Proprietățile ondulatorii și corpusculare ale luminii. Rezultate și concluzii

Primele idei ale oamenilor de știință antici despre ce este lumina au fost foarte naive. Au fost mai multe puncte de vedere. Unii credeau că din ochi ies tentacule subțiri speciale, iar impresiile vizuale apar atunci când simt obiectele. Acest punct de vedere avea număr mare adepți, printre care s-au numărat Euclid, Ptolemeu și mulți alți oameni de știință și filozofi. Alții, dimpotrivă, credeau că razele sunt emise de un corp luminos și, ajungând la ochiul uman, poartă amprenta unui obiect luminos. Acest punct de vedere a fost susținut de Lucretius, Democrit.

În același timp, Euclid a formulat legea propagării rectilinie a luminii. El a scris: „Razele emise de ochi se propagă pe o cale dreaptă”.

Cu toate acestea, mai târziu, deja în Evul Mediu, o astfel de idee despre natura luminii își pierde sensul. Din ce în ce mai puțini oameni de știință urmează aceste opinii. Și a începutul XVIIîn. aceste puncte de vedere pot fi considerate deja uitate.

În secolul al XVII-lea, aproape simultan, două teorii complet diferite despre ce este lumina și care au fost și au început să se dezvolte.

Una dintre aceste teorii este asociată cu numele lui Newton, iar cealaltă cu numele lui Huygens.

Newton a aderat la așa-numita teorie corpusculară a luminii, conform căreia lumina este un flux de particule care provine dintr-o sursă în toate direcțiile (transfer de materie).

Potrivit lui Huygens, lumina este un flux de unde care se propagă într-un mediu special, ipotetic - eterul, care umple tot spațiul și pătrunde în toate corpurile.

Ambele teorii există în paralel de multă vreme. Niciunul dintre ei nu a putut câștiga o victorie decisivă. Numai autoritatea lui Newton a forțat majoritatea oamenilor de știință să acorde preferință teoriei corpusculare. Legile propagării luminii cunoscute la acea vreme din experiență au fost explicate mai mult sau mai puțin cu succes de ambele teorii.

Pe baza teoriei corpusculare, a fost dificil de explicat de ce fasciculele de lumină, care se încrucișează în spațiu, nu acționează unele asupra altora în niciun fel. La urma urmei, particulele de lumină trebuie să se ciocnească și să se împrăștie.

Teoria undelor a explicat cu ușurință acest lucru. Undele, de exemplu, la suprafața apei, trec liber unele prin altele, fără influență reciprocă.

Cu toate acestea, propagarea rectilinie a luminii, care duce la formarea de umbre ascuțite în spatele obiectelor, este dificil de explicat pe baza teoriei undelor. Conform teoriei corpusculare, propagarea rectilinie a luminii este pur și simplu o consecință a legii inerției.

Această poziţie nedeterminată cu privire la natura luminii a persistat până când începutul XIX secolului, când s-au descoperit fenomenele de difracție a luminii (învăluirea luminii în jurul obstacolelor) și interferența luminii (intensificarea sau slăbirea iluminării atunci când fasciculele de lumină se suprapun între ele). Aceste fenomene sunt inerente exclusiv mișcării ondulatorii. Este imposibil să le explici cu ajutorul teoriei corpusculare. Prin urmare, părea că teoria valului a câștigat o victorie finală și completă.

O astfel de încredere a fost întărită mai ales când Maxwell a arătat în a doua jumătate a secolului al XIX-lea că lumina este un caz special de unde electromagnetice. Lucrarea lui Maxwell a pus bazele teoriei electromagnetice a luminii.

După descoperirea experimentală a undelor electromagnetice de către Hertz, nu a existat nicio îndoială că lumina se comportă ca o undă în timpul propagării.

Cu toate acestea, la sfârșitul secolului al XIX-lea, ideile despre natura luminii au început să se schimbe radical. S-a dovedit brusc că teoria corpusculară respinsă este încă relevantă pentru realitate.

Când este emisă și absorbită, lumina se comportă ca un flux de particule.

Au fost descoperite proprietăți discontinue sau, după cum se spune, cuantice ale luminii. A apărut o situație neobișnuită: fenomenele de interferență și difracție mai pot fi explicate considerând lumina ca o undă, iar fenomenele de radiație și absorbție pot fi explicate prin considerarea luminii ca un flux de particule. Aceste două idei aparent incompatibile despre natura luminii în anii 30 ai secolului XX au reușit să fie combinate în mod constant într-o nouă teorie fizică remarcabilă - electrodinamica cuantică.

1. Proprietățile ondulatorii ale luminii

Fiind angajat în perfecţionarea telescoapelor, Newton a atras atenţia asupra faptului că imaginea dată de lentilă este colorată la margini. A devenit interesat de acest lucru și a fost primul care „a investigat diversitatea razelor de lumină și particularitățile culorilor rezultate din aceasta, pe care nimeni nu le cunoștea până acum” (cuvinte din inscripția de pe mormântul lui Newton). Experimentul de bază al lui Newton a fost ingenios de simplu. . Newton a ghicit că trimite un fascicul de lumină cu secțiune transversală mică către o prismă. pachet lumina soarelui a intrat în camera întunecată printr-o mică deschidere a oblonului. Căzând pe o prismă de sticlă, acesta a fost refractat și a dat pe peretele opus o imagine alungită cu alternanță irizată de culori. Urmând tradiția veche de secole conform căreia curcubeul era considerat a fi format din șapte culori primare, Newton a identificat și șapte culori: violet, albastru, cyan, verde, galben, portocaliu și roșu. Newton a numit banda curcubeu în sine un spectru.

Închizând gaura cu sticlă roșie, Newton a observat doar o pată roșie pe perete, închizând-o cu albastru-albastru etc. De aici rezultă că nu prisma a colorat lumina albă, așa cum se presupunea anterior. Prisma nu schimbă culoarea, ci doar o descompune în părțile sale componente. Lumina albă are o structură complexă. Este posibil să distingem ciorchini de diferite culori de acesta și doar acțiunea lor comună ne dă impresia unei culori albe. De fapt, dacă folosiți o a doua prismă rotită cu 180 de grade față de prima. Colectați toate fasciculele spectrului, apoi obțineți din nou lumină albă. Dacă scoatem în evidență orice parte a spectrului, de exemplu verde, și forțăm lumina să treacă printr-o altă prismă, nu vom mai avea o schimbare suplimentară de culoare.

O altă concluzie importantă la care a ajuns Newton a fost formulată de acesta în tratatul său de „Optică” astfel: „Fasciculele de lumină care diferă ca culoare diferă prin gradul de refracție.” Razele violete sunt cel mai puternic refractate, cele roșii sunt mai puține decât altele. Dependența indicelui de refracție al luminii de culoarea sa se numește dispersie (de la cuvântul latin Dispergo, eu împrăștie).

