Bản chất của ánh sáng là tính chất sóng và tiểu thể của ánh sáng. Thuộc tính cơ của ánh sáng

Trong hơn một trăm năm qua, khoa học đã đạt được những bước tiến lớn trong việc nghiên cứu cấu trúc của thế giới chúng ta, cả ở cấp độ vi mô và vĩ mô. Những khám phá đáng kinh ngạc do các lý thuyết tương đối đặc biệt và tổng quát mang lại cho chúng ta, cơ học lượng tử vẫn luôn kích thích tâm trí của công chúng. Tuy nhiên, bất kỳ người được giáo dục nào cũng cần hiểu ít nhất những điều cơ bản của các thành tựu khoa học hiện đại. Một trong những điểm ấn tượng và quan trọng nhất là tính đối ngẫu sóng-hạt. Đây là một khám phá nghịch lý, sự hiểu biết về nó không phụ thuộc vào nhận thức trực quan hàng ngày.

Xác và sóng

Lần đầu tiên, thuyết nhị nguyên được phát hiện trong nghiên cứu về ánh sáng, nó hoạt động tùy thuộc vào các điều kiện theo những cách hoàn toàn khác nhau. Một mặt, hóa ra ánh sáng là một sóng điện từ quang học. Mặt khác, có một hạt rời rạc (hoạt động hóa học của ánh sáng). Ban đầu, các nhà khoa học tin rằng hai quan điểm này loại trừ lẫn nhau. Tuy nhiên, nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng không phải như vậy. Dần dần, thực tế của một khái niệm như là đối ngẫu sóng-hạt đã trở nên phổ biến. Khái niệm này là cơ sở để nghiên cứu hành vi của các đối tượng lượng tử phức tạp không phải là sóng cũng không phải là hạt, mà chỉ có được các đặc tính của vật thể sau hoặc trước, tùy thuộc vào những điều kiện nhất định.

Thử nghiệm với hai khe

Sự nhiễu xạ photon là một minh chứng rõ ràng của thuyết nhị nguyên. Máy phát hiện các hạt mang điện là một tấm ảnh hoặc một màn hình phát quang. Mỗi photon riêng lẻ được đánh dấu bằng một tia sáng hoặc đèn flash điểm. Sự kết hợp của các vết như vậy đã tạo ra một dạng giao thoa - sự xen kẽ của các sọc được chiếu sáng yếu và mạnh, đây là một đặc điểm của nhiễu xạ sóng. Điều này được giải thích bởi một khái niệm như thuyết nhị nguyên sóng cơ. Nhà vật lý nổi tiếng và người đoạt giải Nobel Richard Feynman nói rằng vật chất hoạt động ở quy mô nhỏ theo cách không thể cảm nhận được “tính tự nhiên” của hành vi lượng tử.

Thuyết nhị nguyên phổ quát

Tuy nhiên, kinh nghiệm này không chỉ có giá trị đối với các photon. Hóa ra thuyết nhị nguyên là thuộc tính của mọi vật chất, và nó có tính phổ quát. Heisenberg cho rằng vật chất tồn tại xen kẽ trong cả hai phiên bản. Cho đến nay, nó đã được chứng minh một cách tuyệt đối rằng cả hai thuộc tính biểu hiện hoàn toàn đồng thời.

sóng cơ

Làm thế nào để giải thích hành vi như vậy của vật chất? Sóng vốn có trong các tiểu thể (hạt) được gọi là sóng de Broglie, theo tên một nhà khoa học quý tộc trẻ, người đã đề xuất một giải pháp cho vấn đề này. Người ta thường chấp nhận rằng các phương trình của de Broglie mô tả một hàm sóng, hàm này bình phương chỉ xác định xác suất một hạt ở các điểm khác nhau trong không gian vào những thời điểm khác nhau. Nói một cách đơn giản, sóng de Broglie là một xác suất. Do đó, một sự bình đẳng đã được thiết lập giữa khái niệm toán học (xác suất) và quá trình thực.

trường lượng tử

Các tiểu thể của vật chất là gì? Nói chung, đây là những lượng tử của trường sóng. Một photon là lượng tử của trường điện từ, positron và electron thuộc trường electron-positron, meson là lượng tử của trường meson, v.v. Tương tác giữa các trường sóng được giải thích bằng sự trao đổi giữa chúng bởi một số hạt trung gian, ví dụ, trong quá trình tương tác điện từ, các photon được trao đổi. Điều này trực tiếp ngụ ý một xác nhận khác rằng các quá trình sóng được de Broglie mô tả là hiện tượng vật lý hoàn toàn có thật. Và thuyết nhị nguyên sóng-cơ không hoạt động như một "thuộc tính ẩn bí ẩn" đặc trưng cho khả năng "tái sinh" của các hạt. Nó thể hiện rõ ràng hai hành động có liên quan lẫn nhau - chuyển động của một vật thể và quá trình sóng gắn liền với nó.

hiệu ứng đường hầm

Tính lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng có liên quan đến nhiều hiện tượng thú vị khác. Hướng hoạt động của sóng de Broglie thể hiện trong cái gọi là hiệu ứng đường hầm, tức là khi các photon xuyên qua hàng rào năng lượng. Hiện tượng này là do động lượng của hạt vượt quá giá trị trung bình tại thời điểm phản âm của sóng. Với sự trợ giúp của việc đào hầm, người ta đã có thể phát triển nhiều loại thiết bị điện tử khác nhau.

