Природа світла хвильові та корпускулярні властивості світла. Корпускулярні властивості світла

За останні сто років наука зробила крок далеко вперед у вивченні устрою нашого світу як на мікроскопічному, так і на макроскопічному рівні. Приголомшливі відкриття, принесені нам спеціальною і загальною теоріями відносності, квантовою механікою, досі хвилюють громадськість. Проте будь-якій освіченій людині необхідно розібратися хоча б в засадах сучасних досягнень науки. Одним із найбільш вражаючих та важливих моментів є корпускулярно-хвильовий дуалізм. Це парадоксальне відкриття, розуміння якого непідвладне інтуїтивному побутовому сприйняттю.

Корпускули та хвилі

Вперше дуалізм виявили при дослідженні світла, яке поводилося залежно від умов зовсім по-різному. З одного боку, виходило, що світло – це оптична електромагнітна хвиля. З іншого боку – дискретна частка (хімічна дія світла). Спочатку вчені вважали, що ці два уявлення взаємно виключають одне одного. Проте численні досліди показали, що це негаразд. Поступово реальність такого поняття, як корпускулярно-хвильовий дуалізм стала повсякденною. Ця концепція є основою вивчення поведінки складних квантових об'єктів, які є ні хвилями, ні частинками, лише набувають властивості других чи перших залежно від певних умов.

Досвід із двома щілинами

Дифракція фотонів – наочна демонстрація дуалізму. Детектором заряджених частинок є фотопластинка або люмінесцентний екран. Кожен окремий фотон відзначався засвіткою або точковим спалахом. Сукупність таких позначок давала інтерференційну картину - чергування слабо і засвічених смужок, що є характеристикою дифракції хвилі. Це пояснюється таким поняттям, як корпускулярно-хвильовий дуалізм. Знаменитий фізик і Нобелівський лауреат Річард Фейнман говорив, що речовина поводиться в малих масштабах так, що відчути «природність» поведінки квантів неможливо.

Універсальний дуалізм

Однак цей досвід справедливий не лише для фотонів. Виявилося, що дуалізм - це властивість усієї речовини, і він універсальний. Гейзенберг стверджував, що матерія існує у обох випадках поперемінно. На сьогоднішній день абсолютно доведено, що обидві властивості виявляються абсолютно одночасно.

Корпускулярна хвиля

А як пояснити таку поведінку матерії? Хвилю, яка властива корпускулам (частинкам), називають хвилею де Бройля, на ім'я молодого аристократа-вченого, який запропонував вирішення цієї проблеми. Вважають, що рівняння де Бройля описують хвильову функцію, що у квадраті визначає лише ймовірність те, що частка перебуває у різний час у різних точках у просторі. Простіше кажучи, дебройлівська хвиля – це ймовірність. Таким чином встановили рівність між математичним поняттям (імовірністю) та реальним процесом.

Квантове поле

Що таке корпускули речовини? За великим рахунком це кванти хвильових полів. Фотон – квант електромагнітного поля, позитрон та електрон – електронно-позитронного, мезон – квант мезонного поля і так далі. Взаємодія між хвильовими полями пояснюється обміном з-поміж них деякими проміжними частинками, наприклад, при електромагнітному взаємодії йде обмін фотонами. Із цього прямо випливає ще одне підтвердження того, що хвильові процеси, описані де Бройлем, – це абсолютно реальні фізичні явища. А корпускулярно-хвильовий дуалізм виступає не як «таємниче приховане властивість», яке характеризує здатність частинок до «перевтілення». Він наочно демонструє дві взаємопов'язані дії - рух об'єкта та пов'язаний з ним хвильовий процес.

Тунельний ефект

Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла пов'язаний із багатьма іншими цікавими явищами. Напрямок дії хвилі де Бройля проявляється за так званого тунельного ефекту, тобто при проникненні фотонів через енергетичний бар'єр. Це зумовлено перевищенням середнього значення імпульсом частки на момент пучності хвилі. За допомогою тунелювання виявилася можливою розробка багатьох електронних приладів.