Newton și-a îmbunătățit și mai mult observațiile asupra spectrului pentru a obține culori mai pure. La urma urmei, petele rotunde colorate ale fasciculului de lumină care au trecut prin prismă s-au suprapus parțial unele pe altele. În loc de o gaură rotundă, a fost folosită o fantă îngustă (A), iluminată de o sursă luminoasă. În spatele fantei se afla o lentilă (B) care producea o imagine pe ecran (D) sub forma unei dungi albe înguste. Dacă o prismă (C) este plasată în calea razelor, atunci imaginea fantei va fi întinsă într-un spectru, o bandă colorată, tranzițiile de culoare în care de la roșu la violet sunt similare cu cele observate într-un curcubeu. Experiența lui Newton este prezentată în Fig. 1

Dacă acoperiți golul cu sticlă colorată, de exemplu. Dacă direcționați lumina colorată către o prismă în loc de lumină albă, imaginea fantei va fi redusă la un dreptunghi colorat situat în locul corespunzător din spectru, adică. în funcție de culoare, lumina se va abate în unghiuri diferite față de imaginea originală. Observația descrisă arată că razele de culori diferite sunt refractate diferit de o prismă.

Newton a verificat această concluzie importantă prin multe experimente. Cea mai importantă dintre ele a constat în determinarea indicelui de refracție al razelor de diferite culori extrase din spectru. În acest scop s-a tăiat o gaură în ecranul pe care se obține spectrul; prin deplasarea ecranului, era posibil să elibereze prin orificiu un fascicul îngust de raze de o culoare sau alta. Această metodă de evidențiere a razelor omogene este mai perfectă decât evidențierea cu sticlă colorată. Experimentele au arătat că un astfel de fascicul selectat, refractat în a doua prismă, nu mai întinde banda. Un astfel de fascicul corespunde unui anumit indice de refracție, a cărui valoare depinde de culoarea fasciculului selectat.

Astfel, principalele experimente ale lui Newton au cuprins două descoperiri importante:

1. Lumina de diferite culori se caracterizează prin indici diferiți de refracție într-o anumită substanță (dispersie).

2. culoare alba este o colecție de culori simple.

Știind că lumina albă are o structură complexă, se poate explica varietatea uimitoare de culori din natură. Dacă un obiect, de exemplu, o foaie de hârtie, reflectă toate razele de diferite culori care cad pe el, atunci va apărea alb. Prin acoperirea hârtiei cu un strat de vopsea, nu creăm lumină de o culoare nouă, ci păstrăm o parte din lumina existentă pe foaie. Doar razele roșii vor fi acum reflectate, restul vor fi absorbite de un strat de vopsea. Iarba și frunzele copacilor ni se par verzi din cauza tuturor razelor de soare care cad asupra lor, le reflectă doar pe cele verzi, absorbind restul. Dacă priviți iarba prin sticlă roșie, care transmite doar raze roșii, aceasta va apărea aproape neagră.

Acum știm că diferite culori corespund diferitelor lungimi de undă ale luminii. Prin urmare, prima descoperire a lui Newton poate fi formulată astfel: indicele de refracție al unei substanțe depinde de lungimea de undă a luminii. De obicei crește pe măsură ce lungimea de undă scade.

Interferența luminii a fost observată foarte mult timp, dar pur și simplu nu și-au dat seama. Mulți au văzut tiparul de interferență atunci când s-au distrat suflând bule de săpun în copilărie sau au privit revărsarea irizată de culori a unei pelicule subțiri de kerosen pe suprafața apei. Interferența luminii este cea care face balonul de săpun atât de admirabil.

Proprietățile ondulatorii și corpusculare ale luminii - pagina №1/1

UNDE ȘI PROPRIETĂȚI CORPUSCULARE ALE LUMINII

© Moiseev B.M., 2004

Universitatea de Stat Kostroma
1 Maya Street, 14, Kostroma, 156001, Rusia
E-mail: [email protected] ; [email protected]

Posibilitatea de a considera lumina ca o secvență periodică de excitații a vidului fizic este dedusă logic. Ca o consecință a acestei abordări, este explicată natura fizică a undei și proprietățile corpusculare ale luminii.

O concluzie logică a posibilității de a considera lumina ca o secvență de perioadă a excitațiilor fizice de vid este dată în articol. Ca o consecință a unei astfel de abordări, natura fizică a undelor și caracteristicile corpusculare ale luminii sunt explicate aici.

Introducere

Încercările vechi de secole de a înțelege natura fizică a fenomenelor luminoase au fost întrerupte la începutul secolului al XX-lea prin introducerea proprietăților duale ale materiei în axiomatica teoriei. Lumina a început să fie considerată atât o undă, cât și o particulă în același timp. Cu toate acestea, modelul cuantic al radiației a fost construit în mod formal și încă nu există o înțelegere clară a naturii fizice a cuantumului radiației.

Această lucrare este dedicată formării de noi idei teoretice despre natura fizică a luminii, care ar trebui să explice calitativ proprietățile ondulatorii și corpusculare ale luminii. Anterior, au fost publicate principalele prevederi ale modelului dezvoltat și rezultatele obținute în cadrul acestui model:

1. Un foton este un ansamblu de excitații elementare ale vidului care se propagă în spațiu sub forma unui lanț de excitații cu o constantă relativă la viteza vidului, independent de viteza sursei de lumină. Pentru un observator, viteza fotonului depinde de viteza observatorului în raport cu vidul, modelată logic ca spațiu absolut.

2. Excitația elementară în vid este o pereche de fotoni, un dipol format din două particule încărcate (+) și (–). Dipolii se rotesc și au un moment unghiular, formând colectiv rotația fotonului. Raza de rotație a fotonilor și viteza unghiulară sunt legate de dependența Rω = const .

3. Fotonii pot fi considerați ace cilindrice lungi și subțiri. Suprafețele imaginare ale cilindrilor-ace sunt formate din traiectorii spiralate ale fotonilor. Cu cât frecvența de rotație este mai mare, cu atât acul fotonului este mai subțire. O revoluție completă a unei perechi de fotoni determină lungimea de undă în spațiu de-a lungul direcției de mișcare.

4. Energia unui foton este determinată de numărul de perechi de fotoni n într-un foton: ε = nh E, unde h E este o valoare egală cu constanta lui Planck în unități de energie .

5. Se obține valoarea cantitativă a spinului fotonului ћ. A fost efectuată o analiză a relației dintre energia și parametrii cinematici ai unui foton. Ca exemplu, se calculează parametrii cinematici ai unui foton produs de tranziția 3d2p într-un atom de hidrogen. Lungimea unui foton din partea vizibilă a spectrului este de metri.

