Lysets natur er lysets bølge- og korpuskulære egenskaper. Korpuskulære egenskaper til lys

I løpet av de siste hundre årene har vitenskapen gjort store fremskritt i å studere strukturen til vår verden, både på mikroskopisk og makroskopisk nivå. De fantastiske oppdagelsene brakt til oss av spesielle og generelle relativitetsteorier, kvantemekanikk, begeistrer fortsatt sinnet til publikum. Imidlertid må enhver utdannet person i det minste forstå det grunnleggende om moderne vitenskapelige prestasjoner. Et av de mest imponerende og viktige punktene er bølge-partikkel-dualitet. Dette er en paradoksal oppdagelse, hvis forståelse ikke er underlagt intuitiv hverdagsoppfatning.

Korpuskler og bølger

For første gang ble dualisme oppdaget i studiet av lys, som oppførte seg avhengig av forholdene på helt forskjellige måter. På den ene siden viste det seg at lys er en optisk elektromagnetisk bølge. På den annen side er det en diskret partikkel (den kjemiske virkningen av lys). Opprinnelig trodde forskerne at disse to synspunktene utelukker hverandre. Imidlertid har en rekke eksperimenter vist at dette ikke er tilfelle. Gradvis ble virkeligheten av et slikt konsept som bølge-partikkel-dualitet vanlig. Dette konseptet er grunnlaget for å studere oppførselen til komplekse kvanteobjekter som verken er bølger eller partikler, men bare får egenskapene til sistnevnte eller førstnevnte, avhengig av visse forhold.

Eksperimenter med to spalter

Fotondiffraksjon er en tydelig demonstrasjon av dualisme. Detektoren for ladede partikler er en fotografisk plate eller en selvlysende skjerm. Hvert enkelt foton ble markert med en fakkel eller punktblits. Kombinasjonen av slike merker ga et interferensmønster - vekslingen av svakt og sterkt opplyste striper, som er karakteristisk for bølgediffraksjon. Dette forklares av et slikt konsept som korpuskulær-bølge dualisme. Den berømte fysikeren og nobelprisvinneren Richard Feynman sa at materie oppfører seg i liten skala på en slik måte at det er umulig å føle «naturligheten» av kvanteatferd.

Universell dualisme

Denne erfaringen er imidlertid ikke bare gyldig for fotoner. Det viste seg at dualisme er en egenskap for all materie, og den er universell. Heisenberg hevdet at materie eksisterer i begge versjoner vekselvis. Til dags dato er det absolutt bevist at begge egenskapene manifesterer seg helt samtidig.

korpuskulær bølge

Hvordan forklare slik oppførsel av materie? Bølgen som er iboende i korpuskler (partikler) kalles de Broglie-bølgen, etter den unge aristokratiske vitenskapsmannen som foreslo en løsning på dette problemet. Det er generelt akseptert at de Broglies ligninger beskriver en bølgefunksjon, som i kvadrat bare bestemmer sannsynligheten for at en partikkel befinner seg på forskjellige punkter i rommet til forskjellige tider. Enkelt sagt er en de Broglie-bølge en sannsynlighet. Dermed ble det etablert en likhet mellom det matematiske begrepet (sannsynlighet) og den reelle prosessen.

kvantefelt

Hva er materielegemer? I det store og hele er dette kvanta av bølgefelt. Et foton er et kvante av et elektromagnetisk felt, et positron og et elektron er av et elektron-positronfelt, et meson er et kvante av et mesonfelt, og så videre. Samspillet mellom bølgefelt forklares av utvekslingen mellom dem av noen mellomliggende partikler, for eksempel under elektromagnetisk interaksjon, utveksles fotoner. Dette innebærer direkte en annen bekreftelse på at bølgeprosessene beskrevet av de Broglie er absolutt virkelige fysiske fenomener. Og korpuskulær-bølgedualisme fungerer ikke som en "mystisk skjult egenskap" som kjennetegner partiklers evne til å "reinkarnere". Den demonstrerer tydelig to sammenhengende handlinger - bevegelsen til et objekt og bølgeprosessen knyttet til det.

tunneleffekt

Lysets bølge-partikkeldualitet er assosiert med mange andre interessante fenomener. Virkningsretningen til de Broglie-bølgen manifesterer seg i den såkalte tunneleffekten, det vil si når fotoner trenger gjennom energibarrieren. Dette fenomenet skyldes overskuddet av gjennomsnittsverdien med partikkelens momentum i øyeblikket av bølgens antinode. Ved hjelp av tunnelering var det mulig å utvikle en rekke elektroniske enheter.