Giao thoa của lượng tử ánh sáng

Khoa học hiện đại nói về sự giao thoa của các photon một cách bí ẩn như về sự giao thoa của các electron. Nó chỉ ra rằng một photon, là một hạt không thể phân chia, có thể đồng thời đi qua bất kỳ con đường nào mở cho chính nó và giao thoa với chính nó. Nếu chúng ta tính đến thuyết nhị nguyên sóng phân tử của các thuộc tính của một chất và một photon là một sóng bao hàm nhiều phần tử cấu trúc, thì tính chất chia của nó không bị loại trừ. Điều này mâu thuẫn với những quan điểm trước đây về hạt như một dạng cơ bản không thể phân chia. Sở hữu một khối lượng chuyển động nhất định, một photon tạo thành sóng dọc liên quan đến chuyển động này, sóng này đi trước hạt, vì tốc độ của sóng dọc lớn hơn tốc độ của sóng điện từ ngang. Do đó, có hai cách giải thích cho sự giao thoa của một photon với chính nó: hạt phân tách thành hai thành phần, chúng giao thoa với nhau; sóng photon truyền dọc theo hai con đường và tạo thành một hình giao thoa. Thực nghiệm người ta thấy rằng một hình giao thoa cũng được tạo ra khi các photon tích điện đơn lẻ lần lượt đi qua giao thoa kế. Điều này khẳng định luận điểm rằng mỗi photon riêng lẻ giao thoa với chính nó. Điều này đặc biệt rõ ràng khi tính đến thực tế là ánh sáng (không kết hợp và không đơn sắc) là tập hợp các photon được phát ra bởi các nguyên tử trong các quá trình ngẫu nhiên và không liên quan lẫn nhau.

Ánh sáng là gì?

Sóng ánh sáng là một trường không cục bộ điện từ được phân bố trong không gian. Trường điện từ của sóng có mật độ thể tích, tỉ lệ với bình phương biên độ. Điều này có nghĩa là mật độ năng lượng có thể thay đổi theo bất kỳ lượng nào, tức là nó liên tục. Một mặt, ánh sáng là một dòng lượng tử và photon (tiểu thể), do tính phổ quát của hiện tượng như đối ngẫu sóng-hạt, là các thuộc tính của sóng điện từ. Ví dụ, trong các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ và trong thang đo, ánh sáng thể hiện rõ ràng các đặc tính của sóng. Ví dụ, một photon đơn, như đã mô tả ở trên, đi qua một khe kép sẽ tạo ra một mẫu giao thoa. Với sự trợ giúp của các thí nghiệm, người ta đã chứng minh rằng một photon đơn không phải là một xung điện từ. Nó không thể được chia thành các chùm bằng các bộ tách chùm, như các nhà vật lý người Pháp Aspe, Roger và Grangier đã chỉ ra.

Ánh sáng cũng có các tính chất tiểu thể, được biểu hiện trong hiệu ứng Compton và hiệu ứng quang điện. Một photon có thể hoạt động giống như một hạt bị hấp thụ bởi toàn bộ các vật thể nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của nó (ví dụ, một hạt nhân nguyên tử). Trong một số trường hợp, các photon nói chung có thể được coi là các vật thể điểm. Không có gì khác biệt so với vị trí để xem xét các thuộc tính của ánh sáng. Trong lĩnh vực nhìn màu, một luồng ánh sáng có thể thực hiện các chức năng của cả sóng và hạt-photon như một lượng tử năng lượng. Một điểm vật thể hội tụ trên cơ quan thụ cảm ánh sáng võng mạc, chẳng hạn như màng hình nón, có thể cho phép mắt hình thành giá trị lọc riêng của nó dưới dạng chùm ánh sáng quang phổ chính và sắp xếp chúng theo bước sóng. Theo các giá trị của năng lượng lượng tử, trong não, điểm chủ thể sẽ được chuyển thành cảm giác về màu sắc (hình ảnh quang học hội tụ).

Giới thiệu 2

1. Tính chất sóng của ánh sáng 3

1.1 Sự phân tán 3

1.2 Sự giao thoa 5

1.3 Sự nhiễu xạ. Kinh nghiệm của trẻ 6

1.4 Phân cực 8

2. Tính chất lượng tử của ánh sáng 9

2.1 Hiệu ứng quang điện 9

2.2 Hiệu ứng Compton 10

Sự kết luận 11

Danh sách tài liệu đã sử dụng 11

Giới thiệu

Những ý tưởng đầu tiên của các nhà khoa học cổ đại về ánh sáng là rất ngây thơ. Có một số quan điểm. Một số người tin rằng các xúc tu mỏng đặc biệt xuất hiện từ mắt và ấn tượng thị giác xuất hiện khi họ cảm nhận các vật thể. Quan điểm này có một số lượng lớn người theo đuổi, trong số đó có Euclid, Ptolemy và nhiều nhà khoa học và triết học khác. Ngược lại, những người khác lại tin rằng các tia sáng được phát ra bởi một cơ thể phát sáng và khi đến mắt người sẽ mang dấu ấn của một vật thể phát sáng. Quan điểm này được đưa ra bởi Lucretius, Democritus.

Đồng thời, Euclid đã xây dựng định luật truyền thẳng của ánh sáng. Ông viết: "Các tia do mắt phát ra truyền theo một đường thẳng."

Tuy nhiên, sau này, đã vào thời Trung cổ, ý tưởng về bản chất của ánh sáng như vậy đã mất đi ý nghĩa của nó. Ngày càng ít các nhà khoa học theo những quan điểm này. Và đến đầu thế kỷ XVII. những quan điểm này có thể được coi là đã bị lãng quên.

Vào thế kỷ 17, gần như đồng thời, hai lý thuyết hoàn toàn khác nhau về ánh sáng là gì và bản chất của nó được bắt đầu phát triển.

Một trong những lý thuyết này gắn liền với tên của Newton, và lý thuyết kia gắn với tên của Huygens.

Newton tôn trọng cái gọi là lý thuyết phân tử của ánh sáng, theo đó ánh sáng là một dòng hạt đến từ một nguồn theo mọi hướng (chuyển chất).

Theo ý tưởng của Huygens, ánh sáng là một dòng sóng lan truyền trong một môi trường giả định, đặc biệt, ête, lấp đầy mọi không gian và thâm nhập vào mọi cơ thể.

Cả hai lý thuyết đã tồn tại song song trong một thời gian dài. Không ai trong số họ có thể giành được chiến thắng quyết định. Chỉ có quyền lực của Newton đã buộc đa số các nhà khoa học phải ưu tiên cho lý thuyết tiểu thể. Các quy luật truyền ánh sáng được biết đến vào thời điểm đó từ kinh nghiệm ít nhiều đã được giải thích thành công bởi cả hai lý thuyết.