Інтерференція квантів світла

Сучасна наука говорить про інтерференцію фотонів так само загадково, як і про інтерференцію електронів. Виходить, що фотон, який є неподільною частинкою, одночасно може пройти будь-яким відкритим для себе шляхом і інтерферувати сам із собою. Якщо врахувати, що корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей речовини і фотон являють собою хвилю, що охоплює багато структурних елементів, його ділимість не виключається. Це суперечить попереднім поглядам на частку як на елементарне неподільне утворення. Маючи певну масу руху, фотон формує пов'язану з цим рухом поздовжню хвилю, яка передує самій частинці, оскільки швидкість поздовжньої хвилі більша, ніж поперечної електромагнітної. Тому є два пояснення інтерференції фотона самого з собою: частка розщеплюється на дві складові, які інтерферують один з одним; хвиля фотона проходить двома шляхами і формує інтерференційну картину. Досвідченим шляхом було виявлено, що інтерференційна картина створюється при пропусканні крізь інтерферометр по черзі одиничних заряджених частинок-фотонів. Цим підтверджується теза у тому, кожен окремий фотон інтерферує сам із собою. Особливо чітко це видно з огляду на те, що світло (не когерентне і не монохроматичне) - це зібрання фотонів, які випромінюються атомами у взаємопов'язаних і випадкових процесах.

Що таке світло?

Світлова хвиля – це електромагнітне нелокалізоване поле, яке розподіляється по простору. Електромагнітне поле хвилі має об'ємну щільність енергії, яка пропорційна квадрату амплітуди. Це означає, що щільність енергії може змінюватись на будь-яку величину, тобто це безперервно. З одного боку, світло - це потік квантів і фотонів (корпускул), які завдяки універсальності такого явища, як корпускулярно-хвильовий дуалізм, є властивостями електромагнітної хвилі. Наприклад, у явищах інтерференції та дифракції та у масштабах світло явно демонструє характеристики хвилі. Наприклад, одиночний фотон, як було описано вище, проходячи через подвійну щілину, створює інтерференційну картинку. За допомогою експериментів було доведено, що окремий фотон - це не електромагнітний імпульс. Його не можна розділити на пучки з дільниками променів, що показали французькі фізики Аспе, Роже та Гранжье.

Світло має і корпускулярні властивості, які проявляються при ефекті Комптону і при фотоефекті. Фотон може поводитися як частка, яка поглинається об'єктами цілком, розміри яких набагато менші за довжину його хвилі (наприклад, атомним ядром). У деяких випадках фотони взагалі можна вважати точковими об'єктами. Немає різниці, з якої позиції розглядати властивості світла. У сфері кольорового зору потік світла може виконувати функції хвилі, і частки-фотона як кванта енергії. Предметна точка, сфокусована на фоторецепторі сітківки, наприклад, мембрані колбочки, може дозволити оку сформувати власне відфільтроване значення як основні спектральні промені світла і відсортувати їх по довжинах хвиль. Відповідно до значень енергії квантів, у мозку предметну точку буде переведено на відчуття кольору (сфокусоване оптичне зображення).

Вступ 2

1. Хвильові властивості світла 3

1.1 Дисперсія 3

1.2 Інтерференція 5

1.3 Дифракція. Досвід Юнга 6

1.4 Поляризація 8

2. Квантові властивості світла 9

2.1 Фотоефект 9

2.2 Ефект Комптону 10

Висновок 11

Список використаної літератури 11

Вступ

Перші уявлення древніх учених у тому, що таке світло, були дуже наївні. Існувала кілька точок зору. Одні вважали, що з очей виходять особливі тонкі щупальця і зорові враження виникають при обмацуванні ними предметів. Ця точка зору мала велику кількість послідовників, серед яких був Евклід, Птолемей та багато інших науковців та філософів. Інші, навпаки, вважали, що промені випромінюються тілом, що світиться і, досягаючи людського ока, несуть на собі відбиток предмета, що світиться. Такий погляд дотримувалися Лукрецій, Демокріт.

У цей час Евклідом було сформульовано закон прямолінійного поширення світла. Він писав: “Промені, що випускаються очима, поширюються прямим шляхом”.

Однак пізніше, вже в середні віки, таке уявлення про природу світла втрачає своє значення. Дедалі менше стає вчених, які йдуть цим поглядам. І на початку XVII в. ці погляду вважатимуться вже забутими.

У 17 столітті майже одночасно виникли і почали розвиватися дві різні теорії про те, що таке світло і яка його природа.

Одна з цих теорій пов'язана з ім'ям Ньютона, інша з ім'ям Гюйгенса.