Interferens av lyskvanter

Moderne vitenskap snakker om interferens av fotoner like mystisk som om interferens av elektroner. Det viser seg at et foton, som er en udelelig partikkel, samtidig kan passere gjennom en hvilken som helst bane som er åpen for seg selv og forstyrre seg selv. Hvis vi tar i betraktning at korpuskulær-bølgedualismen av egenskapene til et stoff og et foton er en bølge som dekker mange strukturelle elementer, er dens delbarhet ikke utelukket. Dette motsier tidligere syn på partikkelen som en elementær udelelig formasjon. Med en viss bevegelsesmasse danner et foton en langsgående bølge assosiert med denne bevegelsen, som går foran selve partikkelen, siden hastigheten til den langsgående bølgen er større enn den til den tverrgående elektromagnetiske bølgen. Derfor er det to forklaringer på at et foton forstyrrer seg selv: partikkelen deler seg i to komponenter, som forstyrrer hverandre; fotonbølgen beveger seg langs to baner og danner et interferensmønster. Det ble eksperimentelt funnet at interferensmønsteret også skapes når enkeltladede fotoner passerer gjennom interferometeret etter tur. Dette bekrefter tesen om at hvert enkelt foton forstyrrer seg selv. Dette er spesielt tydelig når man tar i betraktning det faktum at lys (ikke koherent og ikke monokromatisk) er en samling fotoner som sendes ut av atomer i gjensidig urelaterte og tilfeldige prosesser.

Hva er lys?

En lysbølge er et elektromagnetisk ikke-lokalisert felt som er fordelt over verdensrommet. Det elektromagnetiske feltet til bølgen har en volumetrisk energitetthet, som er proporsjonal med kvadratet på amplituden. Dette betyr at energitettheten kan endres med hvilken som helst mengde, det vil si at den er kontinuerlig. På den ene siden er lys en strøm av kvanter og fotoner (korpuskler), som, på grunn av universaliteten til et slikt fenomen som bølge-partikkel-dualitet, er egenskapene til en elektromagnetisk bølge. For eksempel, i fenomenene interferens og diffraksjon og i skalaer, viser lys tydelig egenskapene til en bølge. For eksempel, et enkelt foton, som beskrevet ovenfor, som passerer gjennom en dobbel spalte, skaper et interferensmønster. Ved hjelp av eksperimenter ble det bevist at et enkelt foton ikke er en elektromagnetisk puls. Den kan ikke deles inn i stråler med stråledelere, som vist av de franske fysikerne Aspe, Roger og Grangier.

Lys har også korpuskulære egenskaper, som kommer til uttrykk i Compton-effekten og i den fotoelektriske effekten. Et foton kan oppføre seg som en partikkel som absorberes av hele objekter som er mye mindre enn bølgelengden (for eksempel en atomkjerne). I noen tilfeller kan fotoner generelt betraktes som punktobjekter. Det gjør ingen forskjell fra hvilken posisjon å vurdere lysets egenskaper. I fargesynsfeltet kan en lysstrøm utføre funksjonene til både en bølge og et partikkelfoton som et energikvante. Et objektpunkt fokusert på en retinal fotoreseptor, for eksempel kjeglemembranen, kan tillate øyet å danne sin egen filtrerte verdi som de viktigste spektrale lysstrålene og sortere dem etter bølgelengde. I henhold til verdiene til kvanteenergien, i hjernen, vil emnepunktet bli oversatt til følelsen av farge (fokusert optisk bilde).

Introduksjon 2

1. Bølgeegenskaper til lys 3

1.1 Spredning 3

1.2 Interferens 5

1.3 Diffraksjon. Youngs erfaring 6

1.4 Polarisering 8

2. Lysets kvanteegenskaper 9

2.1 Fotoelektrisk effekt 9

2.2 Compton-effekt 10

Konklusjon 11

Liste over brukt litteratur 11

Introduksjon

De første ideene til eldgamle forskere om hva lys er, var veldig naive. Det var flere synspunkter. Noen mente at spesielle tynne tentakler kommer ut av øynene og synsinntrykk oppstår når de kjenner på gjenstander. Dette synspunktet hadde et stort antall tilhengere, blant dem var Euklid, Ptolemaios og mange andre vitenskapsmenn og filosofer. Andre, tvert imot, mente at strålene sendes ut av en lysende kropp og når det menneskelige øyet bærer preg av et lysende objekt. Dette synspunktet ble holdt av Lucretius, Demokrit.

Samtidig formulerte Euklid loven om rettlinjet forplantning av lys. Han skrev: "Strålene som sendes ut av øynene forplanter seg langs en rett vei."

Men senere, allerede i middelalderen, mister en slik idé om lysets natur sin betydning. Færre og færre forskere følger disse synspunktene. Og ved begynnelsen av XVII århundre. disse synspunktene kan anses som allerede glemt.

På 1600-tallet begynte nesten samtidig å utvikle seg to helt forskjellige teorier om hva lys er og hva dets natur er.

En av disse teoriene er assosiert med navnet Newton, og den andre med navnet Huygens.

Newton holdt seg til den såkalte korpuskulærteorien om lys, ifølge hvilken lys er en strøm av partikler som kommer fra en kilde i alle retninger (stoffoverføring).

I følge Huygens ideer er lys en strøm av bølger som forplanter seg i et spesielt, hypotetisk medium, eter, som fyller alt rom og trenger inn i alle legemer.

Begge teoriene har eksistert parallelt i lang tid. Ingen av dem kunne vinne en avgjørende seier. Bare Newtons autoritet tvang flertallet av forskerne til å gi preferanse til den korpuskulære teorien. Lovene for lysutbredelse kjent på den tiden fra erfaring ble mer eller mindre vellykket forklart av begge teoriene.