6. Masa unei perechi de fotoni a fost calculată m 0 = 1,474 10 -53 g, care coincide în ordinea mărimii cu estimarea superioară a masei fotonului m 

7. S-a făcut o concluzie despre modificarea constantelor C și h atunci când un foton se mișcă într-un câmp gravitațional.

Din structura periodică a unui foton, motivul proprietăților undei ale luminii este intuitiv clar: matematica unei unde, ca proces de vibrație mecanică a unui mediu fizic, și matematica unui proces periodic de orice natură calitativă, coincid. . Lucrările oferă o explicație calitativă a proprietăților ondulatorii și corpusculare ale luminii. Acest articol continuă dezvoltarea ideilor despre natura fizică a luminii.

Proprietățile undei ale luminii

După cum sa menționat mai devreme, elementele de periodicitate asociate cu natura fizică a luminii provoacă manifestarea proprietăților undei. Manifestarea proprietăților ondulatorii luminii a fost stabilită prin numeroase observații și experimente și, prin urmare, nu poate fi pusă la îndoială. A fost dezvoltată o teorie matematică a undelor a efectului Doppler, interferenței, difracției, polarizării, dispersiei, absorbției și împrăștierii luminii. Teoria ondulatorie a luminii este legată organic de optica geometrică: în limită, ca  → 0, legile opticii pot fi formulate în limbajul geometriei.

Modelul nostru nu anulează aparatul matematic al modelului val. Scopul principal și principalul rezultat al lucrării noastre este introducerea unor astfel de modificări în axiomatica teoriei care aprofundează înțelegerea esenței fizice a fenomenului și elimină paradoxurile.

Principalul paradox al conceptelor moderne de lumină este dualitatea undă-particule (CWD). În conformitate cu legile logicii formale, lumina nu poate fi atât o undă, cât și o particulă în sensul tradițional al acestor termeni. Conceptul de undă implică un continuum, un mediu omogen în care apar perturbații periodice ale elementelor continuumului. Conceptul de particulă implică izolarea și autonomia elementelor individuale. Interpretarea fizică a HPC nu este atât de simplă.

Combinația de modele corpusculare și ondulatorii conform principiului „o undă este o perturbare a unui set de particule” ridică o obiecție, deoarece prezența proprietăților undei într-o singură particulă de lumină este considerată a fi bine stabilită. Interferența fotonilor rar zburători a fost descoperită de Janoshi, dar rezultatele cantitative, detaliile și analiză detaliată Nu există niciun experiment în curriculum. Informații despre rezultate atât de importante, fundamentale, nu sunt disponibile nici în cărțile de referință, nici în cursul de istoria fizicii. Aparent, problema naturii fizice a luminii este deja un spate profund al științei.

Să încercăm să reconstruim parametrii cantitativi ai experimentului lui Yanoshi, care sunt esențiali din punct de vedere logic pentru interpretarea rezultatelor, folosind o descriere zgârcită a experimentelor similare ale lui Biberman, Sushkin și Fabrikant cu electroni. Evident, în experimentul lui Yanoshi, modelul de interferență obținut dintr-un puls scurt de lumină de intensitate mare JB a fost comparat cu modelul obținut pe o perioadă lungă de timp dintr-un flux de fotoni slab J M. Diferența esențială dintre cele două situații luate în considerare este că în în cazul unui flux JM, interacțiunea fotonilor din instrumentul de difracție ar trebui exclusă.

Deoarece Janoshi nu a găsit nicio diferență în modelele de interferență, să vedem ce condiții sunt necesare pentru aceasta în cadrul modelului nostru.

Trece un foton de lungime L f = 4,5 m punct dat spațiu în timpul τ = L f / C = 4,5 /3ּ10 8 ≈ 1,5ּ10 –8 s. Dacă sistemul de difracție (dispozitivul) are o dimensiune de aproximativ 1 m, atunci timpul necesar pentru ca un foton să treacă prin dispozitivul de lungime L f va fi mai mare: τ' = (L f + 1) / C ≈ 1,8ּ10 –8 s.

Un observator din exterior nu poate vedea un singur fotoni. O încercare de a repara un foton îl distruge - nu există altă opțiune de a „vedea” o particulă de lumină neutră din punct de vedere electric. Experimentul folosește proprietăți medii în timp ale luminii, în special, intensitatea (energie pe unitatea de timp). Pentru ca fotonii să nu se intersecteze în cadrul dispozitivului de difracție, este necesară separarea lor în spațiu de-a lungul traiectoriei de mișcare, astfel încât timpul de trecere a dispozitivului τ' să fie mai mic decât timpul t care împarte sosirea fotonilor succesivi în instalație. , adică τ' 1,8-10 –8 s.

În experimentele cu electroni, intervalul mediu de timp dintre două particule care trec succesiv prin sistemul de difracție a fost de aproximativ 3-10 4 ori mai lung decât timpul petrecut de un electron pentru a trece prin întregul dispozitiv. Pentru particulele punctiforme, această relație este convingătoare.

Experienta cu lumina diferenta semnificativa din experiența cu electronii. Dacă unicitatea electronilor poate fi controlată datorită unei ușoare distorsiuni a energiei lor, atunci acest lucru este imposibil cu fotoni. În experimentul cu fotoni, credința în izolarea fotonilor în spațiu nu poate fi completă; statistic este posibil ca doi fotoni să sosească aproape simultan. Acest lucru poate da un model de interferență slab pe o perioadă lungă de observare.

Rezultatele experimentelor lui Yanoshi sunt incontestabile, cu toate acestea, o astfel de concluzie nu se poate face despre teoria experienței. În teorie, se postulează de fapt că modelul de interferență apare numai ca rezultat al interacțiunii particulelor între ele de pe suprafața ecranului. În cazul fluxurilor de lumină puternice și prezenței multor particule, aceasta este cea mai probabilă cauză intuitivă a interferenței, dar pentru fluxurile de lumină slabe, un alt motiv pentru apariția periodicității în iluminarea ecranului poate deveni și el semnificativ. Lumina își schimbă direcția atunci când interacționează cu un corp solid. Marginile fantelor, cursele grătarului de difracție și alte obstacole care provoacă difracția - aceasta este o suprafață care este departe de a fi ideală, nu numai în ceea ce privește finisarea suprafeței. Atomii stratului de suprafață sunt o structură periodică cu o perioadă comparabilă cu dimensiunea unui atom, adică periodicitatea este de ordinul angstrom. Distanța dintre perechile de fotoni din interiorul unui foton este L 0 ≈ 10 –12 cm, care este cu 4 ordine de mărime mai mică. Reflectarea perechilor de fotografii din structura periodică a suprafeței ar trebui să provoace o repetare a locurilor iluminate și neluminate de pe ecran.