Ньютон дотримувався так званої корпускулярної теорії світла, згідно з якою світло це потік частинок, що йдуть від джерела на всі боки (перенесення речовини).

Згідно з уявленнями Гюйгенса, світло це потік хвиль, що поширюються в особливому, гіпотетичному середовищі ефірі, що заповнює весь простір і проникає всередину всіх тіл.

Обидві теорії тривалий час існували паралельно. Жодна з них не могла здобути вирішальної перемоги. Лише авторитет Ньютона змушував більшість вчених віддавати перевагу корпускулярній теорії. Відомі тоді з досвіду закони поширення світла більш-менш успішно пояснювалися обома теоріями.

На основі корпускулярної теорії було важко пояснити, чому світлові пучки, перетинаючи у просторі, ніяк не діють один на одного. Адже світлові частки повинні зіштовхуватися та розсіюватися.

Хвильова теорія це легко пояснювала. Хвилі, наприклад, на поверхні води, вільно проходять один крізь одного, не надаючи взаємного впливу.

Однак прямолінійне поширення світла, що призводить до утворення за предметами різких тіней, важко пояснити, виходячи з хвильової теорії. При корпускулярній теорії прямолінійне поширення світла є просто наслідком закону інерції.

Таке невизначене становище щодо природи світла зберігалося на початок ХІХ століття, коли відкрили явища дифракції світла (огинання світлом перешкод) і інтерференція світла (посилення чи ослаблення освітленості при накладенні світлових пучків друг на друга). Ці явища притаманні виключно хвильовому руху. Пояснити їх за допомогою корпускулярної теорії не можна. Тому здавалося, що хвильова теорія здобула остаточну і повну перемогу.

Така впевненість особливо зміцніла, коли Максвелл у другій половині XIX століття показав, що світло є окремим випадком електромагнітних хвиль. Роботами Максвелла було закладено основи електромагнітної теорії світла.

Після експериментального виявлення електромагнітних хвиль Герцем жодних сумнівів у тому, що при поширенні світло поводиться як хвиля, не залишилося.

Однак у нале XIX століття ставлення до природі світла почали докорінно змінюватися. Несподівано з'ясувалося, що відкинута корпускулярна теорія все ж таки має відношення до дійсності.

При випромінюванні та поглинанні світло поводиться подібно до потоку частинок.

Були виявлені уривчасті, або, як кажуть, квантові властивості світла. Виникла незвичайна ситуація: явища інтерференції та дифракції, як і раніше, можна пояснити, вважаючи світло хвилею, а явища випромінювання та поглинання вважаючи світло потоком частинок. Ці два, здавалося б, несумісні один з одним уявлення про природу світла в 30-х роках XX століття вдалося несуперечливо об'єднати в новій видатній фізичній теорії квантової електродинаміки.

1. Хвильові властивості світла

1.1 Дисперсія

Займаючись удосконаленням телескопів, Ньютон звернув увагу на те, що зображення, яке дається об'єктивом, по краях пофарбоване. Він зацікавився цим і перший досліджував розмаїтість світлових променів і особливості кольорів, які до цього ніхто навіть не (слова з напису на могилі Ньютона) Основний досвід Ньютона був геніально простий. Ньютон здогадався направити на призму світловий пучок малого поперечного перерізу. Пучок сонячного світла проходив у затемнену кімнату через маленький отвір у віконниці. Падаючи на скляну призму, він заломлювався і давав на протилежній стіні подовжене зображення з райдужним чергуванням квітів. Наслідуючи багатовікову традицію, згідно з якою веселка вважалася з семи основних кольорів, Ньютон теж виділив сім кольорів: фіолетовий, синій, блакитний, зелений, жовтий, помаранчевий і червоний. Саму райдужну смужку Ньютон назвав спектром.

Закриваючи отвір червоним склом, Ньютон спостерігав на стіні тільки червону пляму, закриваючи синім-синім і т.д. Звідси випливало, що не призма забарвлює біле світло, як передбачалося раніше. Призма не змінює кольори, а лише розкладає його на складові. Біле світло має складну структуру. З нього можна виділити пучки різних кольорів, і лише спільна їхня дія викликає в нас враження білого кольору. Справді, якщо за допомогою другої призми, поверненої на 180 градусів щодо першої. Зібрати всі пучки спектру, то знову вийде біле світло. Виділивши ж якусь частину спектра, наприклад зелену, і змусивши світло пройти ще через одну призму, ми вже не отримаємо подальшої зміни забарвлення.