På grunnlag av den korpuskulære teorien var det vanskelig å forklare hvorfor lysstråler, kryssende i rommet, ikke virker på hverandre på noen måte. Tross alt må lette partikler kollidere og spre seg.

Bølgeteorien forklarte dette enkelt. Bølger, for eksempel på vannoverflaten, passerer fritt gjennom hverandre uten gjensidig påvirkning.

Imidlertid er den rettlinjede forplantningen av lys, som fører til dannelse av skarpe skygger bak objekter, vanskelig å forklare basert på bølgeteorien. Under den korpuskulære teorien er den rettlinjede forplantningen av lys ganske enkelt en konsekvens av treghetsloven.

En slik usikker posisjon angående lysets natur vedvarte frem til begynnelsen av 1800-tallet, da fenomenene lysdiffraksjon (omsluttende lys rundt hindringer) og lysinterferens (forsterket eller svekkelse av belysningen når lysstråler ble lagt over hverandre) ble oppdaget . Disse fenomenene er utelukkende iboende i bølgebevegelse. Det er umulig å forklare dem ved hjelp av korpuskulær teori. Derfor så det ut til at bølgeteorien hadde vunnet en endelig og fullstendig seier.

En slik selvtillit ble spesielt styrket da Maxwell i andre halvdel av 1800-tallet viste at lys er et spesialtilfelle av elektromagnetiske bølger. Maxwells arbeid la grunnlaget for den elektromagnetiske teorien om lys.

Etter den eksperimentelle oppdagelsen av elektromagnetiske bølger av Hertz, var det ingen tvil om at lys oppfører seg som en bølge under forplantning.

Men på slutten av 1800-tallet begynte ideer om lysets natur å endre seg radikalt. Det viste seg plutselig at den forkastede korpuskulære teorien fortsatt er relevant for virkeligheten.

Når lys sendes ut og absorberes, oppfører det seg som en strøm av partikler.

Diskontinuerlige, eller, som de sier, kvanteegenskaper til lys har blitt oppdaget. En uvanlig situasjon har oppstått: fenomenene interferens og diffraksjon kan fortsatt forklares ved å betrakte lys som en bølge, og fenomenene stråling og absorpsjon ved å betrakte lys som en strøm av partikler. Disse to tilsynelatende uforenlige ideene om lysets natur på 30-tallet av det 20. århundre ble vellykket kombinert i en ny fremragende fysisk teori om kvanteelektrodynamikk.

1. Bølgeegenskaper til lys

1.1 Spredning

Da han var engasjert i forbedring av teleskoper, trakk Newton oppmerksomheten til det faktum at bildet gitt av linsen er farget i kantene. Han ble interessert i dette og var den første som undersøkte mangfoldet av lysstråler og de resulterende fargetrekkene, som ingen engang hadde kjent før (ord fra inskripsjonen på Newtons grav) Newtons grunnleggende eksperiment var genialt enkelt. Newton gjettet å sende en lysstråle med lite tverrsnitt til et prisme. En stråle av sollys kom inn i det mørklagte rommet gjennom et lite hull i lukkeren. Fallet på et glassprisme, brøt det og ga på den motsatte veggen et langstrakt bilde med iriserende veksling av farger. Etter den flere hundre år gamle tradisjonen om at regnbuen ble ansett for å bestå av syv primærfarger, identifiserte Newton også syv farger: lilla, blå, cyan, grønn, gul, oransje og rød. Newton kalte selve regnbuestripen et spektrum.

Ved å lukke hullet med rødt glass, observerte Newton bare en rød flekk på veggen, lukket den med blå-blå, etc. Det fulgte av dette at det ikke var prismet som farget det hvite lyset, som tidligere antatt. Prismet endrer ikke fargen, men dekomponerer det bare i dets bestanddeler. Hvitt lys har en kompleks struktur. Det er mulig å skille bjelker i forskjellige farger fra den, og bare deres felles handling gir oss inntrykk av en hvit farge. Faktisk, hvis du bruker et andre prisme rotert 180 grader i forhold til det første. Samle alle strålene i spekteret, så får du igjen hvitt lys. Hvis vi skiller ut noen del av spekteret, for eksempel grønt, og tvinger lyset til å passere gjennom et annet prisme, vil vi ikke lenger få en ytterligere fargeendring.

En annen viktig konklusjon som Newton kom til, ble formulert av ham i en avhandling om optikk som følger: Lysstråler som er forskjellige i farge er forskjellige i brytningsgrad Fiolette stråler brytes sterkest, røde er mindre enn andre. Avhengigheten av lysets brytningsindeks på fargen kalles dispersjon (fra det latinske ordet Dispergo, jeg sprer).

Newton forbedret sine observasjoner av spekteret ytterligere for å oppnå renere farger. Tross alt overlappet de runde fargede flekkene av lysstrålen som passerte gjennom prismet hverandre delvis. I stedet for et rundt hull ble det brukt en smal spalte (A), opplyst av en lys kilde. Bak spalten var en linse (B) som produserte et bilde på skjermen (D) i form av en smal hvit stripe. Hvis et prisme (C) er plassert i banen til strålene, vil bildet av spalten bli strukket inn i et spektrum, en farget stripe, fargeovergangene der fra rød til fiolett er lik de som observeres i en regnbue. Newtons erfaring er vist i fig. 1

Hvis du dekker gapet med farget glass, dvs. Hvis du retter farget lys mot et prisme i stedet for hvitt lys, vil bildet av spalten reduseres til et farget rektangel plassert på tilsvarende sted i spekteret, dvs. avhengig av fargen vil lyset avvike til forskjellige vinkler fra originalbildet. Den beskrevne observasjonen viser at stråler med forskjellige farger brytes ulikt av et prisme.