Trên cơ sở lý thuyết tiểu thể, rất khó giải thích tại sao các chùm ánh sáng, giao nhau trong không gian, không tác động lên nhau theo bất kỳ cách nào. Rốt cuộc, các hạt ánh sáng phải va chạm và phân tán.

Lý thuyết sóng đã giải thích điều này một cách dễ dàng. Các sóng, ví dụ, trên bề mặt nước, tự do đi qua nhau mà không ảnh hưởng lẫn nhau.

Tuy nhiên, sự truyền thẳng của ánh sáng, dẫn đến sự hình thành các bóng sắc nhọn phía sau các vật thể, rất khó giải thích dựa trên lý thuyết sóng. Theo lý thuyết tiểu thể, sự truyền thẳng của ánh sáng đơn giản là hệ quả của định luật quán tính.

Một vị trí không chắc chắn như vậy về bản chất của ánh sáng vẫn tồn tại cho đến đầu thế kỷ 19, khi các hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng (ánh sáng bao trùm xung quanh vật cản) và giao thoa ánh sáng (tăng cường hoặc suy yếu chiếu sáng khi các chùm ánh sáng chồng lên nhau) được phát hiện. . Những hiện tượng này vốn chỉ có trong chuyển động của sóng. Không thể giải thích chúng với sự trợ giúp của lý thuyết phân tử. Do đó, có vẻ như lý thuyết sóng đã giành được chiến thắng cuối cùng và hoàn toàn.

Sự tự tin đó đặc biệt được củng cố khi Maxwell cho thấy vào nửa sau của thế kỷ 19 rằng ánh sáng là một trường hợp đặc biệt của sóng điện từ. Công trình của Maxwell đã đặt nền móng cho lý thuyết điện từ của ánh sáng.

Sau khi thực nghiệm khám phá ra sóng điện từ của Hertz, chắc chắn rằng ánh sáng hoạt động giống như sóng trong quá trình lan truyền.

Tuy nhiên, vào cuối thế kỷ 19, những ý tưởng về bản chất của ánh sáng bắt đầu thay đổi hoàn toàn. Bất ngờ hóa ra rằng lý thuyết tiểu thể bị bác bỏ vẫn còn phù hợp với thực tế.

Khi được phát ra và hấp thụ, ánh sáng hoạt động giống như một dòng hạt.

Không liên tục, hay, như người ta nói, các tính chất lượng tử của ánh sáng đã được khám phá. Một tình huống bất thường đã nảy sinh: hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ vẫn có thể được giải thích bằng cách coi ánh sáng là sóng, còn hiện tượng bức xạ và hấp thụ bằng cách coi ánh sáng là dòng hạt. Hai ý tưởng dường như không tương thích này về bản chất của ánh sáng vào những năm 30 của thế kỷ 20 đã được kết hợp thành công trong một lý thuyết vật lý nổi bật mới về điện động lực học lượng tử.

1. Tính chất sóng của ánh sáng

1.1 Sự phân tán

Đang tham gia vào việc cải tiến kính thiên văn, Newton đã thu hút sự chú ý đến thực tế là hình ảnh do thấu kính cho ra có màu ở các cạnh. Ông bắt đầu quan tâm đến điều này và là người đầu tiên nghiên cứu sự đa dạng của các tia sáng và các đặc điểm màu sắc, điều mà trước đây chưa ai biết đến (từ dòng chữ trên mộ của Newton) Thí nghiệm cơ bản của Newton rất đơn giản. Newton đoán sẽ gửi một chùm sáng có tiết diện nhỏ tới lăng kính. Một chùm ánh sáng mặt trời chiếu vào căn phòng tối qua một lỗ nhỏ trên cửa chớp. Khi rơi vào một lăng kính thủy tinh, nó khúc xạ và tạo cho bức tường đối diện một hình ảnh thuôn dài với các màu sắc xen kẽ óng ánh. Theo truyền thống hàng thế kỷ rằng cầu vồng được coi là bao gồm bảy màu cơ bản, Newton cũng xác định bảy màu: tím, xanh lam, lục lam, lục, vàng, cam và đỏ. Newton gọi bản thân dải cầu vồng là một quang phổ.

Đóng lỗ bằng thủy tinh đỏ, Newton chỉ quan sát thấy một điểm màu đỏ trên tường, đóng lỗ lại bằng màu xanh lam, v.v. Do đó, nó không phải là lăng kính tạo màu cho ánh sáng trắng, như đã giả định trước đây. Lăng kính không làm thay đổi màu sắc, mà chỉ phân hủy nó thành các bộ phận thành phần của nó. Ánh sáng trắng có cấu trúc phức tạp. Có thể phân biệt các chùm tia có nhiều màu sắc khác nhau từ nó, và chỉ hành động chung của chúng mới cho chúng ta ấn tượng về một màu trắng. Trong thực tế, nếu dùng lăng kính thứ hai quay 180 độ so với lăng kính thứ nhất. Thu thập tất cả các chùm quang phổ, sau đó một lần nữa bạn nhận được ánh sáng trắng. Nếu chúng ta tách ra bất kỳ phần nào của quang phổ, ví dụ, màu xanh lá cây, và buộc ánh sáng truyền qua lăng kính khác, chúng ta sẽ không còn nhận được sự thay đổi nữa về màu sắc.

Một kết luận quan trọng khác mà Newton đã đưa ra được ông đưa ra trong một chuyên luận về Quang học như sau: Chùm ánh sáng khác màu, khác nhau về mức độ khúc xạ Tia tím bị khúc xạ mạnh nhất, tia màu đỏ ít hơn những tia sáng khác. Sự phụ thuộc của chiết suất ánh sáng vào màu sắc của nó được gọi là sự tán sắc (từ chữ Latinh Dispergo, I scatter).

