olemus.

Üks neist teooriatest on seotud Newtoni ja teine ​​Huygensi nimega.

Newton järgis nn korpuskulaarset valguse teooriat, mille kohaselt valgus on osakeste voog, mis tuleb allikast igas suunas (aineülekanne).

Huygensi ideede kohaselt on valgus lainete voog, mis levib spetsiaalses hüpoteetilises keskkonnas – eetris, täites kogu ruumi ja tungides kõikidesse kehadesse.

Mõlemad teooriad eksisteerisid paralleelselt pikka aega. Ükski neist ei suutnud otsustavat võitu saada. Ainult Newtoni autoriteet sundis enamikku teadlasi eelistama korpuskulaarteooriat. Tollal kogemustest tuntud valguse levimise seaduspärasusi selgitasid mõlemad teooriad enam-vähem edukalt.

Korpuskulaarteooria põhjal oli raske seletada, miks ruumis ristuvad valguskiired üksteisele ei mõju. Valgusosakesed peavad ju kokku põrkuma ja hajuma.

Laineteooria selgitas seda lihtsalt. Lained, näiteks veepinnal, läbivad üksteist vabalt ilma vastastikust mõju avaldamata.

Valguse sirgjoonelist levimist, mis viib objektide taha teravate varjude tekkeni, on aga laineteooria põhjal raske seletada. Korpuskulaarteooria kohaselt on valguse sirgjooneline levimine lihtsalt inertsiseaduse tagajärg.

Selline ebakindel seisukoht valguse olemuse suhtes püsis kuni 19. sajandi alguseni, mil avastati valguse difraktsiooni (valguse paindumine ümber takistuste) ja valgusinterferentsi (valgustuse suurenemine või nõrgenemine valguskiirte üksteise peale asetamisel) nähtused. Need nähtused on omased eranditult lainete liikumisele. Neid ei saa seletada korpuskulaarteooria abil. Seetõttu tundus, et laineteooria on saavutanud lõpliku ja täieliku võidu.

See kindlustunne tugevnes eriti siis, kui Maxwell näitas 19. sajandi teisel poolel, et valgus on elektromagnetlainete erijuht. Maxwelli töö pani aluse valguse elektromagnetilisele teooriale.

Pärast elektromagnetlainete eksperimentaalset avastamist Hertzi poolt polnud kahtlustki, et valgus levides käitub see nagu laine.

19. sajandi alguses hakkasid aga arusaamad valguse olemusest radikaalselt muutuma. Ootamatult selgus, et tagasilükatud korpuskulaarteooria oli siiski tegelikkusega seotud.

Kiirgamisel ja neeldumisel käitub valgus nagu osakeste voog.

Valguse katkendlikud või nagu öeldakse kvantomadused on avastatud. Tekkinud on ebatavaline olukord: interferentsi ja difraktsiooni nähtusi saab ikkagi seletada sellega, et valgust peetakse laineks, emissiooni ja neeldumise nähtusi aga sellega, et valgust peetakse osakeste vooluks. 20. sajandi 30. aastatel suudeti need kaks näiliselt kokkusobimatut ideed valguse olemuse kohta järjepidevalt ühendada uues silmapaistvas füüsikateoorias - kvantelektrodünaamikas.

1. Valguse lainelised omadused

Teleskoopide täiustamisel märkas Newton, et objektiivi tekitatud kujutis oli servadest värviline. Ta hakkas selle vastu huvi tundma ja oli esimene, kes "uuris valguskiirte mitmekesisust ja sellest tulenevaid värviomadusi, mida keegi varem polnud teinud" (sõnad Newtoni haual olevast raidkirjast) Newtoni põhikatse oli hiilgavalt lihtne. Newton arvas, et suunab väikese ristlõikega valguskiire prismale. Väikese aknaluugi augu kaudu sisenes pimendatud tuppa päikesekiir. Klaasprismale kukkudes see murdus ja andis vastasseinas vikerkaarelise värvide vaheldusega pikliku kujutise. Järgides sajanditepikkust traditsiooni, mille kohaselt peeti vikerkaart koosnevaks seitsmest põhivärvist, tuvastas Newton ka seitse värvi: violetne, sinine, tsüaan, roheline, kollane, oranž ja punane. Newton nimetas vikerkaareriba spektriks.