Newton bekreftet denne viktige konklusjonen ved mange eksperimenter. Den viktigste av dem besto i å bestemme brytningsindeksen til stråler med forskjellige farger ekstrahert fra spekteret. For dette formålet ble det kuttet et hull i skjermen som spekteret er oppnådd på; ved å flytte skjermen var det mulig å frigjøre en smal stråle av stråler av en eller annen farge gjennom hullet. Denne metoden for å fremheve homogene stråler er mer perfekt enn å fremheve med farget glass. Eksperimenter har vist at en slik valgt stråle, brutt i det andre prismet, ikke lenger strekker stripen. En slik stråle tilsvarer en viss brytningsindeks, hvis verdi avhenger av fargen på den valgte strålen.

Dermed inneholdt Newtons hovedeksperimenter to viktige funn:

1. Lys av forskjellige farger kjennetegnes ved forskjellige brytningsindekser i et gitt stoff (dispersjon).

2. Hvit er en samling enkle farger.

Når man vet at hvitt lys har en kompleks struktur, kan man forklare den fantastiske variasjonen av farger i naturen. Hvis et objekt, for eksempel et papirark, reflekterer alle strålene i forskjellige farger som faller på det, vil det virke hvitt. Ved å dekke papiret med et lag maling skaper vi ikke lys av ny farge, men beholder noe av det eksisterende lyset på arket. Bare røde stråler vil nå reflekteres, resten vil bli absorbert av et lag med maling. Gress og treblader virker grønne for oss på grunn av alle solstrålene som faller på dem, de reflekterer bare grønne og absorberer resten. Hvis du ser på gresset gjennom rødt glass, som bare overfører røde stråler, vil det virke nesten svart.

Vi vet nå at forskjellige farger tilsvarer forskjellige bølgelengder av lys. Derfor kan Newtons første oppdagelse formuleres som følger: brytningsindeksen til materie avhenger av lysets bølgelengde. Den øker vanligvis når bølgelengden minker.

1.2 Interferens

Interferensen av lys ble observert i veldig lang tid, men de innså det bare ikke. Mange har sett interferensmønsteret når de hadde det gøy med å blåse såpebobler eller se på

De første ideene til eldgamle forskere om hva lys er, var veldig naive. Det var flere synspunkter. Noen mente at spesielle tynne tentakler kommer ut av øynene og synsinntrykk oppstår når de kjenner på gjenstander. Dette synspunktet hadde et stort antall tilhengere, blant dem var Euklid, Ptolemaios og mange andre vitenskapsmenn og filosofer. Andre, tvert imot, mente at strålene sendes ut av en lysende kropp og når det menneskelige øyet bærer preg av et lysende objekt. Dette synspunktet ble holdt av Lucretius, Demokrit.

På 1600-tallet begynte nesten samtidig å utvikle seg to helt forskjellige teorier om hva lys er og hva dets natur er. En av disse teoriene er assosiert med navnet til I. Newton, og den andre - med navnet til H. Huygens.

I. Newton holdt seg til den såkalte korpuskulær teori om lys, ifølge hvilken lys er en strøm av partikler som kommer fra en kilde i alle retninger (stoffoverføring).

I følge ideene til H. Huygens er lys en strøm av bølger som forplanter seg i et spesielt, hypotetisk medium - eter, som fyller alt rom og trenger inn i alle legemer.

Begge teoriene har eksistert parallelt i lang tid. Ingen av dem kunne vinne en avgjørende seier. Bare autoriteten til I. Newton tvang flertallet av forskerne til å gi preferanse til korpuskulær teori. Lovene for lysutbredelse kjent på den tiden fra erfaring ble mer eller mindre vellykket forklart av begge teoriene.

På grunnlag av den korpuskulære teorien var det vanskelig å forklare hvorfor lysstråler, kryssende i rommet, ikke virker på hverandre på noen måte. Tross alt må lette partikler kollidere og spre seg.

Bølgeteorien forklarte dette enkelt. Bølger, for eksempel på vannoverflaten, passerer fritt gjennom hverandre uten gjensidig påvirkning.

Imidlertid er den rettlinjede forplantningen av lys, som fører til dannelse av skarpe skygger bak objekter, vanskelig å forklare basert på bølgeteorien. Under den korpuskulære teorien er den rettlinjede forplantningen av lys ganske enkelt en konsekvens av treghetsloven.

En slik usikker posisjon angående lysets natur vedvarte frem til begynnelsen av 1800-tallet, da fenomenene lysdiffraksjon (omsluttende lys rundt hindringer) og lysinterferens (forsterket eller svekkelse av belysningen når lysstråler ble lagt over hverandre) ble oppdaget . Disse fenomenene er utelukkende iboende i bølgebevegelse. Det er umulig å forklare dem ved hjelp av korpuskulær teori. Bølgeegenskapene til lys inkluderer også spredning av lys, polarisering. Derfor så det ut til at bølgeteorien hadde vunnet en endelig og fullstendig seier.