Інший важливий висновок, до якого прийшов Ньютон, був сформульований ним у трактаті по Оптиці наступним чином: Світлові пучки, що відрізняються за кольором, відрізняються за ступенем заломлюваності Найбільш сильно заломлюються фіолетові промені, менші за інші червоні. Залежність показника заломлення світла від його кольору зветься дисперсією (від латинського слова Dispergo-розкидаю).

Надалі Ньютон удосконалив свої спостереження спектру, щоб отримати чистіші кольори. Адже круглі кольорові плями світлового пучка, що пройшов через призму, частково перекривали один одного. Замість круглого отвору використовувалася вузька щілина (А), освітлена яскравим джерелом. За щілиною розташовувалась лінза (B), що дає на екрані (D) зображення у вигляді тонкої білої смужки. Якщо на шляху променів помістити призму (C), то зображення щілини розтягнеться в спектр, пофарбовану смужку, переходи кольорів, в якій від червоного до фіолетового подібні до веселки. Досвід Ньютона зображено на рис.1

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

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

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

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

2. Білий колір є сукупність простих кольорів.

Знаючи, що біле світло має складну структуру, можна пояснити дивовижне різноманіття фарб у природі. Якщо предмет, наприклад, аркуш паперу, відображає всі падаючі на нього промені різних кольорів, то він здаватиметься білим. Покриваючи папір шаром фарби, ми створюємо при цьому світла нового кольору, але затримуємо на аркуші деяку частину існуючого. Відбиватимуться тепер тільки червоні промені, решта поглинеться шаром фарби. Трава і листя дерев здаються нам зеленими тому, що з усіх сонячних променів, що на них падають, вони відображають лише зелені, поглинаючи інші. Якщо подивитися на траву через червоне скло, що пропускає лише червоні промені, то вона здаватиметься майже чорною.

Ми знаємо зараз, що різним кольорам відповідають різні довжини світлових хвиль. Тому перше відкриття Ньютона можна сформулювати так: показник заломлення речовини залежить від довжини світлової хвилі. Зазвичай він збільшується зі зменшенням довжини хвилі.

1.2 Інтерференція

Інтерференцію світла спостерігали дуже давно, але тільки не усвідомлювали цього. Багато хто бачив інтерференційну картину, коли в дитинстві розважалися пусканням мильних бульбашок або спостерігали за

У 17 столітті майже одночасно виникли і почали розвиватися дві різні теорії про те, що таке світло і яка його природа. Одна з цих теорій пов'язана з ім'ям І. Ньютона, а інша - з ім'ям Г. Гюйгенса.

І. Ньютон дотримувався так званої корпускулярної теорії світла, згідно з якою світло - це потік частинок, що йдуть від джерела на всі боки (перенесення речовини).

Згідно з уявленнями Х.Гюйгенса, світло - це потік хвиль, що поширюються в особливому, гіпотетичному середовищі - ефірі, що заповнює весь простір і проникає всередину всіх тіл.

Обидві теорії тривалий час існували паралельно. Жодна з них не могла здобути вирішальної перемоги. Лише авторитет І.Ньютона змушував більшість вчених віддавати перевагу корпускулярній теорії. Відомі тоді з досвіду закони поширення світла більш-менш успішно пояснювалися обома теоріями.

Хвильова теорія це легко пояснювала. Хвилі, наприклад, на поверхні води вільно проходять один крізь одного, не надаючи взаємного впливу.

Таке невизначене становище щодо природи світла зберігалося на початок ХІХ століття, коли відкрили явища дифракції світла (огинання світлом перешкод) і інтерференція світла (посилення чи ослаблення освітленості при накладенні світлових пучків друг на друга). Ці явища притаманні виключно хвильовому руху. Пояснити їх за допомогою корпускулярної теорії не можна. До хвильових властивостей світла можна віднести також дисперсію світла, поляризацію. Тому здавалося, що хвильова теорія здобула остаточну і повну перемогу.