Newton đã cải thiện hơn nữa các quan sát của mình về quang phổ để có được màu sắc tinh khiết hơn. Rốt cuộc, các điểm tròn có màu của chùm sáng truyền qua lăng kính trùng nhau một phần. Thay vì một lỗ tròn, một khe hẹp (A) đã được sử dụng, được chiếu sáng bởi một nguồn sáng. Phía sau khe là một thấu kính (B) tạo ra ảnh trên màn (D) có dạng một sọc trắng hẹp. Nếu đặt một lăng kính (C) vào đường đi của tia sáng thì ảnh của khe sẽ bị kéo dài thành một quang phổ, một dải màu, màu chuyển từ đỏ sang tím tương tự như khi quan sát thấy trong cầu vồng. Kinh nghiệm của Newton được thể hiện trong Hình 1

Nếu bạn che khoảng trống bằng thủy tinh màu, tức là Nếu bạn hướng ánh sáng màu vào một lăng kính thay vì ánh sáng trắng, ảnh của khe sẽ bị thu nhỏ thành một hình chữ nhật có màu nằm ở vị trí tương ứng trong quang phổ, tức là tùy thuộc vào màu sắc, ánh sáng sẽ lệch sang các góc khác nhau so với hình ảnh ban đầu. Quan sát được mô tả cho thấy rằng các tia có màu sắc khác nhau bị lăng kính khúc xạ khác nhau.

Newton đã xác minh kết luận quan trọng này bằng nhiều thí nghiệm. Điều quan trọng nhất trong số đó là xác định chiết suất của các tia có màu sắc khác nhau được chiết xuất từ quang phổ. Vì mục đích này, người ta đã khoét một lỗ trên màn hình mà trên đó quang phổ thu được; bằng cách di chuyển màn hình, người ta có thể phóng ra một chùm tia hẹp có màu này hoặc màu khác qua lỗ. Phương pháp làm nổi bật các tia đồng nhất này hoàn hảo hơn là làm nổi bật bằng thủy tinh màu. Thực nghiệm cho thấy rằng một chùm được chọn như vậy, khúc xạ trong lăng kính thứ hai, không còn kéo dài dải. Chùm như vậy tương ứng với một chiết suất nhất định, giá trị của nó phụ thuộc vào màu của chùm được chọn.

Do đó, các thí nghiệm chính của Newton có hai khám phá quan trọng:

1. Ánh sáng có màu sắc khác nhau được đặc trưng bởi chiết suất khác nhau trong một chất nhất định (sự tán sắc).

2. Màu trắng là tập hợp các màu đơn giản.

Biết rằng ánh sáng trắng có cấu trúc phức tạp, người ta có thể giải thích sự đa dạng đáng kinh ngạc của màu sắc trong tự nhiên. Nếu một vật thể, ví dụ, một tờ giấy, phản chiếu tất cả các tia có màu sắc khác nhau chiếu vào nó, thì vật thể đó sẽ có màu trắng. Bằng cách phủ lên tờ giấy một lớp sơn, chúng tôi không tạo ra ánh sáng có màu mới, nhưng giữ lại một số ánh sáng hiện có trên tờ giấy. Lúc này chỉ có tia đỏ bị phản xạ, phần còn lại sẽ bị hấp thụ bởi một lớp sơn. Cỏ và lá cây có vẻ xanh tươi đối với chúng ta bởi vì tất cả các tia nắng mặt trời chiếu vào chúng, chúng chỉ phản xạ lại những cái xanh và hấp thụ phần còn lại. Nếu bạn nhìn cỏ qua tấm kính màu đỏ, thứ chỉ truyền các tia đỏ, nó sẽ có vẻ gần như đen.

Bây giờ chúng ta biết rằng các màu khác nhau tương ứng với các bước sóng ánh sáng khác nhau. Do đó, khám phá đầu tiên của Newton có thể được lập công thức như sau: chiết suất của vật chất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Nó thường tăng khi bước sóng giảm.

1.2 Sự giao thoa

Sự giao thoa của ánh sáng đã được quan sát trong một thời gian rất dài, nhưng họ không nhận ra điều đó. Nhiều người đã nhìn thấy mô hình giao thoa khi họ vui vẻ thổi bong bóng xà phòng hoặc xem

Vào thế kỷ 17, gần như đồng thời, hai lý thuyết hoàn toàn khác nhau về ánh sáng là gì và bản chất của nó được bắt đầu phát triển. Một trong những lý thuyết này gắn với tên của I. Newton, và lý thuyết kia - với tên của H. Huygens.

I. Newton tôn trọng cái gọi là lý thuyết về ánh sáng, theo đó ánh sáng là dòng hạt đến từ nguồn theo mọi hướng (chuyển chất).

Theo ý tưởng của H. Huygens, ánh sáng là một dòng sóng lan truyền trong một môi trường giả định đặc biệt - ête, lấp đầy mọi không gian và thâm nhập vào mọi cơ thể.

Cả hai lý thuyết đã tồn tại song song trong một thời gian dài. Không ai trong số họ có thể giành được chiến thắng quyết định. Chỉ có thẩm quyền của I. Newton đã buộc đa số các nhà khoa học phải ưu tiên cho lý thuyết vật thể. Các quy luật truyền ánh sáng được biết đến vào thời điểm đó từ kinh nghiệm ít nhiều đã được giải thích thành công bởi cả hai lý thuyết.

Lý thuyết sóng đã giải thích điều này một cách dễ dàng. Các sóng, ví dụ, trên bề mặt nước, tự do đi qua nhau mà không ảnh hưởng lẫn nhau.

Một vị trí không chắc chắn như vậy về bản chất của ánh sáng vẫn tồn tại cho đến đầu thế kỷ 19, khi các hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng (ánh sáng bao trùm xung quanh vật cản) và giao thoa ánh sáng (tăng cường hoặc suy yếu chiếu sáng khi các chùm ánh sáng chồng lên nhau) được phát hiện. . Những hiện tượng này vốn chỉ có trong chuyển động của sóng. Không thể giải thích chúng với sự trợ giúp của lý thuyết phân tử. Tính chất sóng của ánh sáng còn bao gồm sự phân tán ánh sáng, sự phân cực. Do đó, có vẻ như lý thuyết sóng đã giành được chiến thắng cuối cùng và hoàn toàn.