En slik selvtillit ble spesielt styrket da D. Maxwell i andre halvdel av 1800-tallet viste at lys er et spesialtilfelle av elektromagnetiske bølger. Verkene til D.Maxwell la grunnlaget for den elektromagnetiske teorien om lys. Etter den eksperimentelle oppdagelsen av elektromagnetiske bølger av G. Hertz, var det ingen tvil om at lys oppfører seg som en bølge under forplantning. På begynnelsen av 1900-tallet begynte imidlertid ideer om lysets natur å endre seg radikalt. Det viste seg plutselig at den forkastede korpuskulære teorien fortsatt er relevant for virkeligheten. Når lys sendes ut og absorberes, oppfører det seg som en strøm av partikler. Bølgeegenskapene til lys kunne ikke forklare mønstrene til den fotoelektriske effekten.

Det har oppstått en uvanlig situasjon. Fenomenene interferens, diffraksjon, polarisering av lys fra vanlige lyskilder vitner ugjendrivelig om lysets bølgeegenskaper. Men selv i disse fenomenene, under passende forhold, viser lys korpuskulære egenskaper. I sin tur indikerer regelmessighetene til den termiske strålingen av kropper, den fotoelektriske effekten og andre unektelig at lys ikke oppfører seg som en kontinuerlig, utvidet bølge, men som en strøm av "klumper" (deler, kvanter) av energi, dvs. som en strøm av partikler - fotoner.

Dermed kombinerer lys kontinuiteten til bølger og diskretiteten til partikler. Hvis vi tar i betraktning at fotoner kun eksisterer når de beveger seg (med en hastighet c), så kommer vi til den konklusjon at både bølge- og korpuskulære egenskaper er iboende i lys samtidig. Men i noen fenomener, under visse forhold, enten bølge- eller korpuskulære egenskaper spiller hovedrollen og lys kan betraktes enten som en bølge eller som partikler (korpuskler).

Den samtidige tilstedeværelsen av bølge- og korpuskulære egenskaper i objekter kalles bølge-partikkel dualitet.

Bølgeegenskaper til mikropartikler. Elektrondiffraksjon

I 1923 la den franske fysikeren L. de Broglie frem en hypotese om universaliteten til bølge-partikkel-dualitet. De Broglie hevdet at ikke bare fotoner, men også elektroner og andre partikler av materie, sammen med korpuskulære, også har bølgeegenskaper.

I følge de Broglie er hvert mikroobjekt på den ene siden assosiert med korpuskulære egenskaper - energi E og momentum s, og på den annen side bølgekarakteristikk - frekvens ν og bølgelengde λ .

Korpuskulær- og bølgekarakteristikkene til mikroobjekter er relatert til de samme kvantitative relasjonene som for et foton:

\(~E = h \nu ;\;\;\; p = \dfrac(h \nu)(c) = \dfrac(h)(\lambda)\) .

De Broglies hypotese postulerte disse forholdene for alle mikropartikler, inkludert de som har en masse m. Enhver partikkel med momentum var assosiert med en bølgeprosess med en bølgelengde \(~\lambda = \dfrac(h)(p)\) . For partikler som har masse,

\(~\lambda = \dfrac(h)(p) = \dfrac(h \cdot \sqrt(1 - \dfrac(\upsilon^2)(c^2)))(m \cdot \upsilon)\) .

I den ikke-relativistiske tilnærmingen ( υ « c)

\(~\lambda = \dfrac(h)(m \cdot \upsilon)\) .

De Broglies hypotese var basert på betraktninger om symmetrien til materiens egenskaper og hadde ingen eksperimentell bekreftelse på det tidspunktet. Men det var en kraftig revolusjonær drivkraft for utviklingen av nye ideer om materielle gjenstanders natur. I løpet av flere år utviklet en rekke fremragende fysikere fra det 20. århundre - W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac, N. Bohr og andre - det teoretiske grunnlaget for en ny vitenskap, som ble kalt kvantemekanikk.

Den første eksperimentelle bekreftelsen av de Broglies hypotese ble oppnådd i 1927 av amerikanske fysikere K. Devisson og L. Germer. De fant at en elektronstråle spredt av en nikkelkrystall produserte et distinkt diffraksjonsmønster som ligner på det produsert av kortbølgelengde røntgenstråler spredt av krystallen. I disse eksperimentene spilte krystallen rollen som et naturlig diffraksjonsgitter. Plasseringen av diffraksjonsmaksima ble brukt for å bestemme bølgelengden til elektronstrålen, som viste seg å være i full overensstemmelse med de Broglie-formelen.

Året etter, 1928, fikk den engelske fysikeren J. Thomson (sønnen til J. Thomson, som hadde oppdaget elektronet 30 år tidligere) en ny bekreftelse på de Broglies hypotese. I sine eksperimenter observerte Thomson diffraksjonsmønsteret som oppstår når en elektronstråle passerer gjennom en tynn polykrystallinsk gullfolie. På en fotografisk plate montert bak en folie ble konsentriske lyse og mørke ringer tydelig observert, hvis radier endret seg med en endring i elektronhastigheten (dvs. bølgelengden) ifølge de Broglie.