Така впевненість особливо зміцніла, коли Д.Максвелл у другій половині XIX століття показав, що світло є окремим випадком електромагнітних хвиль. Роботами Д.Максвелла було закладено основи електромагнітної теорії світла. Після експериментального виявлення електромагнітних хвиль Г.Герцем жодних сумнівів у тому, що при розповсюдженні світло поводиться як хвиля, не залишилося. Однак на початку XX століття уявлення про природу світла почали докорінно змінюватися. Несподівано з'ясувалося, що відкинута корпускулярна теорія все ж таки має відношення до дійсності. При випромінюванні та поглинанні світло поводиться подібно до потоку частинок. Хвильовими властивостями світла не можна було пояснити закономірності фотоефекту.

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

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

Одночасна наявність у об'єктів хвильових та корпускулярних властивостей отримала назву корпускулярно-хвильового дуалізму.

Хвильові властивості мікрочастинок. Дифракція електронів

У 1923 році французький фізик Л. де Бройль висунув гіпотезу про універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму. Де Бройль стверджував, що не тільки фотони, а й електрони і будь-які інші частинки матерії поряд з корпускулярними володіють також хвильовими властивостями.

Згідно з де Бройлем, з кожним мікрооб'єктом пов'язані, з одного боку, корпускулярні характеристики – енергія Eта імпульс p, а з іншого боку, хвильові характеристики – частота ν та довжина хвилі λ .

Корпускулярні та хвильові характеристики мікрооб'єктів пов'язані такими ж кількісними співвідношеннями, як і у фотона:

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

Гіпотеза де Бройля постулювала ці співвідношення для всіх мікрочастинок, у тому числі і для таких, які мають масу m. Будь-якій частинці, що володіє імпульсом, зіставлявся хвильовий процес з довжиною хвилі \(~\lambda = \dfrac(h)(p)\). Для часток, що мають масу,

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

У нерелятивістському наближенні ( υ « c)

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

Гіпотеза де Бройля ґрунтувалася на міркуваннях симетрії властивостей матерії і мала тоді досвідченого докази. Але вона стала потужним революційним поштовхом до розвитку нових поглядів на природу матеріальних об'єктів. Протягом кількох років ціла низка видатних фізиків XX століття – В. Гейзенберг, Е. Шредінгер, П. Дірак, Н. Бор та інші – розробили теоретичні основи нової науки, яка була названа квантовою механікою.

Перше експериментальне підтвердження гіпотези де Бройля було отримано 1927 року американськими фізиками До. Девіссоном і Л. Джермером. Вони виявили, що пучок електронів, що розсіюється на кристалі нікелю, дає виразну дифракційну картину, подібну до тієї, яка виникає при розсіянні на кристалі короткохвильового рентгенівського випромінювання. У цих експериментах кристал грав роль природних дифракційних ґрат. За положенням дифракційних максимумів було визначено довжину хвилі електронного пучка, яка виявилася у повній відповідності до формули де Бройля.

Наступного 1928 року англійський фізик Дж. Томсон (син Дж. Томсона, який відкрив за 30 років до цього електрон) отримав нове підтвердження гіпотези де Бройля. У своїх експериментах Томсон спостерігав дифракційну картину, що виникає під час проходження пучка електронів через тонку полікристалічну фольгу із золота. На встановленій за фольгою фотопластинці чітко спостерігалися концентричні світлі та темні кільця, радіуси яких змінювалися зі зміною швидкості електронів (тобто довжини хвилі) згідно з де Бройлем.

У наступні роки досвід Дж. Томсона був багаторазово повторений з незмінним результатом, у тому числі за умов, коли потік електронів був настільки слабким, що через пристрій одночасно могла проходити тільки одна частка (В. А. Фабрикант, 1948). Отже, було експериментально доведено, що хвильові властивості притаманні як великої сукупності електронів, а й кожному електрону окремо.

Згодом дифракційні явища було виявлено також нейтронів, протонів, атомних і молекулярних пучків. Експериментальний доказ наявності хвильових властивостей мікрочастинок привело до висновку, що це універсальне явище природи, загальна властивість матерії. Отже, хвильові властивості мають бути притаманні макроскопічним тілам. Проте внаслідок великої маси макроскопічних тіл їх хвильові властивості неможливо знайти виявлено експериментально. Наприклад, порошинці масою 10 -9 г, що рухається зі швидкістю 0,5 м/с відповідає хвиля де Бройля з довжиною хвилі порядку 10 -21 м, тобто приблизно на 11 порядків менше розмірів атомів. Така довжина хвилі лежить поза доступною спостереженню області. Цей приклад показує, що макроскопічні тіла можуть виявляти лише корпускулярні властивості.