Sự tự tin đó đặc biệt được củng cố khi D. Maxwell cho thấy vào nửa sau của thế kỷ 19 rằng ánh sáng là một trường hợp đặc biệt của sóng điện từ. Các công trình của D.Maxwell đã đặt nền tảng của thuyết điện từ về ánh sáng. Sau thực nghiệm khám phá ra sóng điện từ của G. Hertz, chắc chắn rằng ánh sáng hoạt động giống như sóng trong quá trình lan truyền. Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ 20, những ý tưởng về bản chất của ánh sáng bắt đầu thay đổi hoàn toàn. Bất ngờ hóa ra rằng lý thuyết tiểu thể bị bác bỏ vẫn còn phù hợp với thực tế. Khi được phát ra và hấp thụ, ánh sáng hoạt động giống như một dòng hạt. Tính chất sóng của ánh sáng không thể giải thích các dạng của hiệu ứng quang điện.

Một tình huống bất thường đã phát sinh. Các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, phân cực ánh sáng từ các nguồn sáng thông thường là minh chứng không thể chối cãi cho tính chất sóng của ánh sáng. Tuy nhiên, ngay cả trong những hiện tượng này, trong những điều kiện thích hợp, ánh sáng vẫn thể hiện các đặc tính của tiểu thể. Ngược lại, sự đều đặn của bức xạ nhiệt của các vật thể, hiệu ứng quang điện và những thứ khác không thể phủ nhận chỉ ra rằng ánh sáng hoạt động không phải như một sóng liên tục, kéo dài, mà là một dòng "cục máu đông" (phần, lượng tử) năng lượng, tức là giống như một dòng hạt - photon.

Do đó, ánh sáng kết hợp giữa tính liên tục của sóng và tính rời rạc của các hạt. Nếu chúng ta tính đến việc các photon chỉ tồn tại khi chuyển động (với tốc độ c), thì chúng ta đi đến kết luận rằng cả hai tính chất sóng và phân tử đồng thời vốn có trong ánh sáng. đóng vai trò chính và ánh sáng có thể được coi là sóng hoặc như các hạt (tiểu thể).

Sự hiện diện đồng thời của các thuộc tính sóng và phân tử trong các vật thể được gọi là lưỡng tính sóng-hạt.

Tính chất sóng của vi hạt. Nhiễu xạ điện tử

Năm 1923, nhà vật lý người Pháp L. de Broglie đưa ra giả thuyết về tính phổ quát của đối ngẫu sóng-hạt. De Broglie lập luận rằng không chỉ photon, mà cả electron và bất kỳ hạt vật chất nào khác, cùng với các hạt vật chất, cũng có tính chất sóng.

Theo de Broglie, mỗi đối tượng vi mô, một mặt, có liên hệ với các đặc điểm về thể chất - năng lượng E và động lượng P và mặt khác, đặc tính sóng - tần số ν và bước sóng λ .

Các đặc tính sóng và phân tử của các vật thể vi mô có liên quan với nhau bằng các mối quan hệ định lượng giống như các đặc tính của một photon:

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

Giả thuyết của De Broglie đã công nhận những mối quan hệ này đối với tất cả các vi hạt, kể cả những hạt có khối lượng m. Bất kỳ hạt nào có động lượng đều liên quan đến một quá trình sóng có bước sóng \ (~ \ lambda = \ dfrac (h) (p) \). Đối với các hạt có khối lượng,

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

Trong phép gần đúng phi tương quan ( υ « c)

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

Giả thuyết của De Broglie dựa trên những cân nhắc về tính đối xứng của các đặc tính của vật chất và không có thực nghiệm xác nhận vào thời điểm đó. Nhưng đó là một động lực cách mạng mạnh mẽ thúc đẩy sự phát triển của những ý tưởng mới về bản chất của các đối tượng vật chất. Trong vài năm, một số nhà vật lý xuất sắc của thế kỷ 20 - W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac, N. Bohr và những người khác - đã phát triển cơ sở lý thuyết của một khoa học mới, được gọi là cơ học lượng tử.

Sự xác nhận thực nghiệm đầu tiên về giả thuyết của de Broglie được các nhà vật lý người Mỹ K. Devisson và L. Germer thu được vào năm 1927. Họ phát hiện ra rằng một chùm điện tử bị tán xạ bởi một tinh thể niken tạo ra một hình ảnh nhiễu xạ riêng biệt tương tự như hình ảnh được tạo ra bởi các tia X bước sóng ngắn bị phân tán bởi tinh thể. Trong các thí nghiệm này, tinh thể đóng vai trò của cách tử nhiễu xạ tự nhiên. Vị trí của cực đại nhiễu xạ được sử dụng để xác định bước sóng của chùm điện tử, hóa ra hoàn toàn phù hợp với công thức de Broglie.

Năm sau, 1928, nhà vật lý người Anh J. Thomson (con trai của J. Thomson, người đã khám phá ra electron 30 năm trước đó) nhận được một xác nhận mới về giả thuyết của de Broglie. Trong các thí nghiệm của mình, Thomson đã quan sát hình thức nhiễu xạ xảy ra khi một chùm điện tử đi qua một lá vàng mỏng đa tinh thể. Trên một tấm ảnh gắn sau một tấm giấy bạc, người ta quan sát thấy rõ ràng các vòng sáng và vòng tối đồng tâm, bán kính của chúng thay đổi theo sự thay đổi của vận tốc electron (tức là bước sóng) theo de Broglie.

Trong những năm tiếp theo, thí nghiệm của J. Thomson được lặp lại nhiều lần với cùng một kết quả, kể cả trong những điều kiện khi dòng điện tử quá yếu đến mức chỉ có một hạt có thể đi qua thiết bị tại một thời điểm (V. A. Fabrikant, 1948). Do đó, bằng thực nghiệm đã chứng minh rằng các tính chất sóng vốn có không chỉ đối với một tập hợp lớn các điện tử, mà còn đối với từng điện tử riêng biệt.