Kattes auku punase klaasiga, täheldas Newton seinal vaid punast laiku, kattes selle sinise-sinisega jne. Sellest järeldub, et valget valgust ei värvinud prisma, nagu varem arvati. Prisma ei muuda värvi, vaid ainult lagundab selle osadeks. Valgel valgusel on keeruline struktuur. Sellest on võimalik eraldada erinevat värvi kimbud ja ainult nende koosmõju jätab meile valge värvi mulje. Tegelikult, kui kasutate teist prismat, pöörates seda esimesega võrreldes 180 kraadi. Koguge kõik spektri kiired kokku, siis saate jälle valge valguse. Olles eraldanud mõne spektri osa, näiteks rohelise, ja sundinud valgust läbima teist prismat, ei saa me enam värvimuutust.

Veel ühe olulise järelduse, milleni Newton jõudis, sõnastas ta oma traktaadis "Optika" järgmiselt: "Valguskiired, mis erinevad värvi poolest, erinevad murdumisastme poolest." Violetsed kiired murduvad kõige tugevamalt, punased vähem kui teised. Valguse murdumisnäitaja sõltuvust selle värvist nimetatakse dispersiooniks (ladinakeelsest sõnast Dispergo - hajumine).

Newton täiustas hiljem oma spektrivaatlusi puhtamate värvide saamiseks. Prismat läbiva valgusvihu ümmargused värvilised laigud kattusid ju osaliselt üksteisega. Ümmarguse augu asemel kasutati kitsast pilu (A), mida valgustas ere allikas. Pilu taga oli objektiiv (B), mis andis ekraanile (D) pildi kitsa valge triibu kujul. Kui kiirte teele asetada prisma (C), venitatakse pilu kujutis spektriks, värviliseks triibuks, mille värviüleminekud punasest violetseks on sarnased vikerkaarel täheldatuga. Newtoni katse on näidatud joonisel 1

Kui katta vahe värvilise klaasiga, st. kui suunata prismale valge valguse asemel värviline valgus, taandub pilu kujutis värviliseks ristkülikuks, mis asub spektri vastavas kohas, s.t. Olenevalt värvist erineb valgus algkujutisest erineva nurga all. Kirjeldatud vaatlused näitavad, et erinevat värvi kiired murduvad prisma poolt erinevalt.

Newton kinnitas seda olulist järeldust paljude katsetega. Olulisim neist oli spektrist eraldatud eri värvi kiirte murdumisnäitaja määramine. Selleks lõigati ekraanile auk, millelt spekter saadakse; Ekraani liigutades oli võimalik läbi augu vabastada kitsas ühte või teist värvi kiirte kiir. See ühtlaste kiirte eraldamise meetod on arenenum kui värvilise klaasiga isoleerimine. Katsed on avastanud, et selline eraldatud kiir, mis murdub teises prismas, ei venita enam riba. Selline kiir vastab teatud murdumisnäitajale, mille väärtus sõltub valitud kiire värvist.

Seega sisaldasid Newtoni peamised katsed kahte olulist avastust:

1. Erinevat värvi valgust iseloomustavad erinevad murdumisnäitajad antud aines (dispersioonis).

2. Valge värv on lihtsate värvide kogum.

Teades, et valgel valgusel on keeruline struktuur, saame seletada looduse hämmastavat värvide mitmekesisust. Kui objekt, näiteks paberileht, peegeldab kõiki sellele langevaid erivärvilisi kiiri, siis paistab see valgena. Paberit värvikihiga kattes ei loo me uut valguse värvi, vaid säilitame lehel osa olemasolevast valgusest. Nüüd peegelduvad ainult punased kiired, ülejäänu neelab värvikiht. Rohi ja puulehed tunduvad meile rohelised, kuna kõik neile langevad päikesekiired, nad peegeldavad ainult rohelisi, neelavad ülejäänu. Kui vaadata rohtu läbi punase klaasi, mis laseb läbi ainult punaseid kiiri, paistab see peaaegu must.