Таким чином, підтверджена експериментально гіпотеза де Бройля про корпускулярно-хвильовий дуалізм докорінно змінила уявлення про властивості мікрооб'єктів.

Всім мікрооб'єктам притаманні і хвильові, і корпускулярні властивості, однак вони не є ні хвилею, ні частинкою в класичному розумінні. Різні властивості мікрооб'єктів не виявляються одночасно, вони доповнюють одна одну, тільки їхня сукупність характеризує мікрооб'єкт повністю. У цьому полягає сформульований знаменитим датським фізиком М. Бором принцип додатковості. Можна умовно сказати, що мікрооб'єкти розповсюджуються як хвилі, а обмінюються енергією як частинки.

З погляду хвильової теорії, максимуми у картині дифракції електронів відповідають найбільшій інтенсивності хвиль де Бройля. В області максимумів, зареєстрованих на фотопластинці, потрапляє велика кількість електронів. Але процес влучення електронів у різні місця на фотопластинці не індивідуальний. Принципово неможливо передбачити, куди потрапить черговий електрон після розсіювання, існує лише певна ймовірність попадання електрона на те чи інше місце. Таким чином, опис стану мікрооб'єкта та його поведінки може бути дано лише на основі теорії ймовірності.

Хвилі де Бройля є електромагнітними хвилями і немає аналогії серед усіх видів хвиль, вивчених у класичної фізики, т.к. вони не випускаються будь-якими джерелами хвиль і не мають відношення до поширення будь-якого поля, наприклад електромагнітного або іншого. Вони пов'язані з будь-якою частиною, що рухається незалежно від того, чи є вона електрично зарядженою або нейтральною.

30.12.2015. 14:00

Багато хто починає пізнавати фізику як у шкільні роки так і у вищих навчальних закладах, рано чи пізно стикаються з питаннями щодо світла. По-перше, що найбільше мені не подобатися у фізиці, яка нам відома сьогодні. Так це трактування одних понять, при абсолютно спокійному вираженні обличчя та не зверненні уваги на інші явища та ефекти. Тобто за допомогою одних законів або правил намагаються пояснити ті чи інші явища, але при цьому намагаються не помічати суперечливі ефекти цього пояснення. Це вже є своєрідним правилом ведення трактування - Ну а як же ось це і це? Дорогий, послухай ми зараз говоримо про інше, просто не звертай уваги. Адже в рамках цього питання все б'ється? Ну і добре.

Черговим "Котом Шредінгера" для будь-якого пізнання є КВД (корпускулярно-хвильовий дуалізм). Коли стан фотона (частки світла) або електрона може описуватися як хвильовими ефектами так і корпускулярними (частки). Що ж до явищ вказують на хвильові властивості матерії, тут дедалі більше зрозуміло, крім однієї речі - середовище у яких ця хвиля передається. Але щодо корпускулярних властивостей і особливо наявності таких "частинок" світла як фотони, у мене є безліч сумнівів.

Як люди дізналися про те, що світло має хвильову природу? Ну тому сприяли відкриті ефекти та проведені експерименти із денним світлом. Наприклад таке поняття як діапазон світла, (видимий діапазон світла) де в залежності від довжини хвилі і відповідно частоти, колір діапазону змінюється від червоного до фіолетового, його то ми і бачимо нашим недосконалим оком. Все що знаходиться за ним і перед, ставиться до інфрачервоного, радіовипромінювання, ультрафіолетового, гамма випромінювання і так далі.

Зверніть увагу як зображення вище, де зображено спектр електромагнітного випромінювання. Залежно від частоти хвилі електромагнітного прояви воно може бути як гамма випромінюванням, і видимим світлом не тільки, наприклад воно може бути радіо хвилею. Але що найдивовижніше у всьому цьому, тільки видимому спектрі світла, настільки незначному у всьому діапазоні частот, чомусь, раптово і тільки виключно йому, приписуються властивості частинок - фотонів. Тільки видимий спектр чомусь виявляє корпускулярні властивості. Ви ніколи не почуєте про корпускулярні властивості радіо хвиль або скажемо гамма випромінювання, ці коливання корпускулярних властивостей не виявляють. Лише частково до гамма випромінювання застосовують поняття "гамма-кванта" але про це пізніше.