Sau đó, hiện tượng nhiễu xạ cũng được phát hiện đối với neutron, proton, nguyên tử và chùm phân tử. Thực nghiệm chứng minh sự hiện diện của tính chất sóng của vi hạt dẫn đến kết luận rằng đây là một hiện tượng phổ quát của tự nhiên, một thuộc tính chung của vật chất. Do đó, các đặc tính của sóng cũng phải có trong các vật thể vĩ mô. Tuy nhiên, do khối lượng lớn của các vật thể vĩ mô, các đặc tính sóng của chúng không thể được phát hiện bằng thực nghiệm. Ví dụ, một hạt bụi có khối lượng 10-9 g, chuyển động với tốc độ 0,5 m / s, tương ứng với sóng de Broglie có bước sóng khoảng 10-21 m, tức là nhỏ hơn xấp xỉ 11 bậc độ lớn. hơn kích thước của nguyên tử. Bước sóng này nằm ngoài vùng có thể quan sát được. Ví dụ này cho thấy rằng các cơ thể vĩ mô chỉ có thể thể hiện các đặc tính của tiểu thể.

Do đó, giả thuyết được xác nhận bằng thực nghiệm của de Broglie về đối ngẫu sóng-hạt đã thay đổi hoàn toàn những ý tưởng về các đặc tính của vi đối tượng.

Tất cả các vật thể vi mô đều có cả tính chất sóng và tiểu thể, tuy nhiên, chúng không phải là sóng hay hạt theo nghĩa cổ điển. Các thuộc tính khác nhau của các đối tượng vi mô không biểu hiện đồng thời mà chúng bổ sung cho nhau, chỉ có sự kết hợp của chúng mới đặc trưng cho đối tượng vi mô một cách trọn vẹn. Đây là công thức do nhà vật lý nổi tiếng người Đan Mạch N. Bohr đưa ra. nguyên tắc bổ sung. Có thể nói một cách điều kiện rằng các vật thể vi mô lan truyền như sóng, và trao đổi năng lượng như các hạt.

Theo quan điểm của lý thuyết sóng, cực đại trong hình ảnh nhiễu xạ điện tử tương ứng với cường độ cao nhất của sóng de Broglie. Một số lượng lớn êlectron rơi vào vùng cực đại được ghi trên tấm ảnh. Nhưng quá trình đưa các electron đến những vị trí khác nhau trên tấm ảnh không phải là riêng lẻ. Về cơ bản không thể dự đoán được electron tiếp theo sẽ rơi vào đâu sau khi bị tán xạ, chỉ có một xác suất nhất định là electron sẽ rơi vào nơi này hay nơi khác. Do đó, việc mô tả trạng thái của một đối tượng vi mô và hành vi của nó chỉ có thể được đưa ra trên cơ sở lý thuyết xác suất.

Sóng De Broglie không phải là sóng điện từ và không có sự tương đồng giữa tất cả các loại sóng được nghiên cứu trong vật lý cổ điển, bởi vì chúng không được phát ra bởi bất kỳ nguồn sóng nào và không liên quan đến sự lan truyền của bất kỳ trường nào, chẳng hạn như điện từ hoặc bất kỳ trường nào khác. Chúng liên kết với bất kỳ hạt chuyển động nào, bất kể hạt đó mang điện hay trung tính.

30.12.2015. 14:00

Nhiều người bắt đầu học vật lý, cả trong những năm học của họ và trong các cơ sở giáo dục đại học, sớm hay muộn cũng phải đối mặt với những câu hỏi về ánh sáng. Đầu tiên, điều tôi không thích nhất về vật lý mà chúng ta biết ngày nay. Vì vậy, đây là cách giải thích một số khái niệm, với vẻ mặt tuyệt đối bình tĩnh và không chú ý đến các hiện tượng và hiệu ứng khác. Có nghĩa là, với sự trợ giúp của một số luật hoặc quy tắc, họ cố gắng giải thích một số hiện tượng nhất định, nhưng đồng thời họ cố gắng không nhận thấy những tác động trái ngược với cách giải thích này. Đây đã là một loại quy tắc diễn giải - Chà, còn cái này cái kia thì sao? Em yêu, nghe này, chúng ta đang nói về một thứ khác ngay bây giờ, hãy bỏ qua nó. Rốt cuộc, trong khuôn khổ của câu hỏi này, mọi thứ đều đánh bại? Tốt, tốt.

"Con mèo của Schrödinger" tiếp theo cho bất kỳ kiến thức nào là CWD (thuyết nhị nguyên sóng cơ). Khi trạng thái của một photon (một hạt ánh sáng) hoặc một điện tử có thể được mô tả bằng cả hiệu ứng sóng và tiểu thể (hạt). Đối với các hiện tượng chỉ ra tính chất sóng của vật chất, mọi thứ đều ít nhiều rõ ràng, ngoại trừ một thứ - môi trường mà chính sóng này truyền đi. Nhưng liên quan đến các đặc tính của tiểu thể và đặc biệt là sự hiện diện của các "hạt" ánh sáng như photon, tôi có rất nhiều nghi ngờ.

Làm thế nào người ta biết rằng ánh sáng có bản chất sóng? Chà, điều này được tạo điều kiện thuận lợi bởi các hiệu ứng mở và thử nghiệm với ánh sáng ban ngày. Ví dụ, một khái niệm như quang phổ ánh sáng, (quang phổ ánh sáng nhìn thấy được) trong đó, tùy thuộc vào bước sóng và theo đó, tần số, màu sắc của quang phổ thay đổi từ đỏ sang tím, và sau đó chúng ta nhìn thấy nó với mắt không hoàn hảo. Mọi thứ đằng sau nó và đằng trước nó đều đề cập đến tia hồng ngoại, bức xạ vô tuyến, tia cực tím, bức xạ gamma, v.v.