Nüüd teame, et erinevad värvid vastavad erinevatele valguse lainepikkustele. Seetõttu võib Newtoni esimese avastuse sõnastada järgmiselt: aine murdumisnäitaja oleneb valguse lainepikkusest. Tavaliselt suureneb see lainepikkuse vähenedes.

Valguse interferentsi on täheldatud väga pikka aega, kuid nad ei olnud sellest teadlikud. Paljud on näinud segamismustrit, kui nad lapsepõlves lõbutsesid seebimulle puhudes või veepinnal petrooleumi õhukese kile vikerkaarevärve vaadates. Just valguse interferents muudab seebimulli nii imetlusväärseks.

Valguse kui laineprotsessi peamised omadused on sagedus n ja lainepikkus l. Valguse korpuskulaarseid omadusi iseloomustavad footonid. Igal footonil on energia

e f = hn, (5.1)

ja impulss

. (5.3)

Valem (5.3) loob seose valguse laine ja korpuskulaarsete omaduste vahel.

Sellega seoses tekkis eeldus, et kahene olemus on omane mitte ainult valgusele, vaid ka aineosakestele, eriti elektronidele. 1924. aastal esitas Louis de Broglie järgmise hüpoteesi: laineprotsess on seotud elektroniga, mille lainepikkus on võrdne

kus h = 6,63 × 10 –34 J × s on Plancki konstant, m on elektroni mass, v on elektronide kiirus.

Arvutused on näidanud, et liikuva elektroniga seotud lainepikkus on samas suurusjärgus röntgenkiirte lainepikkusega (10–10 ¸ 10–13 m).

De Broglie valemist (5.4) selgub, et osakeste lainelised omadused on olulised vaid neil juhtudel, mil Plancki konstandi h väärtust ei saa tähelepanuta jätta. Kui selle ülesande tingimustes võib eeldada, et h ® 0, siis võib nii l®0 kui ka osakeste lainelised omadused tähelepanuta jätta.

5.2. Korpuskulaarlaine dualismi eksperimentaalne põhjendus

De Broglie hüpotees sai eksperimentaalse kinnituse K. Davissoni ja L. Germeri (1927), P.S. Tartakovski (1927), L.M. Biberman, N.G. Sushkin ja V.A. Fabrikant (1949) jne.

Davissoni ja Germeri katsetes (joon. 5.1) suunati elektronkahuri elektronid kitsa kiirena niklikristallile, mille struktuur on hästi teada.

Joon.5.1. Davissoni ja Germeri katse diagramm

Kristalli pinnalt peegeldunud elektronid sisenesid galvanomeetriga ühendatud vastuvõtjasse. Vastuvõtja liikus mööda kaaret ja püüdis kinni erinevate nurkade all peegeldunud elektronid. Mida rohkem elektrone vastuvõtjat tabab, seda suurema voolu registreeris galvanomeeter.

Selgus, et elektronkiire etteantud langemisnurga ja elektrone kiirendava potentsiaalide erinevuse U muutuse korral ei muutunud vool I monotoonselt, vaid sellel oli maksimumide jada (joon. 5.2).

Joon.5.2. Voolutugevuse sõltuvus kiirenduspotentsiaali erinevusest Davissoni ja Germeri katsetes

Saadud graafik näitab, et elektronide peegeldus ei toimu mitte mis tahes, vaid rangelt määratletud U väärtustel, st. elektronide rangelt määratletud kiirustel v. Seda sõltuvust saab seletada ainult elektrooniliste lainete ideede põhjal.