Inegalitatea în direcțiile de propagare a luminii reflectate ar trebui să fie întotdeauna prezentă, atunci când este reflectată de pe orice suprafață, dar cu fluxuri de lumină puternice, doar caracteristicile medii sunt semnificative, iar acest efect nu apare. Pentru fluxuri de lumină slabe, acest lucru poate duce la iluminarea ecranului care seamănă cu interferența.

Deoarece dimensiunile unui electron sunt, de asemenea, mult mai mici decât dimensiunile structurii periodice a suprafeței corpului, pentru electroni ar trebui să existe, de asemenea, o inegalitate în direcțiile particulelor care se difractă, iar pentru fluxurile slabe de electroni acesta poate fi singurul motiv. pentru manifestarea proprietăților valurilor.

Astfel, prezența proprietăților undei în particule, fie fotoni sau electroni, poate fi explicată prin prezența proprietăților undei ale suprafeței reflectorizante sau refractive a unui instrument de difracție.

Pentru o posibilă confirmare experimentală (sau infirmare) a acestei ipoteze, pot fi prezise unele efecte.

Efectul 1

Pentru fluxurile de lumină puternice, principalul motiv pentru proprietățile de interferență ale luminii este structura periodică a luminii în sine, un foton extins. Perechile de fotoni de la diferiți fotoni fie se întăresc reciproc pe ecran atunci când faza coincide (vectori rîntre centrele fotonilor perechilor care interacționează coincid în direcție), sau slăbesc în cazul unei nepotriviri de fază (vectori rîntre centrele fotografiilor nu coincid în direcție). În acest din urmă caz, perechile de fotografii de la fotoni diferiți nu provoacă o acțiune comună simultană, dar cad în acele părți ale ecranului în care se observă o scădere a iluminării.

Dacă ecranul este o placă transparentă, atunci se poate observa următorul efect: un minim în lumină reflectată corespunde unui maxim în lumina transmisă. În locurile în care se observă un minim de iluminare în lumina reflectată, intră și lumină, dar nu se reflectă în aceste locuri, ci trece în interiorul plăcii.

Complementaritatea reciprocă a luminii reflectate și transmise prin placă în fenomenul de interferență este un fapt binecunoscut, descris în teorie de un aparat matematic formal bine dezvoltat al modelului ondulatoriu al luminii. În special, teoria introduce o pierdere a unei semi-unde în timpul reflexiei, iar aceasta „explica” diferența de fază dintre componentele transmise și reflectate.

Ceea ce este nou în modelul nostru este explicația naturii fizice a acestui fenomen. Susținem că pentru fluxurile slabe de lumină, atunci când interacțiunea fotonilor în cadrul dispozitivului de difracție este exclusă, motivul esențial al formării unui model de interferență nu va fi structura periodică a luminii în sine, ci structura periodică a suprafeței dispozitiv care provoacă difracția. În acest caz, pe suprafața ecranului nu va mai exista o interacțiune a perechilor de fotoni de la diferiți fotoni, iar interferența ar trebui să se manifeste prin faptul că în acele locuri în care lovește lumina, va exista un maxim de iluminare, în alte locuri nu va fi. În locurile cu o iluminare minimă, lumina nu va ajunge deloc, iar acest lucru poate fi verificat absența complementarității reciproce a modelului de interferență pentru lumina reflectată și transmisă.

Efectul 2

O altă posibilitate de a testa predicția luată în considerare și ipoteza noastră în ansamblu este aceea pentru fluxuri de lumină slabe, un dispozitiv de difracție realizat dintr-un alt material, care diferă printr-o densitate de suprafață diferită a atomilor, ar trebui să ofere un model de interferență diferit pentru aceeași putere de lumină. Această predicție este, de asemenea, verificabilă în principiu.

Efectul 3

Atomii suprafeței corpului reflectorizant participă la mișcarea termică, nodurile rețelei cristaline funcționează vibratii armonice. O creștere a temperaturii cristalului ar trebui să conducă la estomparea modelului de interferență în cazul fluxurilor de lumină slabe, deoarece în acest caz interferența depinde numai de structura periodică a suprafeței reflectorizante. Pentru fluxuri de lumină puternice, efectul temperaturii dispozitivului de difracție asupra modelului de interferență ar trebui să fie mai slab, deși nu este exclus, deoarece vibrațiile termice ale site-urilor rețelei cristaline ar trebui să încalce condiția de coerență pentru perechile de fotoni reflectate de la fotoni diferiți. . Această predicție este, de asemenea, verificabilă în principiu.

Proprietățile corpusculare ale luminii

În publicațiile noastre, am propus termenul de „model structural al unui foton”. Analizând astăzi o combinație de cuvinte cuprinse între ghilimele, este necesar să o recunoaștem ca fiind extrem de nereușită. Ideea este că în modelul nostru fotonul ca particulă localizată nu există. Un cuantum de energie radiantă, identificat în teoria modernă cu un foton, în modelul nostru este un set de excitații în vid, numite perechi de fotoni. Excitațiile sunt distribuite în spațiu de-a lungul direcției de mișcare. În ciuda extinderii enorme a amplorii microlumii, din cauza micșorării intervalului de timp în care un astfel de set de perechi zboară pe lângă orice microobiect sau se ciocnește cu acesta, precum și datorită inerției relative a obiectelor microlumii, quanta. pot fi absorbite complet de aceste microobiecte. Un foton cuantic este perceput ca o particulă separată numai în procesul unei astfel de interacțiuni cu micro-obiectele, atunci când efectul din interacțiunea unui micro-obiect cu fiecare pereche de fotoni poate fi acumulat, de exemplu, sub formă de excitație. învelișul de electroni atom sau moleculă. Lumina prezintă proprietăți corpusculare în cursul unei astfel de interacțiuni, când un factor esențial, conștient de model, luat în considerare teoretic este emisia sau absorbția unei anumite cantități discrete de energie luminoasă.

Chiar și o idee formală a cuantelor de energie i-a permis lui Planck să explice caracteristicile radiației corpului negru, iar lui Einstein să înțeleagă esența efectului fotoelectric. Conceptul de porțiuni discrete de energie a ajutat la descrierea într-un mod nou a unor fenomene fizice precum presiunea luminii, reflexia luminii, dispersia - ceea ce a fost deja descris în limbajul modelului ondulatoriu. Ideea de discretitate energetică, și nu ideea de particule punctiforme-fotoni, este ceea ce este cu adevărat esențial în modelul corpuscular modern al luminii. Caracterul discret al cuantumului de energie face posibilă explicarea spectrelor atomilor și moleculelor, dar localizarea energiei cuantumului într-o particulă izolată intră în conflict cu faptul experimental că timpul de emisie și timpul de absorbție al cuantumului de energie. de un atom este destul de mare la scara microlumii - aproximativ 10–8 s. Dacă o cuantă este o particulă punctuală localizată, atunci ce se întâmplă cu această particulă într-un timp de 10–8 s? Introducerea unui foton cuantic extins în modelul fizic al luminii face posibilă înțelegerea calitativă nu numai a proceselor de emisie și absorbție, ci și a proprietăților corpusculare ale radiației în general.