А які власне явища чи ефекти підтверджують наявність нехай навіть у видимого спектра світла корпускулярних властивостей? І ось тут починається найдивовижніше.

Якщо вірити офіційної науки, корпускулярні властивості світла підтверджуються двома відомими ефектами. За відкриття та пояснення цих ефектів було видано Нобелівські премії з фізики Альберту Ейнштейну (фото-ефект), Артуру Комптону (ефект Компотна). Слід зазначити питанням - чому фото-ефект не носить ім'я Альберта Ейнштейна, адже саме за нього він отримав Нобелівську премію? А все дуже просто, цей ефект був відкритий не ним, а іншим талановитим ученим (Олександр Беккерель 1839), Ейнштейн пояснив лише ефект.

Почнемо з фото-ефекту. Де ж на думку фізиків у ньому є підтвердження того, що світло має корпускулярні властивості?

Фото-ефектом називають явище завдяки якому відбувається випромінювання електронів речовиною при впливі на нього світлом або будь-яким іншим електромагнітним випромінюванням. Іншими словами, світло поглинається матерією і яке енергія переходить електронам змушуючи їх рухатися впорядковано, переходячи в електричну енергію.

Насправді не зрозуміло, як фізики дійшли висновку, що так званий фотон є часткою, адже в явищі фотоефекту встановлено, що електрони вилітають на зустріч фотонам. Цей факт дає уявлення про неправильне трактування явища фотоефекту, оскільки є однією з умов перебігу даного ефекту. Але на думку фізиків, даний ефект показує, що фотон є саме часткою тільки тому, що поглинається повністю, а так само завдяки тому, що виділення електронів не залежить від інтенсивності опромінення, а виключно від частоти так званого фотона. Саме тому народилося поняття кванта світла чи корпускула. Але тут слід звернути увагу на те, що таке "інтенсивність" в даному конкретному випадку. Адже сонячні батареї видають все ж таки більше електрики при збільшенні кількості світла фотоелемента, що потрапляє на поверхню. Наприклад, коли ми говоримо про інтенсивність звуку, ми маємо на увазі амплітуду його коливань. Чим більше амплітуда, тим більшу енергію несе акустична хвиля і тим більшу потужність необхідно, щоб таку хвилю створити. У випадку зі світлом таке поняття відсутнє геть-чисто. Згідно з сьогоднішніми уявленнями у фізиці, світло має частоту, але немає амплітуди. Що знову ж таки викликає масу питань. Наприклад у радіохвилі амплітудні властивості є, а у видимого світла, хвилі якого скажемо трохи коротше радіохвиль - амплітуди немає. Все це описане вище говорить тільки про те, що таке поняття як фотон є м'яко кажучи розмитим, а всі явища, що вказують на його існування як їхня інтерпретація, не витримують жодної критики. Або просто є придуманими в рамках підтримки якоїсь гіпотези, що швидше за все так і є.

Що стосується Комптонівського розсіювання світла (ефект Компотона) взагалі не зрозуміло яким чином на підставі даного ефекту робиться висновок, що світло це частка а не хвиля.

Загалом по суті сьогодні фізика не має конкретного підтвердження того, що частка фотон є повноцінною і існує у вигляді частки в принципі. Є певний квант, який характеризується частотним градієнтом і не більше. І що найцікавіше розміри (довжина) цього фотона, згідно з E=hv можуть бути від кількох десятків мікронів до кількох кілометрів. І все це нікого не бентежить при вживанні слова "частка" до фотону.

Наприклад, у фемтосекундного лазера з довгою імпульсу 100 фемтосекунд довжина імпульсу (фотона) становить 30 мікрон. Для довідки у прозорому кристалі відстань між атомами приблизно 3 ангстреми. Ну як тут від атома до атома може летіти фотон, величина якого в кілька разів більша за цю відстань?

Але сьогодні фізика не соромиться оперувати поняттям квант, фотон або частка по відношенню до світла. Просто не зважаючи на те, що не вписується в стандартну модель описує матерію і закони за якими вона існує.

Основними характеристиками світла як хвильового процесу є частота n та довжина хвилі l. Корпускулярні властивості світла характеризуються фотонами. Кожен фотон має енергію

е ф = hn, (5.1)

та імпульсом

. (5.3)

Формула (5.3) встановлює зв'язок хвильових та корпускулярних властивостей світла.