Selleks väljendame elektroni kiirust kiirenduspinge kaudu:

ja leidke elektroni de Broglie lainepikkus:

(5.6)

Kristallilt peegelduvate elektronlainete ja ka röntgenikiirguse puhul peab Wulff-Braggi tingimus olema täidetud:

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

kus d on kristallvõre konstant, q on langeva kiire ja kristalli pinna vaheline nurk.

Asendades (5.6) väärtusega (5.7), leiame need kiirenduspinge väärtused, mis vastavad maksimaalsele peegeldusele ja seega ka maksimaalsele voolule läbi galvanomeetri:

(5.8)

Selle valemi abil arvutatud U väärtused q = const on suurepäraselt kooskõlas Davissoni ja Germeri katsetulemustega.

Katsetes P.S. Tartakovski kristall asendati polükristallilise struktuuriga õhukese kilega (joon. 5.3).

Joon.5.3. Katsete skeem P.S. Tartakovski

Kile poolt hajutatud elektronid tekitasid ekraanil difraktsiooniringe. Sarnast pilti täheldati ka röntgenikiirguse hajutamisel polükristallide poolt. Difraktsiooniringide läbimõõtude järgi saab määrata elektronide de Broglie lainepikkuse l. Kui l on teada, võimaldab difraktsioonimuster hinnata kristalli struktuuri. Seda struktuuri uurimise meetodit nimetatakse elektronograafiaks.

L.M. Biberman, N.G. Sushkin ja V.A. Tootja tegi katseid üksikute vaheldumisi lendavate elektronide difraktsiooni kohta. Üksikud elektronid tabavad ekraanil erinevaid punkte, näiliselt juhuslikult hajutatud. Suure hulga elektronide hajutamisel avastati aga, et punktid, kus elektronid ekraani tabavad, on jaotunud nii, et moodustavad maksimumid ja miinimumid, s.t. pika säritusega saadi sama difraktsioonimuster, mis elektronkiirega. See näitab, et igal üksikul elektronil on lainelised omadused.

Difraktsiooninähtusi täheldati katsetes mitte ainult elektronidega, vaid ka prootonite, neutronite, aatomi- ja molekulaarkiirtega.

Laine omadused. Isaac Newtoni kaasaegne, hollandi füüsik Christiaan Huygens ei lükanud tagasi kehakehade olemasolu, kuid uskus, et neid ei kiirga helenduvad kehad, vaid need täidavad kogu ruumi. Huygens esitas valguse leviku protsessi mitte translatsioonilise liikumisena, vaid järjestikuse protsessina, mille käigus kantakse üle ühe korpuse mõju teisele.

Huygensi toetajad avaldasid arvamust, et valgus on leviv vibratsioon spetsiaalses keskkonnas - "eetris", mis täidab kogu kosmilise ruumi ja mis tungib vabalt kõigisse kehadesse. Valgusallika valgusergastus edastatakse eetri kaudu igas suunas.

Nii tekkisid esimesed ideed valguse olemuse kohta. Valguse esialgse laineteooria põhiväärtus on põhimõte, mille algselt sõnastas Huygens ja seejärel töötas välja Fresnel. Huygensi-Fresneli printsiip ütleb, et iga valguse ergastuse saanud pung muutub omakorda sekundaarlainete keskpunktiks ja edastab need igas suunas naaberpungadele.

Valguse lainelised omadused avalduvad kõige selgemalt interferentsi ja difraktsiooni nähtustes.

Valguse interferents seisneb selles, et kui kaks lainet on vastastikku olemas, saab vibratsioone tugevdada või nõrgendada. Sekkumise põhimõtte avastas 1801. aastal inglane Thomas Young (1773-1829), elukutselt arst. Jung tegi nüüdseks klassikalise katse kahe auguga. Ekraanile torgati tihvti otsaga kaks tihedalt asetsevat auku, mida valgustasid päikesevalgus kardinaga aknas olevast väikesest august. Kahe ereda tooni asemel täheldati ekraani taga vaheldumisi tumedaid ja heledaid rõngaid.