Parametrii cantitativi ai fotografiilor

În modelul nostru, obiectul principal de luat în considerare sunt câteva fotografii. În comparație cu dimensiunile unui foton (dimensiunile longitudinale pentru lumina vizibilă sunt metri), excitația vidului sub forma unei perechi de fotoni poate fi considerată punctiformă (dimensiunea longitudinală este de aproximativ 10–14 m). Să cuantificăm câțiva parametri foto. Se știe că γ-quanta sunt produse în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron. Să se nască două γ-quante. Să estimăm limita superioară a parametrilor lor cantitativi, presupunând că energia electronului și a pozitronului este egală cu energia de repaus a acestor particule:

. (1)

Numărul de perechi de fotografii care apar este:

. (2)

Sarcina totală a tuturor fotonilor (–) este –e, unde e este sarcina electronilor. Încărcarea totală a tuturor fotonilor (+) este +e. Să calculăm modulul sarcinii purtate de o fotografie:

Cl. (3)

Aproximativ, fără a ține cont de interacțiunea dinamică a sarcinilor în mișcare, putem presupune că forța centripetă a unei perechi de fotoni rotativi este forța interacțiunii lor electrostatice. Deoarece viteza liniară a sarcinilor rotative este egală cu C, obținem (în sistemul SI):

, (4)

unde m 0 / 2 \u003d h E / C 2 - masa unei fotografii. Din (4) obținem o expresie pentru raza de rotație a centrelor de sarcină a fotonilor:

m. (5)

Considerând secțiunea transversală „electrică” a unui foton ca aria unui cerc S cu raza R El, obținem:

Lucrarea oferă o formulă pentru calcularea secțiunii transversale a unui foton în cadrul QED:

, (7)

unde σ se măsoară în cm 2. Presupunând ω = 2πν, și ν = n (fără a lua în considerare dimensiunea), obținem o estimare a secțiunii transversale folosind metoda QED:

. (8)

Diferența cu estimarea noastră a secțiunii transversale a fotonului este de 6 ordine de mărime, sau aproximativ 9%. În același timp, trebuie menționat că rezultatul nostru pentru secțiunea transversală a fotonului de ~10 –65 cm 2 a fost obținut ca o estimare superioară pentru anihilarea particulelor imobile, în timp ce electronul și pozitronul real au energia de mișcare. Tinand cont energie kinetică secțiunea transversală ar trebui să fie mai mică, deoarece în formula (1) energia particulelor care trec în radiație va fi mai mare și, în consecință, numărul de perechi de fotoni va fi mai mare. Valoarea calculată a încărcăturii unei fotografii va fi mai mică (formula 3), prin urmare, R El (formula 5) și secțiunea transversală S (formula 6) va fi mai mică. Având în vedere acest lucru, estimarea noastră a secțiunii transversale a fotonului ar trebui să fie recunoscută ca coincide aproximativ cu estimarea QED.

Rețineți că sarcina specifică a phot coincide cu sarcina specifică a unui electron (pozitron):

. (9)

Dacă o fotografie (precum un electron) are un „miez” ipotetic în care este concentrată sarcina sa și o „blană” dintr-un vid fizic perturbat, atunci secțiunea transversală „electrică” a unei perechi de fotoni nu ar trebui să coincidă cu secțiunea transversală „mecanică”. Fie ca centrele de masă ale fotonilor să se rotească în jurul unui cerc de rază R Mex cu viteza C. Deoarece C = ωR Mex, obținem:

. (10)

Astfel, circumferința de-a lungul căreia fac mișcare de rotație centrele de masă ale fotonilor sunt egale cu lungimea de undă, ceea ce este destul de natural când vitezele de translație și rotație sunt egale în interpretarea noastră a conceptului de „lungime de undă”. Dar în acest caz, rezultă că pentru fotonii obținuți ca urmare a anihilării considerate mai sus, R Mex ≈ 3.8∙10 –13 m ≈ 10 22 ∙R El. Haina de blană a vidului perturbat, care înconjoară nucleele fotonilor, are dimensiuni gigantice în comparație cu miezul însuși.

Desigur, toate acestea sunt estimări aproximative. Orice model nou nu poate concura în acuratețe cu un model deja existent care a ajuns la zori. De exemplu, când a apărut modelul heliocentric al lui Copernic, timp de aproximativ 70 de ani s-au efectuat calcule astronomice practice în conformitate cu modelul geocentric al lui Ptolemeu, deoarece acest lucru a condus la un rezultat mai precis.

Introducerea modelelor pe o bază fundamental nouă în știință nu este doar o coliziune cu opoziția subiectivă, ci și o pierdere obiectivă a preciziei calculelor și predicțiilor. Sunt posibile și rezultate paradoxale. Raportul rezultat de ordine de ~10 22 între razele electrice și mecanice de rotație a fotonilor este nu numai neașteptat, ci și de neînțeles fizic. Singura modalitate de a înțelege cumva raportul obținut este să presupunem că rotația unei perechi de fotoni are caracter de vortex, deoarece în acest caz, dacă vitezele liniare ale componentelor la distanțe diferite de centrul de rotație sunt egale, vitezele unghiulare ale acestora. ar trebui să fie diferit.

Intuitiv, natura vortex a rotației unei structuri tridimensionale dintr-un mediu subțire - vid fizic, este chiar mai de înțeles decât ideea de rotație a unei perechi de fotoni, care amintește de rotație. corp solid. O analiză a mișcării vortexului ar trebui să conducă în continuare la o nouă înțelegere calitativă a procesului luat în considerare.

Rezultate și concluzii

Lucrarea continuă dezvoltarea ideilor despre natura fizică a luminii. Este analizată natura fizică a dualismului unde corpusculare. Efecte fundamental verificabile sunt prezise în experimente privind interferența și difracția fluxurilor slabe de lumină. Au fost efectuate calcule cantitative ale parametrilor mecanici și electrici ai fotonilor. Se calculează secțiunea transversală a unei perechi de fotoni și se face o concluzie despre structura vortexului perechii.