Hãy chú ý đến hình trên, trong đó cho thấy phổ của bức xạ điện từ. Tùy thuộc vào tần số của sóng biểu hiện điện từ, nó có thể là cả bức xạ gamma và ánh sáng nhìn thấy và không chỉ, ví dụ, nó thậm chí có thể là sóng vô tuyến. Nhưng điều đáng ngạc nhiên nhất trong tất cả những điều này, chỉ có quang phổ ánh sáng nhìn thấy được, không đáng kể trong toàn bộ dải tần số, vì một lý do nào đó, SUDENLY và chỉ dành riêng cho nó, được cho là thuộc tính của các hạt - photon. Vì một số lý do, chỉ có quang phổ khả kiến mới thể hiện các đặc tính của tiểu thể. Bạn sẽ không bao giờ nghe nói về tính chất tiểu thể của sóng vô tuyến hay nói về bức xạ gamma, những dao động này không thể hiện tính chất tiểu thể. Chỉ một phần, khái niệm "lượng tử gamma" được áp dụng cho bức xạ gamma, nhưng nhiều hơn nữa về sau.

Và những hiện tượng hoặc hiệu ứng thực tế nào xác nhận sự hiện diện của các thuộc tính tiểu thể, ngay cả khi chỉ trong quang phổ nhìn thấy của ánh sáng? Và ở đây điều đáng ngạc nhiên nhất bắt đầu.

Theo khoa học chính thức, các đặc tính tiểu thể của ánh sáng được xác nhận bởi hai hiệu ứng nổi tiếng. Đối với việc khám phá và giải thích những hiệu ứng này, giải Nobel vật lý đã được trao cho Albert Einstein (hiệu ứng ảnh), Arthur Compton (hiệu ứng Compotne). Cần lưu ý câu hỏi - tại sao hiệu ứng ảnh không mang tên Albert Einstein, bởi vì ông được giải Nobel? Và mọi thứ rất đơn giản, hiệu ứng này không phải do ông phát hiện ra mà do một nhà khoa học tài ba khác (Alexander Becquerel 1839), Einstein chỉ giải thích về hiệu ứng.

Hãy bắt đầu với hiệu ứng ảnh. Theo các nhà vật lý, có bằng chứng nào cho thấy ánh sáng có tính chất tiểu thể?

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng mà các electron được phát ra bởi một chất khi nó tiếp xúc với ánh sáng hoặc bất kỳ bức xạ điện từ nào khác. Nói cách khác, ánh sáng bị vật chất hấp thụ và năng lượng của nó được chuyển cho các electron, khiến chúng chuyển động có trật tự, do đó chuyển thành năng lượng điện.

Trên thực tế, không rõ bằng cách nào mà các nhà vật lý đi đến kết luận rằng cái gọi là photon là một hạt, bởi vì trong hiện tượng hiệu ứng quang điện, người ta thiết lập các electron bay ra để gặp các photon. Thực tế này cho ta ý tưởng về việc giải thích không chính xác hiện tượng hiệu ứng quang ảnh, vì nó là một trong những điều kiện để xuất hiện hiệu ứng này. Nhưng theo các nhà vật lý, hiệu ứng này cho thấy rằng photon chỉ là một hạt do thực tế là nó bị hấp thụ hoàn toàn, và cũng do sự giải phóng của các electron không phụ thuộc vào cường độ chiếu xạ, mà chỉ phụ thuộc vào tần số của cái gọi là photon. Đó là lý do tại sao khái niệm lượng tử ánh sáng hay tiểu thể ra đời. Nhưng ở đây chúng ta nên tập trung vào "cường độ" là gì trong trường hợp cụ thể này. Rốt cuộc, các tấm pin mặt trời vẫn tạo ra nhiều điện hơn với sự gia tăng lượng ánh sáng chiếu xuống bề mặt tế bào quang điện. Ví dụ, khi chúng ta nói về cường độ của âm thanh, chúng ta muốn nói đến biên độ dao động của nó. Biên độ càng lớn thì năng lượng của sóng âm càng lớn và cần nhiều năng lượng để tạo ra sóng như vậy. Trong trường hợp của ánh sáng, khái niệm như vậy hoàn toàn không có. Theo những ý tưởng ngày nay trong vật lý, ánh sáng có tần số, nhưng không có biên độ. Điều này một lần nữa đặt ra rất nhiều câu hỏi. Ví dụ, một sóng vô tuyến có đặc điểm biên độ, nhưng ánh sáng khả kiến, có sóng ngắn hơn một chút so với sóng vô tuyến, không có biên độ. Tất cả những gì được mô tả ở trên chỉ nói rằng một khái niệm như một photon, nói một cách nhẹ nhàng, mơ hồ, và tất cả các hiện tượng chỉ ra sự tồn tại của nó như cách giải thích của chúng đều không có khả năng nghiên cứu kỹ lưỡng. Hoặc đơn giản là chúng được phát minh ra để hỗ trợ cho bất kỳ giả thuyết nào, rất có thể là trường hợp này.

Đối với sự tán xạ ánh sáng Compton (hiệu ứng Compoton), hoàn toàn không rõ ràng bằng cách nào, dựa trên cơ sở của hiệu ứng này, người ta kết luận rằng ánh sáng là một hạt chứ không phải là sóng.

Nói chung, trên thực tế, vật lý học ngày nay không có xác nhận cụ thể rằng hạt photon là chính thức và tồn tại ở dạng hạt về nguyên tắc. Có một lượng tử nhất định được đặc trưng bởi một gradient tần số và không hơn thế nữa. Và điều thú vị nhất, kích thước (chiều dài) của photon này, theo E = hv, có thể từ vài chục micron đến vài km. Và tất cả những điều này không gây nhầm lẫn cho bất kỳ ai khi sử dụng từ "hạt" cho một photon.

Ví dụ, một tia laser femto giây có độ dài xung là 100 femto giây có độ dài xung (photon) là 30 micron. Để tham khảo, trong một tinh thể trong suốt, khoảng cách giữa các nguyên tử là khoảng 3 angstrom. Chà, làm sao một photon có thể bay từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, giá trị của nó lớn hơn khoảng cách này mấy lần?