Häiremustri vaatlemise vajalik tingimus on lainete koherentsus (võnke- või laineprotsesside koordineeritud esinemine).

Häire fenomeni kasutatakse laialdaselt seadmetes - interferomeetrites, mille abil teostatakse erinevaid täpseid mõõtmisi ja jälgitakse detailide pinnatöötluse puhtust, aga ka palju muid juhtimisoperatsioone.

1818. aastal esitas Fresnel Pariisi Teaduste Akadeemia konkursil ulatusliku töö valguse difraktsiooni kohta. Seda aruannet arvestades jõudis A. Poisson (1781-1840) järeldusele, et Fresneli pakutud teooria kohaselt peaks teatud tingimustel valgusteel läbipaistmatu ümmarguse takistuse difraktsioonimustri keskel olema hele koht, mitte vari. See oli vapustav järeldus. D. F. Arago (1786-1853) viis kohe läbi katse ja Poissoni arvutused said kinnitust. Nii kujunes Poissoni tehtud järeldus, mis oli väliselt Fresneli teooriaga vastuolus, Arago katse abil selle kehtivuse üheks tõendiks ning pani aluse ka valguse lainelise olemuse äratundmisele.

Valguse sirgjoonelisest levimissuunast kõrvalekaldumise nähtust nimetatakse difraktsiooniks.

Paljud optilised instrumendid põhinevad difraktsiooni nähtusel. Eelkõige kasutatakse kristallograafilistes seadmetes röntgendifraktsiooni.

Nähtus tõestab ka valguse lainelist olemust ja valguslainete põiki olemust polarisatsioon. Polarisatsiooni olemust näitab selgelt lihtne eksperiment: kui valgus lastakse läbi kahe läbipaistva kristalli, sõltub selle intensiivsus kristallide suhtelisest orientatsioonist. Sama orientatsiooniga läbib valgus ilma sumbumiseta. Kui üht kristalli 90° pöörata, kustub valgus täielikult, s.t. ei läbi kristalle.

Valguse lainelist olemust kinnitab ka valguse hajumise nähtus. Kitsas paralleelne valge valgusvihk, läbides klaasprismat, laguneb erinevat värvi valguskiirteks. Värvilist triipu nimetatakse pidevaks spektriks. Valguse levimiskiiruse sõltuvust keskkonnas lainepikkusest nimetatakse valguse dispersiooniks. Dispersiooni avastas I. Newton.

Valge valguse lagunemist seletatakse sellega, et see koosneb erineva lainepikkusega elektromagnetlainetest ja murdumisnäitaja oleneb lainepikkusest. Suurim murdumisnäitaja on lühima lainepikkusega valgusel – violetne ja madalaim – pikima lainepikkusega valgusel – punane. Katsed on näidanud, et vaakumis on valguse kiirus mis tahes lainepikkusega valgusel sama.

Valguse difraktsiooni, interferentsi, polarisatsiooni ja hajumise nähtuste uurimine viis valguse laineteooria loomiseni.

Valguse kvantomadused. 1887. aastal avastas G. Hertz elektromeetri vardaga ühendatud tsinkplaati valgustades fotoelektrilise efekti nähtuse. Kui plaadile ja vardale kantakse üle positiivne laeng, siis elektromeeter ei tühjene, kui plaat on valgustatud. Andes plaadile negatiivse elektrilaengu, tühjeneb elektromeeter kohe, kui kiirgus tabab plaati. See katse tõestab, et valguse mõjul paiskuvad metallplaadi pinnalt välja negatiivsed tsentrilised laengud. Valguse poolt väljutatud osakeste laengu ja massi mõõtmine näitas, et need osakesed olid elektronid. Elektromagnetilise kiirguse mõjul oleva aine poolt elektronide emissiooni nähtust nimetatakse fotoelektriliseks efektiks.