I de påfølgende årene ble forsøket til J. Thomson gjentatt mange ganger med samme resultat, inkludert under forhold da elektronstrømmen var så svak at bare én partikkel kunne passere gjennom enheten om gangen (V. A. Fabrikant, 1948). Dermed ble det eksperimentelt bevist at bølgeegenskapene er iboende ikke bare for et stort sett med elektroner, men også for hvert elektron separat.

Deretter ble diffraksjonsfenomener også oppdaget for nøytroner, protoner, atom- og molekylstråler. Eksperimentelt bevis på tilstedeværelsen av bølgeegenskaper til mikropartikler førte til konklusjonen at dette er et universelt naturfenomen, en generell egenskap ved materie. Følgelig må bølgeegenskaper også være iboende i makroskopiske legemer. På grunn av den store massen av makroskopiske legemer kan deres bølgeegenskaper imidlertid ikke oppdages eksperimentelt. For eksempel tilsvarer et støvkorn med en masse på 10-9 g, som beveger seg med en hastighet på 0,5 m/s, en de Broglie-bølge med en bølgelengde på omtrent 10-21 m, dvs. omtrent 11 størrelsesordener mindre enn størrelsen på atomer. Denne bølgelengden ligger utenfor området som er tilgjengelig for observasjon. Dette eksemplet viser at makroskopiske kropper bare kan vise korpuskulære egenskaper.

Dermed endret de Broglies eksperimentelt bekreftede hypotese om bølge-partikkel-dualitet radikalt ideene om egenskapene til mikroobjekter.

Alle mikroobjekter har både bølge- og korpuskulære egenskaper, men de er verken en bølge eller en partikkel i klassisk forstand. Ulike egenskaper til mikroobjekter manifesterer seg ikke samtidig, de utfyller hverandre, bare kombinasjonen deres karakteriserer mikroobjektet fullstendig. Dette er formelen formulert av den kjente danske fysikeren N. Bohr komplementaritetsprinsippet. Det kan betinget sies at mikroobjekter forplanter seg som bølger, og utveksler energi som partikler.

Fra bølgeteoriens synspunkt tilsvarer maksima i elektrondiffraksjonsmønsteret den høyeste intensiteten til de Broglie-bølger. Et stort antall elektroner faller inn i området med maksima registrert på en fotografisk plate. Men prosessen med å få elektroner til forskjellige steder på en fotografisk plate er ikke individuell. Det er fundamentalt umulig å forutsi hvor neste elektron vil falle etter spredning, det er bare en viss sannsynlighet for at et elektron faller et eller annet sted. Dermed kan beskrivelsen av tilstanden til et mikroobjekt og dets oppførsel kun gis på grunnlag av sannsynlighetsteori.

De Broglie-bølger er ikke elektromagnetiske bølger og har ingen analogi blant alle typer bølger studert i klassisk fysikk, fordi de sendes ikke ut av noen bølgekilder og er ikke relatert til utbredelsen av noe felt, for eksempel elektromagnetisk eller noe annet. De er assosiert med enhver bevegelig partikkel, uavhengig av om den er elektrisk ladet eller nøytral.

30.12.2015. 14:00

Mange som begynner å lære fysikk, både i skoleårene og i høyere utdanningsinstitusjoner, møter før eller siden spørsmål om lys. For det første, det jeg misliker mest med fysikken vi kan i dag. Så dette er tolkningen av noen konsepter, med et absolutt rolig ansiktsuttrykk og ikke ta hensyn til andre fenomener og effekter. Det vil si at de ved hjelp av noen lover eller regler prøver å forklare visse fenomener, men samtidig prøver de å ikke legge merke til effektene som motsier denne forklaringen. Dette er allerede en slags tolkningsregel – Vel, hva med det og det? Kjære, hør, vi snakker om noe annet akkurat nå, bare ignorer det. Tross alt, innenfor rammen av dette spørsmålet, slår alt? Vel, hyggelig.

Den neste "Schrödingers katt" for enhver kunnskap er CWD (corpuscular wave dualism). Når tilstanden til et foton (en partikkel av lys) eller et elektron kan beskrives ved både bølgeeffekter og korpuskulære (partikler). Når det gjelder fenomenene som indikerer bølgeegenskapene til materie, er alt mer eller mindre klart, bortsett fra én ting - mediet der nettopp denne bølgen blir overført. Men angående de korpuskulære egenskapene og spesielt tilstedeværelsen av slike "partikler" av lys som fotoner, har jeg mye tvil.

Hvordan visste folk at lys har en bølgenatur? Vel, dette ble tilrettelagt av åpne effekter og eksperimenter med dagslys. For eksempel et konsept som lysspekteret, (det synlige lysspekteret) hvor, avhengig av bølgelengden og følgelig frekvensen, endres fargen på spekteret fra rød til lilla, og så ser vi det med vår ufullkomment øye. Alt bak den og foran den refererer til infrarød, radiostråling, ultrafiolett, gammastråling og så videre.