Nhưng ngày nay, vật lý học không ngần ngại vận hành với khái niệm lượng tử, photon hay hạt trong mối quan hệ với ánh sáng. Chỉ cần không chú ý đến thực tế là nó không phù hợp với mô hình tiêu chuẩn mô tả vật chất và các quy luật mà nó tồn tại.

Các đặc điểm chính của ánh sáng như một quá trình sóng là tần số n và bước sóng l. Tính chất tiểu thể của ánh sáng được đặc trưng bởi các photon. Mỗi photon có năng lượng

e f = hn, (5,1)

và động lượng

. (5.3)

Công thức (5.3) thiết lập mối liên hệ giữa tính chất sóng và phân tử của ánh sáng.

Về vấn đề này, một giả thiết nảy sinh rằng bản chất kép vốn có không chỉ trong ánh sáng, mà còn trong các hạt vật chất, cụ thể là một electron. Năm 1924, Louis de Broglie đưa ra giả thuyết sau: một quá trình sóng liên kết với một electron, bước sóng của nó bằng

trong đó h = 6,63 × 10 –34 J × s là hằng số Planck, m là khối lượng electron, v là vận tốc electron.

Các phép tính đã chỉ ra rằng bước sóng liên kết với một êlectron chuyển động cùng bậc với bước sóng của tia X (10–10 ¸ 10–13 m).

Từ công thức của de Broglie (5.4) có thể thấy rằng tính chất sóng của các hạt chỉ có ý nghĩa trong những trường hợp mà giá trị của hằng số Planck h không thể bị bỏ qua. Nếu trong các điều kiện của bài toán này, chúng ta có thể giả sử rằng h ® 0, thì cả l®0 và tính chất sóng của hạt đều có thể bị bỏ qua.

5.2. Chứng minh thực nghiệm của thuyết nhị nguyên sóng cơ

Giả thuyết của De Broglie nhận được sự xác nhận thực nghiệm trong các thí nghiệm của K. Davisson và L. Germer (1927), P.S. Tartakovsky (1927), L.M. Biberman, N.G. Sushkin và V.A. Fabrikant (1949) và những người khác.

Trong các thí nghiệm của Davisson và Germer (Hình 5.1), các điện tử từ súng bắn điện tử được dẫn theo một chùm hẹp tới một tinh thể niken, cấu trúc của tinh thể này đã được biết rõ.

Hình 5.1. Sơ đồ thí nghiệm của Davisson và Germer

Các điện tử phản xạ từ bề mặt tinh thể đập vào một máy thu nối với điện kế. Máy thu chuyển động dọc theo một vòng cung và bắt các điện tử phản xạ ở các góc khác nhau. Càng nhiều êlectron đi vào máy thu, thì dòng điện được điện kế ghi càng lớn.

Hóa ra tại một góc tới của chùm điện tử và sự thay đổi hiệu điện thế U làm gia tốc các êlectron, dòng điện I không thay đổi đơn điệu mà có một số cực đại (Hình 5.2).

Hình 5.2. Sự phụ thuộc của sức mạnh hiện tại vào sự khác biệt tiềm năng tăng tốc trong các thí nghiệm của Davisson và Germer

Biểu đồ kết quả chỉ ra rằng sự phản xạ của các electron không xảy ra ở bất kỳ đâu, mà ở các giá trị xác định nghiêm ngặt của U, tức là ở vận tốc xác định đúng v của các electron. Sự phụ thuộc này chỉ có thể được giải thích trên cơ sở các ý tưởng về sóng điện tử.

Để làm điều này, chúng tôi biểu thị vận tốc electron theo điện áp gia tốc:

và tìm bước sóng de Broglie của electron:

(5.6)

Đối với sóng điện tử phản xạ từ tinh thể, cũng như đối với tia X, điều kiện Wulf-Braggs phải được thỏa mãn:

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

trong đó d là hằng số mạng tinh thể, q là góc giữa chùm tia tới và bề mặt tinh thể.

Thay (5.6) vào (5.7), chúng tôi tìm thấy các giá trị của điện áp gia tốc tương ứng với cực đại phản xạ, và do đó, với dòng điện cực đại qua điện kế:

(5.8)

Các giá trị của U được tính theo công thức này tại q = const hoàn toàn phù hợp với kết quả thí nghiệm của Davisson và Germer.

Trong các thí nghiệm của P.S. Tartakovsky, tinh thể được thay thế bằng một màng mỏng có cấu trúc đa tinh thể (Hình 5.3).

Hình.5.3. Sơ đồ các thí nghiệm P.S. Tartakovsky

Các electron bị tán xạ bởi màng tạo ra các vòng tròn nhiễu xạ trên màn hình. Một bức tranh tương tự đã được quan sát thấy trong sự tán xạ của tia X bởi các đa tinh thể. Bước sóng de Broglie l của các điện tử có thể được xác định từ đường kính của các vòng tròn nhiễu xạ. Nếu biết l, thì hình ảnh nhiễu xạ có thể đánh giá cấu trúc của tinh thể. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc này được gọi là nhiễu xạ điện tử.

L.M. Biberman, N.G. Sushkin và V.A. Fabrikant đã thực hiện các thí nghiệm về sự nhiễu xạ của các electron độc thân bay liên tiếp. Các electron riêng lẻ đập vào các điểm khác nhau trên màn hình, dường như phân tán ngẫu nhiên. Tuy nhiên, khi sự tán xạ của một số lượng lớn các electron, người ta nhận thấy rằng các điểm tác động của electron trên màn hình được phân bố theo cách mà chúng tạo thành cực đại và cực tiểu, tức là với một sự phơi sáng lâu, hình ảnh nhiễu xạ giống nhau thu được, tạo ra một chùm điện tử. Điều này chỉ ra rằng mỗi electron riêng lẻ có tính chất sóng.

Hiện tượng nhiễu xạ được quan sát thấy trong các thí nghiệm không chỉ với electron, mà còn với proton, neutron, chùm nguyên tử và phân tử.