Fotoelektrilise efekti kvantitatiivsed mustrid kehtestati aastatel 1888–1889. Vene füüsik A.G. Stoletov (1839-1896).

Valguse elektromagnetilise teooria põhjal ei olnud võimalik selgitada fotoelektrilise efekti põhiseadusi. Valguse elektromagnetiteooria ei suutnud seletada fotoelektronide energia sõltumatust valguskiirguse intensiivsusest, fotoefekti punase piiri olemasolu, fotoelektronide kineetilise energia proportsionaalsust valguse sagedusega.

Maxwelli elektromagnetiteooria ja Lorentzi elektroonikateooria olid vaatamata nende tohututele edusammudele mõneti vastuolulised ja nende rakendamisel tekkis mitmeid raskusi. Mõlemad teooriad põhinesid eetri hüpoteesil, ainult "elastne eeter" asendati "elektromagnetilise eetriga" (Maxwelli teooria) või "fikseeritud eetriga" (Lorentzi teooria). Maxwelli teooria ei suutnud seletada valguse emissiooni ja neeldumise protsesse, fotoelektrilist efekti, Comptoni hajumist jne. Lorentzi teooria ei suutnud omakorda seletada paljusid valguse ja aine vastastikmõjuga seotud nähtusi, eriti aga jaotumise küsimust. energia üle lainepikkuste termilisel ajal Absoluutselt musta keha kiirgus.

Loetletud raskused ja vastuolud said ületatud tänu 1900. aastal saksa füüsiku M. Plancki julgele hüpoteesile, mille kohaselt valguse emissioon ei toimu pidevalt, vaid diskreetselt, st teatud osades (kvantides), mille energia määrab sagedus n:

Kus h- Planck on konstantne.

Plancki teooria ei vaja eetri mõistet. Ta selgitas musta keha soojuskiirgust.

A. Einstein lõi 1905. a valguse kvantteooria: mitte ainult valguse kiirgamine, vaid ka selle levimine toimub kujul valguskvantide voog - footonid, mille energia on määratud ülaltoodud Plancki valemiga ja impulss

kus l on lainepikkus.

Elektromagnetlainete kvantomadused avalduvad kõige paremini selles Comptoni efekt: Kui monokromaatilist röntgenkiirgust hajutab hajutatud kiirguses kergeid aatomeid sisaldav aine, koos kiirgusega, mida iseloomustab algne lainepikkus, täheldatakse pikema lainepikkusega kiirgust.

Valguse kvantideed on hästi kooskõlas kiirguse ja valguse neeldumise seadustega, vastastikmõju, ainega kiirguse seadustega. Hästi uuritud nähtusi, nagu valguse interferents, difraktsioon ja polarisatsioon, on lainekontseptsioonide kaudu hästi seletatud. Seda näitab kogu valguse uuritud omaduste ja levikuseaduste mitmekesisus, selle vastastikmõju ainega valgusel on keeruline olemus: see on vastandlike omaduste ühtsus - korpuskulaarne (kvant) ja laine (elektromagnetiline). Selleni on viinud pikk arengutee kaasaegsed ideed valguse kahekordse korpuskulaarlaine olemuse kohta.Ülaltoodud väljendid seovad kiirguse korpuskulaarsed karakteristikud - kvanti massi ja energia - laineomaduste - võnkesageduse ja lainepikkusega. Seega valgus esindab diskreetsuse ja järjepidevuse ühtsust.

Enesetesti küsimused

Küsimus 1. Nimeta loodusteaduse kõige olulisem ülesanne.

1. hariv

2. ideoloogiline

3. teleoloogiline

4. loodusteadusliku maailmapildi loomine

Küsimus 2. Nimetage kõige üldisemad, olulisemad looduskirjelduse põhimõisted.

1. asi

2. liikumine

3. ruum

3. küsimus. Nimetage filosoofiline kategooria objektiivse reaalsuse tähistamiseks, mis peegeldub meie aistingutes, eksisteerides neist sõltumatult.