Vær oppmerksom på bildet ovenfor, som viser spekteret av elektromagnetisk stråling. Avhengig av frekvensen til bølgen av elektromagnetisk manifestasjon, kan det være både gammastråling og synlig lys, og ikke bare, for eksempel, kan det til og med være en radiobølge. Men det som er mest overraskende i alt dette, bare det synlige spekteret av lys, så ubetydelig i hele frekvensområdet, av en eller annen grunn, PLUTSELIG og bare utelukkende til det, tilskrives egenskapene til partikler - fotoner. Av en eller annen grunn er det bare det synlige spekteret som viser korpuskulære egenskaper. Du vil aldri høre om de korpuskulære egenskapene til radiobølger eller si gammastråling, disse svingningene viser ikke korpuskulære egenskaper. Bare delvis blir konseptet "gammakvante" brukt på gammastråling, men mer om det senere.

Og hvilke faktiske fenomener eller effekter bekrefter tilstedeværelsen av korpuskulære egenskaper, selv om det bare er i det synlige lysspekteret? Og her begynner det mest overraskende.

I følge offisiell vitenskap bekreftes lysets korpuskulære egenskaper av to velkjente effekter. For oppdagelsen og forklaringen av disse effektene ble nobelprisene i fysikk tildelt Albert Einstein (foto-effekt), Arthur Compton (Compotne-effekt). Det bør bemerkes med spørsmålet - hvorfor fotoeffekten ikke bærer navnet til Albert Einstein, fordi det var for ham han mottok Nobelprisen? Og alt er veldig enkelt, denne effekten ble ikke oppdaget av ham, men av en annen talentfull vitenskapsmann (Alexander Becquerel 1839), Einstein forklarte bare effekten.

La oss starte med bildeeffekten. Hvor, ifølge fysikere, er det bevis for at lys har korpuskulære egenskaper?

Den fotoelektriske effekten er et fenomen som skyldes at elektroner sendes ut av et stoff når det utsettes for lys eller annen elektromagnetisk stråling. Med andre ord, lys absorberes av materie og energien overføres til elektroner, noe som får dem til å bevege seg på en ryddig måte, og dermed bli til elektrisk energi.

Faktisk er det ikke klart hvordan fysikere kom til den konklusjonen at det såkalte fotonet er en partikkel, fordi i fenomenet den fotoelektriske effekten er det slått fast at elektroner flyr ut for å møte fotoner. Dette faktum gir en ide om den feilaktige tolkningen av fenomenet fotoeffekt, siden det er en av betingelsene for forekomsten av denne effekten. Men ifølge fysikere viser denne effekten at fotonet bare er en partikkel på grunn av det faktum at det er fullstendig absorbert, og også på grunn av det faktum at frigjøring av elektroner ikke er avhengig av intensiteten av bestråling, men utelukkende på frekvensen til det såkalte fotonet. Det er derfor konseptet om et lyskvantum eller et blodlegeme ble født. Men her bør vi fokusere på hva som er «intensitet» i akkurat dette tilfellet. Tross alt produserer solcellepaneler fortsatt mer elektrisitet med en økning i mengden lys som faller på overflaten av fotocellen. Når vi for eksempel snakker om lydens intensitet, mener vi amplituden til dens vibrasjoner. Jo større amplituden er, jo mer energi bærer den akustiske bølgen, og jo mer kraft trengs for å lage en slik bølge. Når det gjelder lys er et slikt konsept helt fraværende. I følge dagens ideer innen fysikk har lys en frekvens, men ingen amplitude. Noe som igjen reiser mange spørsmål. For eksempel har en radiobølge amplitudekarakteristikk, men synlig lys, hvis bølger for eksempel er litt kortere enn radiobølger, har ingen amplitude. Alt dette beskrevet ovenfor sier bare at et slikt konsept som et foton er mildt sagt vagt, og alle fenomener som indikerer dets eksistens som deres tolkning tåler ikke gransking. Eller de er rett og slett oppfunnet for å støtte enhver hypotese, noe som mest sannsynlig er tilfelle.

Når det gjelder Compton-spredningen av lys (Compoton-effekten), er det slett ikke klart hvordan man på grunnlag av denne effekten konkluderer med at lys er en partikkel og ikke en bølge.

Generelt har faktisk ikke fysikken i dag en konkret bekreftelse på at fotonpartikkelen er fullverdig og i prinsippet eksisterer i form av en partikkel. Det er et visst kvante som er preget av en frekvensgradient og ikke mer. Og det som er mest interessant, dimensjonene (lengden) til dette fotonet kan ifølge E=hv være fra flere titalls mikron til flere kilometer. Og alt dette forvirrer ingen når man bruker ordet "partikkel" til et foton.

For eksempel har en femtosekundlaser med en pulslengde på 100 femtosekunder en pulslengde (foton) på 30 mikron. For referanse, i en gjennomsiktig krystall, er avstanden mellom atomene omtrent 3 ångstrøm. Vel, hvordan kan et foton fly fra atom til atom, hvis verdi er flere ganger større enn denne avstanden?

Men i dag nøler ikke fysikken med å operere med konseptet kvante, foton eller partikkel i forhold til lys. Bare ikke ta hensyn til det faktum at det ikke passer inn i standardmodellen som beskriver materie og lovene som den eksisterer etter.