Literatură

1. Moiseev B.M. Structura fotonului. - Dep. in VINITI 12.02.98, Nr 445 - B98.

2. Moiseev B.M. Masa și energia în modelul structural al fotonului. - Dep. in VINITI 01.04.98, Nr 964 - B98.

3. Moiseev B.M. Despre energia și masa totală a unui corp în stare de mișcare. - Dep. in VINITI 12.05.98, Nr 1436 - B98.

4. Moiseev B.M. Fotoni într-un câmp gravitațional. - Dep. in VINITI 27.10.99, Nr 3171 - B99.

5. Moiseev B.M. Modelarea structurii unui foton. - Kostroma: Editura KSU im. PE. Nekrasova, 2001.

5. Moiseev B.M. Microstructura fotonică // Proceedings of the Congress-2002 “Fundamental problems of natural science and technology”, partea a III-a, pp. 229–251. - Sankt Petersburg, Editura Universității de Stat din Sankt Petersburg, 2003.

7 Fiz. Rev. Lett. 90 081 801 (2003). http://prl.aps.org

8. Sivukhin D.V. Fizica atomică și nucleară. În 2 ore. Partea 1. Fizica atomică. – M.: Nauka, 1986.

9. Dicţionar enciclopedic fizic. În 5 volume - M .: Enciclopedia sovietică, 1960-66.

10. Fizica. Dicționar enciclopedic mare. - M .: Marea Enciclopedie Rusă, 1999.

11. Kudryavtsev P.S. Curs de istoria fizicii. - M .: Educație, 1974.

12. Akhiezer A.I. Electrodinamică cuantică / A.I. Akhiezer, V.V. Berestetsky - M .: Nauka, 1981.

Proprietățile valurilor. Un contemporan al lui Isaac Newton, fizicianul olandez Christian Huygens, nu a respins existența corpusculilor, ci a crezut că aceștia nu sunt emiși de corpurile luminoase, ci umplu tot spațiul. Huygens a reprezentat procesul de propagare a luminii nu ca o mișcare înainte, ci ca un proces succesiv de transfer al impactului unui corpuscul la altul.

Susținătorii lui Huygens și-au exprimat părerea că lumina este o oscilație care se propagă într-un mediu special - „eter”, care umple întregul spațiu mondial și care pătrunde liber în toate corpurile. Excitația luminii de la o sursă de lumină este transmisă de eter în toate direcțiile.

Astfel, au apărut primele idei despre natura luminii. Valoarea principală a teoriei ondulatorii inițiale a luminii este principiul formulat inițial de Huygens și apoi dezvoltat de Fresnel. Principiul Huygens-Fresnel afirmă că fiecare rinichi, la care se ajunge prin excitație luminoasă, devine la rândul său centrul undelor secundare și le transmite în toate direcțiile către rinichii vecini.

Proprietățile de undă ale luminii se manifestă cel mai clar în fenomenele de interferență și difracție.

Interferența luminii constă în faptul că, atunci când două unde sunt situate reciproc, oscilațiile pot fi întărite sau slăbite. Principiul interferenței a fost descoperit în 1801 de englezul Thomas Young (1773-1829), medic de profesie. Jung a efectuat experimentul acum clasic cu două găuri. Pe ecran, două găuri distanțate strâns au fost străpunse cu vârful unui știft, care au fost iluminate de lumina soarelui dintr-o mică gaură din fereastra cu perdele. În spatele ecranului, în loc de două puncte luminoase, s-au observat o serie de inele întunecate și luminoase care se alternau.

Stare necesara observarea modelului de interferență este coerența undelor (un flux coordonat de procese oscilatorii sau ondulatorii).

Fenomenul de interferență este utilizat pe scară largă în dispozitive - interferometre, cu ajutorul cărora se efectuează diverse măsurători precise și se controlează finisarea suprafeței pieselor, precum și multe alte operațiuni de control.

În 1818, Fresnel a prezentat un raport amplu despre difracția luminii la competiția Academiei de Științe din Paris. Având în vedere acest raport, A. Poisson (1781-1840) a ajuns la concluzia că, conform teoriei propuse de Fresnel, în anumite condiții, în centrul modelului de difracție de la un obstacol rotund opac în calea luminii ar trebui să existe un punct luminos, nu o umbră. A fost o concluzie uluitoare. D.F.Arago (1786-1853) a pus imediat la cale un experiment, iar calculele lui Poisson au fost confirmate. Astfel, concluzia făcută de Poisson, care contrazicea în exterior teoria lui Fresnel, s-a transformat, cu ajutorul experimentului lui Arago, într-una dintre dovezile validității acestuia și a marcat și începutul recunoașterii naturii ondulatorii a luminii.

Fenomenul de deviere a luminii din direcția rectilinie de propagare se numește difracție.

Multe dispozitive optice se bazează pe fenomenul de difracție. În special, echipamentele cristalografice utilizează difracția de raze X.

Natura ondulatorie a luminii și natura transversală a undelor luminoase sunt, de asemenea, dovedite de fenomen polarizare. Esența polarizării este demonstrată clar printr-un experiment simplu: atunci când lumina trece prin două cristale transparente, intensitatea acesteia depinde de orientarea reciprocă a cristalelor. Cu aceeași orientare, lumina trece fără atenuare. Când unul dintre cristale este rotit cu 90°, lumina este complet stinsă, adică. nu trece prin cristale.

Natura ondulatorie a luminii este confirmată și de fenomenul de dispersie a luminii. Un fascicul paralel îngust de lumină albă, când trece printr-o prismă de sticlă, se descompune în fascicule de lumină de diferite culori. Banda de culoare se numește spectru continuu. Dependența vitezei de propagare a luminii într-un mediu de lungimea de undă se numește dispersia luminii. Dispersia a fost descoperită de I. Newton.

Descompunerea luminii albe se explică prin faptul că aceasta constă din unde electromagnetice cu lungimi de undă diferite iar indicele de refracție depinde de lungimea de undă. Cea mai mare valoare indicele de refracție pentru lumina cu cea mai scurtă lungime de undă este violet, cel mai scăzut pentru lumina cu cea mai mare lungime de undă este roșu. Experimentele au arătat că în vid viteza luminii este aceeași pentru lumina de orice lungime de undă.

Studiul fenomenelor de difracție, interferență, polarizare și dispersie a luminii a condus la stabilirea teoriei ondulatorii a luminii.

Proprietățile cuantice ale luminii.În 1887, G. Hertz, la iluminarea unei plăci de zinc conectată la tija unui electrometru, a descoperit fenomenul efectului fotoelectric. Dacă o sarcină pozitivă este transferată pe placă și tijă, atunci electrometrul nu se descarcă atunci când placa este iluminată. La informarea plăcii despre un negativ incarcare electrica Electrometrul se descarcă imediat ce radiația lovește placa. Acest experiment demonstrează că sarcinile centrice negative scapă de pe suprafața unei plăci de metal sub acțiunea luminii. Măsurătorile sarcinii și masei particulelor ejectate de lumină au arătat că aceste particule sunt electroni. Fenomenul de emisie de electroni de către o substanță sub acțiunea radiației electromagnetice se numește efect fotoelectric.