1. teadvus

2. kuva

3. asi

Viimase saja aasta jooksul on teadus teinud suuri edusamme meie maailma struktuuri uurimisel nii mikroskoopilisel kui ka makroskoopilisel tasandil. Hämmastavad avastused, mille meieni toovad eri- ja üldrelatiivsusteooriad ning kvantmehaanika, erutavad avalikkuse meelt siiani. Iga haritud inimene peab aga mõistma vähemalt tänapäevaste teadussaavutuste põhitõdesid. Üks muljetavaldavamaid ja olulisemaid punkte on laine-osakeste duaalsus. See on paradoksaalne avastus, mille mõistmine jääb intuitiivsele igapäevatajule väljapoole.

Korpusklid ja lained

Dualism avastati esmakordselt valguse uurimisel, mis käitus olenevalt tingimustest täiesti erinevalt. Ühest küljest selgus, et valgus on optiline elektromagnetlaine. Teisest küljest on olemas diskreetne osake (valguse keemiline toime). Algselt uskusid teadlased, et need kaks ideed on üksteist välistavad. Arvukad katsed on aga näidanud, et see pole nii. Järk-järgult muutus sellise kontseptsiooni nagu laine-osakeste duaalsus reaalsus tavaliseks. See kontseptsioon annab aluse keeruliste kvantobjektide käitumise uurimiseks, mis ei ole ei lained ega osakesed, vaid omandavad sõltuvalt teatud tingimustest ainult viimaste või esimeste omadused.

Topeltpilu katse

Footonite difraktsioon on dualismi selge demonstratsioon. Laetud osakeste detektor on fotoplaat või fluorestsentsekraan. Iga üksikut footonit tähistas valgustus või täppvälk. Selliste märkide kombinatsioon andis interferentsmustri - nõrgalt ja tugevalt valgustatud triipude vaheldumise, mis on iseloomulik laine difraktsioonile. Seda seletatakse sellise mõistega nagu laine-osakeste duaalsus. Kuulus füüsik ja Nobeli preemia laureaat Richard Feynman ütles, et mateeria käitub väikestes mastaapides nii, et kvantkäitumise “loomulikkust” on võimatu tunda.

Universaalne dualism

See kogemus ei kehti aga ainult footonite puhul. Selgus, et dualism on kogu mateeria omadus ja see on universaalne. Heisenberg väitis, et mateeria eksisteerib vaheldumisi mõlemas vormis. Tänaseks on absoluutselt tõestatud, et mõlemad omadused ilmnevad täiesti üheaegselt.

Korpuskulaarne laine

Kuidas me saame seletada mateeria sellist käitumist? Korpusklitele (osakestele) omast lainet nimetatakse de Broglie laineks, mis sai nime noore aristokraatliku teadlase järgi, kes pakkus välja sellele probleemile lahenduse. On üldtunnustatud, et de Broglie võrrandid kirjeldavad lainefunktsiooni, mis ruudus määrab ainult tõenäosuse, et osake on erinevatel aegadel erinevates ruumipunktides. Lihtsamalt öeldes on de Broglie laine tõenäosus. Seega kehtestati võrdsus matemaatilise mõiste (tõenäosuse) ja reaalse protsessi vahel.

Kvantväli

Mis on ainekehad? Üldiselt on need laineväljade kvantid. Footon on elektromagnetvälja kvant, positron ja elektron on elektron-positronväli, meson on mesonivälja kvant jne. Laineväljade vahelist koostoimet seletatakse teatud vaheosakeste vahetusega nende vahel, näiteks toimub elektromagnetilise interaktsiooni käigus footonite vahetus. Sellest tuleneb otseselt veel üks kinnitus, et de Broglie kirjeldatud laineprotsessid on absoluutselt reaalsed füüsikalised nähtused. Ja osakeste-laine dualism ei toimi "salapärase peidetud omadusena", mis iseloomustab osakeste võimet "reinkarneerida". See demonstreerib selgelt kahte omavahel seotud tegevust – objekti liikumist ja sellega seotud laineprotsessi.