У зв'язку з цим виникло припущення, що двоїста природа притаманна як світла, а й часткам матерії, зокрема електрону. У 1924 році Луї де Бройль висловив таку гіпотезу: з електроном пов'язаний хвильовий процес, довжина хвилі якого дорівнює

де h = 6,63 × 10 -34 Дж? с - постійна Планка, m - маса електрона, v - швидкість електрона.

Розрахунки показали, що довжина хвилі, пов'язаної з електроном, що рухається, має той же порядок, що і довжина хвилі рентгенівських променів (10 -10 ? 10 -13 м).

З формули де Бройля (5.4) видно, що хвильові властивості частинок істотні лише у випадках, у яких величиною постійної Планка h знехтувати не можна. Якщо в умовах даної задачі можна вважати, що h ® 0, то l 0 і хвильовими властивостями частинок можна знехтувати.

5.2. Досвідчене обґрунтування корпускулярно – хвильового дуалізму

Гіпотеза де Бройля отримала експериментальне підтвердження у дослідах К. Девіссона та Л. Джермера (1927 р.), П.С. Тартаковського (1927 р.), Л.М. Бібермана, Н.Г. Сушкіна та В.А. Фабриканта (1949 р.) та ін.

У дослідах Девіссона та Джермера (рис.5.1) електрони з електронної гармати вузьким пучком прямували на кристал нікелю, структура якого добре відома.

Рис.5.1. Схема досвіду Девіссона та Джермера

Відбиті від поверхні кристала електрони потрапляли у приймач, з'єднаний з гальванометром. Приймач переміщався дугою і вловлював електрони, відбиті під різними кутами. Чим більше електронів потрапляло до приймача, тим більший струм реєструвався гальванометром.

Виявилося, що з заданому куті падіння електронного пучка і зміні різниці потенціалів U, що прискорює електрони, струм I змінювався не монотонно, а мав ряд максимумів (рис.5.2).

Рис.5.2. Залежність сили струму від прискорюючої різниці потенціалів у дослідах Девіссона та Джермера

Отриманий графік свідчить, що відбиток електронів відбувається при будь-яких, а при суворо певних значеннях U, тобто. при чітко визначених швидкостях v електронів. Цю залежність вдалося пояснити лише на основі уявлень про електронні хвилі.

Для цього висловимо швидкість електрона через напругу, що прискорює:

і знайдемо дебройлівську довжину хвилі електрона:

(5.6)

Для відбитих від кристала електронних хвиль, як і для рентгенівських променів, має виконуватися умова Вульфа-Бреггов:

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

де d – постійна кристалічних ґрат, q – кут між падаючим променем і поверхнею кристала.

Підставивши (5.6) в (5.7), знайдемо ті значення напруги, що прискорюють, які відповідають максимумам відображення, а отже, і максимальному струму через гальванометр:

(5.8)

Розраховані за цією формулою значення U при q=const чудово узгоджуються з результатами дослідів Девіссона та Джермера.

У дослідах П.С. Тартаковський кристал замінювався тонкою плівкою полікристалічної структури (рис.5.3).

Рис.5.3. Схема дослідів П.С. Тартаковського

Розсіяні плівкою електрони давали на екрані дифракційні круги. Аналогічна картина спостерігалася при розсіянні рентгенівських променів на полікристалах. За діаметрами дифракційних кіл можна визначити дебройлівську довжину хвилі lелектронів. Якщо відома, то дифракційна картина дозволяє судити про структуру кристала. Цей метод дослідження структури зветься електронографії.

Л.М. Біберманом, Н.Г. Сушкіним та В.А. Фабрикантом були здійснені досліди з дифракції одиночних електронів, що по черзі летять. Окремі електрони потрапляли в різні точки екрану, на перший погляд розкидані безладно. Проте за розсіянні великої кількості електронів виявилося, що точки попадання електронів на екран розподілені отже утворюють максимуми і мінімуми, тобто. при тривалій експозиції було отримано таку ж дифракційну картину, яку дає пучок електронів. Це свідчить про те, що хвильовими властивостями має кожен окремий електрон.

Дифракційні явища спостерігалися у дослідах не тільки з електронами, а й з протонами, нейтронами, атомними та молекулярними пучками.