Hovedkarakteristikkene til lys som bølgeprosess er frekvensen n og bølgelengden l. De korpuskulære egenskapene til lys er preget av fotoner. Hvert foton har energi

e f = hn, (5,1)

og momentum

. (5.3)

Formel (5.3) etablerer sammenhengen mellom lysets bølge- og korpuskulære egenskaper.

I denne forbindelse oppsto en antagelse om at den doble naturen er iboende ikke bare i lys, men også i partikler av materie, spesielt et elektron. I 1924 fremsatte Louis de Broglie følgende hypotese: en bølgeprosess er assosiert med et elektron, hvis bølgelengde er lik

hvor h = 6,63 × 10 –34 J×s er Plancks konstant, m er elektronmassen, v er elektronhastigheten.

Beregninger har vist at bølgelengden assosiert med et elektron i bevegelse er av samme størrelsesorden som bølgelengden til røntgenstråler (10–10 ¸ 10–13 m).

Det kan ses av de Broglies formel (5.4) at bølgeegenskapene til partikler er signifikante bare i de tilfellene hvor verdien av Plancks konstant h ikke kan neglisjeres. Hvis vi under betingelsene for dette problemet kan anta at h ® 0, så kan både l®0 og bølgeegenskapene til partikler neglisjeres.

5.2. Eksperimentell underbyggelse av korpuskulær-bølge dualisme

De Broglies hypotese fikk eksperimentell bekreftelse i eksperimentene til K. Davisson og L. Germer (1927), P.S. Tartakovsky (1927), L.M. Biberman, N.G. Sushkin og V.A. Fabrikant (1949) og andre.

I forsøkene til Davisson og Germer (fig. 5.1) ble elektroner fra en elektronkanon rettet i en smal stråle til en nikkelkrystall, hvis struktur er velkjent.

Fig.5.1. Diagram over Davisson og Germers eksperiment

Elektronene som reflekteres fra krystalloverflaten treffer en mottaker koblet til et galvanometer. Mottakeren beveget seg langs en bue og fanget elektroner reflektert i forskjellige vinkler. Jo flere elektroner som kom inn i mottakeren, desto større ble strømmen registrert av galvanometeret.

Det viste seg at ved en gitt innfallsvinkel for elektronstrålen og en endring i potensialforskjellen U, som akselererer elektronene, endret strømmen I seg ikke monotont, men hadde et antall maksima (fig. 5.2).

Fig.5.2. Avhengighet av strømstyrken av den akselererende potensialforskjellen i eksperimentene til Davisson og Germer

Den resulterende grafen indikerer at refleksjon av elektroner ikke skjer på noen, men ved strengt definerte verdier av U, dvs. ved strengt definerte hastigheter v av elektroner. Denne avhengigheten kunne bare forklares på grunnlag av ideer om elektronbølger.

For å gjøre dette uttrykker vi elektronhastigheten i form av akselerasjonsspenningen:

og finn de Broglie-bølgelengden til elektronet:

(5.6)

For elektronbølger som reflekteres fra en krystall, så vel som for røntgenstråler, må Wulf-Braggs-betingelsen være oppfylt:

2d sinq = kl, k = 1,2,3,..., (5,7)

der d er krystallgitterkonstanten, q er vinkelen mellom den innfallende strålen og krystalloverflaten.

Ved å erstatte (5.6) med (5.7), finner vi de verdiene av akselerasjonsspenningen som tilsvarer refleksjonsmaksima, og følgelig til den maksimale strømmen gjennom galvanometeret:

(5.8)

Verdiene av U beregnet med denne formelen ved q=const er i utmerket overensstemmelse med resultatene av eksperimentene til Davisson og Germer.

I forsøkene til P.S. Tartakovsky ble krystallen erstattet av en tynn film av en polykrystallinsk struktur (fig. 5.3).

Fig.5.3. Forsøksplan P.S. Tartakovsky

Elektronene spredt av filmen produserte diffraksjonssirkler på skjermen. Et lignende bilde ble observert i spredningen av røntgenstråler av polykrystaller. Diametrene til diffraksjonssirklene kan brukes til å bestemme de Broglie-bølgelengden l av elektroner. Hvis l er kjent, gjør diffraksjonsmønsteret det mulig å bedømme strukturen til krystallen. Denne metoden for å studere strukturen kalles elektrondiffraksjon.

L.M. Biberman, N.G. Sushkin og V.A. Fabrikant utførte eksperimenter på diffraksjon av enkeltstående, suksessivt flygende elektroner. Individuelle elektroner treffer forskjellige punkter på skjermen, tilsynelatende tilfeldig spredt. Ved spredning av et stort antall elektroner ble det imidlertid funnet at punktene for elektronpåvirkning på skjermen er fordelt på en slik måte at de danner maksima og minima, dvs. med lang eksponering ble det samme diffraksjonsmønsteret oppnådd, som gir en elektronstråle. Dette indikerer at hvert enkelt elektron har bølgeegenskaper.

Diffraksjonsfenomener ble observert i eksperimenter ikke bare med elektroner, men også med protoner, nøytroner, atom- og molekylstråler.