Regularitățile cantitative ale efectului fotoelectric au fost stabilite în 1888-1889. Fizicianul rus A.G. Stoletov (1839-1896).

Nu a fost posibil să se explice legile de bază ale efectului fotoelectric pe baza teoriei electromagnetice a luminii. Teoria electromagnetică a luminii nu a putut explica independența energiei fotoelectronilor de intensitatea radiației luminoase, existența marginii roșii a efectului fotoelectric, proporționalitatea energiei cinetice a fotoelectronilor cu frecvența luminii.

Teoria electromagnetică a lui Maxwell și teoria electronică a lui Lorentz, în ciuda succeselor lor enorme, au fost oarecum contradictorii și au fost întâmpinate o serie de dificultăți în aplicarea lor. Ambele teorii s-au bazat pe ipoteza eterului, doar „eterul elastic” a fost înlocuit cu „eterul electromagnetic” (teoria lui Maxwell) sau „eterul fix” (teoria lui Lorentz). Teoria lui Maxwell nu a putut explica procesele de emisie și absorbție a luminii, efectul fotoelectric, împrăștierea Compton etc. Teoria lui Lorentz, la rândul său, nu a putut explica multe fenomene asociate cu interacțiunea luminii cu materia, în special problema distribuției. de energie pe lungimi de undă în timpul radiației termice a corpului negru.

Aceste dificultăți și contradicții au fost depășite datorită ipotezei îndrăznețe prezentate în 1900 de fizicianul german M. Planck, potrivit căreia Emisia de lumină nu are loc continuu, ci discret, adică în anumite porțiuni (cuante), a căror energie este determinată de frecvența n:

Unde h este constanta lui Planck.

Teoria lui Planck nu are nevoie de conceptul de eter. Ea a explicat radiația termică a unui corp complet negru.

A. Einstein în 1905 a creat teoria cuantică a luminii: nu numai emisia de lumină, ci și propagarea acesteia are loc sub formă fluxul cuantelor de lumină - fotoni, a cărui energie este determinată de formula Planck de mai sus și impulsul

unde l este lungimea de undă.

Proprietățile cuantice ale undelor electromagnetice se manifestă cel mai pe deplin în Efectul Compton: la împrăștiere monocromatică radiații cu raze X o substanță cu atomi de lumină în compoziția radiației împrăștiate, alături de radiații caracterizate prin lungimea de undă inițială, se observă radiații cu o lungime de undă mai mare.

Ideile cuantice despre lumină sunt în acord cu legile radiației și absorbției luminii, legile interacțiunii, radiația cu materia. Fenomene atât de bine studiate, cum ar fi interferența, difracția și polarizarea luminii, sunt bine explicate în termeni de concepte de undă. Toată varietatea de proprietăți studiate și legile propagării luminii, interacțiunea ei cu materia arată că lumina are o natură complexă: este o unitate de proprietăți opuse - corpusculară (cuantică) și undă (electromagnetică). Calea lungă de dezvoltare a dus la idei moderne despre natura undă corpusculară duală a luminii. Expresiile de mai sus conectează caracteristicile corpusculare ale radiației - masa și energia cuantumului - cu caracteristicile undei - frecvența oscilațiilor și lungimea de undă. În acest fel, lumina este o unitate de discretie si continuitate.

Întrebări pentru autoexaminare

Întrebarea 1. Care este sarcina cea mai importantă a științei naturii.

1. cognitive

2. viziunea asupra lumii

3. teleologice

4. crearea unei imagini din științe naturale a lumii

Întrebarea 2. Numiți cele mai generale, importante concepte fundamentale ale descrierii fizice a naturii.

1. materie

2. mişcare

3. spațiu

Întrebarea 3. Numiți categoria filozofică pentru a desemna realitatea obiectivă, care este afișată de senzațiile noastre, existând independent de acestea.

1. constiinta

2. afişaj

3. materie

În ultima sută de ani, știința a făcut progrese mari în studierea structurii lumii noastre, atât la nivel microscopic, cât și la nivel macroscopic. Descoperirile uimitoare pe care ni le-au adus teoriile speciale și generale ale relativității, mecanica cuantică încă entuziasmează mintea publicului. Cu toate acestea, orice persoană educată trebuie să înțeleagă cel puțin elementele de bază ale realizărilor științifice moderne. Unul dintre cele mai impresionante și importante puncte este dualitatea undă-particulă. Aceasta este o descoperire paradoxală, a cărei înțelegere nu este supusă percepției cotidiene intuitive.

Corpusculi și valuri

Pentru prima dată, dualismul a fost descoperit în studiul luminii, care s-a comportat în funcție de condiții în moduri complet diferite. Pe de o parte, s-a dovedit că lumina este o undă electromagnetică optică. Pe de altă parte, există o particulă discretă (acțiunea chimică a luminii). Inițial, oamenii de știință au crezut că aceste două puncte de vedere se exclud reciproc. Cu toate acestea, numeroase experimente au arătat că nu este cazul. Treptat, realitatea unui astfel de concept precum dualitatea undă-particulă a devenit obișnuită. Acest concept stă la baza studierii comportamentului obiectelor cuantice complexe care nu sunt nici unde, nici particule, ci doar dobândesc proprietățile acestora din urmă sau ale primei, în funcție de anumite condiții.

Experimentați cu două fante

Difracția fotonului este o demonstrație clară a dualismului. Detectorul de particule încărcate este o placă fotografică sau un ecran luminiscent. Fiecare foton individual a fost marcat de o fulgerare sau fulger punctual. Combinația unor astfel de semne a dat un model de interferență - alternanța dungilor slab și puternic iluminate, care este o caracteristică a difracției undelor. Acest lucru este explicat printr-un astfel de concept precum dualismul undelor corpusculare. Faimosul fizician și laureat al Premiului Nobel Richard Feynman a spus că materia se comportă la scară mică în așa fel încât este imposibil să simți „naturalitatea” comportamentului cuantic.