Tunneli efekt

Valguse laine-osakeste duaalsus on seotud paljude teiste huvitavate nähtustega. De Broglie laine toimesuund ilmneb nn tunneliefekti ajal ehk siis, kui footonid tungivad läbi energiabarjääri. Seda nähtust põhjustab osakeste impulss, mis ületab laine antisõlme hetkel keskmist väärtust. Tunneldamine on võimaldanud välja töötada palju elektroonikaseadmeid.

Valguskvantide interferents

Kaasaegne teadus räägib footonite interferentsist sama salapärasel viisil kui elektronide interferentsist. Selgub, et footon, mis on jagamatu osake, võib samaaegselt läbida mis tahes endale avatud teed ja segada ennast. Kui võtta arvesse, et aine ja footoni omaduste laine-osakeste duaalsus on laine, mis katab paljusid struktuurielemente, siis pole välistatud ka selle jagatavus. See on vastuolus varasemate seisukohtadega osakesest kui elementaarsest jagamatust moodustisest. Teatud liikumismassiga footon moodustab selle liikumisega seotud pikisuunalise laine, mis eelneb osakesele endale, kuna pikisuunalise laine kiirus on suurem kui ristsuunalise elektromagnetlaine kiirus. Seetõttu on footoni enda interferentsile kaks seletust: osake jaguneb kaheks komponendiks, mis segavad üksteist; Footonlaine liigub mööda kahte rada ja moodustab interferentsmustri. Eksperimentaalselt avastati, et interferentsmuster tekib ka siis, kui interferomeetrist juhitakse kordamööda läbi üksikuid laetud osakesi-footoneid. See kinnitab teesi, et iga üksik footon sekkub iseendasse. See on eriti selgelt näha, kui võtta arvesse asjaolu, et valgus (ei koherentne ega monokromaatiline) on footonite kogum, mida aatomid kiirgavad omavahel seotud ja juhuslikes protsessides.

Mis on valgus?

Valguslaine on elektromagnetiline lokaliseerimata väli, mis on jaotunud kogu ruumis. Laine elektromagnetväljal on mahuline energiatihedus, mis on võrdeline amplituudi ruuduga. See tähendab, et energiatihedus võib muutuda mis tahes summa võrra, see tähendab, et see on pidev. Ühelt poolt on valgus kvantide ja footonite (kehade) voog, mis tänu sellise nähtuse nagu osakeste-laine duaalsus universaalsusele esindavad elektromagnetlaine omadusi. Näiteks interferentsi ja difraktsiooni ning skaala nähtuste korral on valgusel selgelt laine omadused. Näiteks üks footon, nagu eespool kirjeldatud, läbib kahekordse pilu, tekitab interferentsi mustri. Katsete abil tõestati, et üksik footon ei ole elektromagnetimpulss. Seda ei saa taladeks jagada kiirtejagajatega, nagu näitasid prantsuse füüsikud Aspe, Roger ja Grangier.

Valgusel on ka korpuskulaarsed omadused, mis väljenduvad Comptoni efektis ja fotoelektrilises efektis. Footon võib käituda nagu osake, mille neelavad täielikult objektid, mille mõõtmed on palju väiksemad kui selle lainepikkus (näiteks aatomituum). Mõnel juhul võib footoneid üldiselt pidada punktobjektideks. Pole vahet, millises asendis me valguse omadusi arvestame. Värvinägemise valdkonnas võib valgusvoog toimida nii laine kui ka osake-footon energiakvandina. Võrkkesta fotoretseptorile fokuseeritud koht, näiteks koonuse membraan, võib võimaldada silmal moodustada oma filtreeritud väärtus peamiste spektraalsete valguskiirtena ja sorteerida need lainepikkuste järgi. Kvantenergia väärtuste kohaselt tõlgitakse objekti punkt ajus värvitundeks (fokuseeritud optiline kujutis).