Dualism universal

Cu toate acestea, această experiență este valabilă nu numai pentru fotoni. S-a dovedit că dualismul este o proprietate a întregii materie și este universal. Heisenberg a susținut că materia există alternativ în ambele versiuni. Până în prezent, s-a dovedit absolut că ambele proprietăți se manifestă complet simultan.

undă corpusculară

Cum se explică un astfel de comportament al materiei? Unda care este inerentă corpusculilor (particulelor) se numește val de Broglie, după tânărul om de știință aristocrat care a propus o soluție la această problemă. Este în general acceptat că ecuațiile lui de Broglie descriu o funcție de undă, care, la pătrat, determină doar probabilitatea ca o particulă să se afle în momente diferite în diferite puncte ale spațiului. Mai simplu spus, o undă de Broglie este o probabilitate. Astfel, s-a stabilit o egalitate între conceptul matematic (probabilitatea) și procesul real.

câmp cuantic

Ce sunt corpusculii materiei? În general, acestea sunt cuante de câmpuri de undă. Un foton este un cuantum al unui câmp electromagnetic, un pozitron și un electron sunt dintr-un câmp electron-pozitron, un mezon este un cuantum al unui câmp mezon și așa mai departe. Interacțiunea dintre câmpurile de undă se explică prin schimbul dintre ele de către unele particule intermediare, de exemplu, în timpul interacțiunii electromagnetice, fotonii sunt schimbati. Acest lucru implică în mod direct o altă confirmare că procesele ondulatorii descrise de de Broglie sunt fenomene fizice absolut reale. Iar dualismul undelor corpusculare nu acționează ca o „proprietate ascunsă misterioasă” care caracterizează capacitatea particulelor de a se „reîncarna”. Demonstrează în mod clar două acțiuni interconectate - mișcarea unui obiect și procesul ondulatoriu asociat cu acesta.

efect de tunel

Dualitatea undă-particulă a luminii este asociată cu multe alte fenomene interesante. Direcția de acțiune a undei de Broglie se manifestă în așa-numitul efect de tunel, adică atunci când fotonii pătrund prin bariera energetică. Acest fenomen se datorează excesului valorii medii de către impulsul particulei în momentul antinodului undei. Cu ajutorul tunelului, a fost posibilă dezvoltarea unei varietăți de dispozitive electronice.

Interferența cuantelor de lumină

Știința modernă vorbește despre interferența fotonilor la fel de misterios ca și despre interferența electronilor. Se dovedește că un foton, care este o particulă indivizibilă, poate trece simultan prin orice cale deschisă pentru sine și poate interfera cu el însuși. Dacă luăm în considerare că dualismul corpuscular-undă al proprietăților materiei și fotonului sunt o undă care acoperă multe elemente structurale, atunci divizibilitatea sa nu este exclusă. Acest lucru contrazice opiniile anterioare despre particule ca formațiune elementară indivizibilă. Posedând o anumită masă de mișcare, un foton formează o undă longitudinală asociată cu această mișcare, care precede particula însăși, deoarece viteza undei longitudinale este mai mare decât cea a undei electromagnetice transversale. Prin urmare, există două explicații pentru interferența unui foton cu sine însuși: particula se împarte în două componente, care interferează una cu cealaltă; unda fotonica se deplasează pe două căi și formează un model de interferență. Sa constatat experimental că un model de interferență este creat și atunci când fotonii unici încărcați trec pe rând prin interferometru. Acest lucru confirmă teza că fiecare foton individual interferează cu el însuși. Acest lucru este deosebit de clar atunci când se ține cont de faptul că lumina (nu coerentă și nu monocromatică) este o colecție de fotoni care sunt emiși de atomi în procese aleatoare și care nu au legătură reciproc.

Ce este lumina?

O undă luminoasă este un câmp electromagnetic nelocalizat care este distribuit în spațiu. Câmpul electromagnetic al undei are o densitate de energie volumetrică, care este proporțională cu pătratul amplitudinii. Aceasta înseamnă că densitatea de energie se poate modifica cu orice cantitate, adică este continuă. Pe de o parte, lumina este un flux de cuante și fotoni (corpusculi), care, datorită universalității unui astfel de fenomen precum dualitatea undă-particulă, sunt proprietăți ale undei electromagnetice. De exemplu, în fenomenele de interferență și difracție și în scale, lumina prezintă în mod clar caracteristicile unei unde. De exemplu, un singur foton, așa cum este descris mai sus, care trece printr-o fantă dublă creează un model de interferență. Cu ajutorul experimentelor, s-a dovedit că un singur foton nu este un impuls electromagnetic. Nu poate fi împărțit în grinzi cu separatoare de fascicule, așa cum au arătat fizicienii francezi Aspe, Roger și Grangier.

Lumina are și proprietăți corpusculare, care se manifestă în efectul Compton și în efectul fotoelectric. Un foton se poate comporta ca o particulă care este absorbită de obiecte întregi care sunt mult mai mici decât lungimea sa de undă (de exemplu, un nucleu atomic). În unele cazuri, fotonii pot fi considerați în general obiecte punctuale. Nu are nicio diferență de ce poziție să luăm în considerare proprietățile luminii. În domeniul viziunii în culori, un flux de lumină poate îndeplini atât funcțiile unei unde, cât și ale unei particule-foton ca cuantum de energie. Un punct de obiect focalizat pe un fotoreceptor retinian, cum ar fi membrana conului, poate permite ochiului să formeze propria sa valoare filtrată ca fascicule de lumină spectrale principale și să le sorteze după lungimea de undă. Conform valorilor energiei cuantice, în creier, punctul subiect va fi tradus în senzația de culoare (imagine optică focalizată).

Primele idei ale oamenilor de știință antici despre ce este lumina au fost foarte naive. Au fost mai multe puncte de vedere. Unii credeau că din ochi ies tentacule subțiri speciale, iar impresiile vizuale apar atunci când simt obiectele. Acest punct de vedere a avut un număr mare de adepți, printre care au fost Euclid, Ptolemeu și mulți alți oameni de știință și filozofi. Alții, dimpotrivă, credeau că razele sunt emise de un corp luminos și, ajungând la ochiul uman, poartă amprenta unui obiect luminos. Acest punct de vedere a fost susținut de Lucretius, Democrit.

În secolul al XVII-lea, aproape simultan, două teorii complet diferite despre ce este lumina și care au fost și au început să se dezvolte. Una dintre aceste teorii este asociată cu numele lui I. Newton, iar cealaltă - cu numele lui H. Huygens.

I. Newton a aderat la așa-zisa teoria corpusculară a luminii, conform căreia lumina este un flux de particule care provine dintr-o sursă în toate direcțiile (transfer de substanță).

Conform ideilor lui H. Huygens, lumina este un flux de unde care se propagă într-un mediu special, ipotetic - eterul, care umple tot spațiul și pătrunde în toate corpurile.

Ambele teorii există în paralel de multă vreme. Niciunul dintre ei nu a putut câștiga o victorie decisivă. Numai autoritatea lui I. Newton a forțat majoritatea oamenilor de știință să acorde preferință teoriei corpusculare. Legile propagării luminii cunoscute la acea vreme din experiență au fost explicate mai mult sau mai puțin cu succes de ambele teorii.

Pe baza teoriei corpusculare, a fost dificil de explicat de ce fasciculele de lumină, care se încrucișează în spațiu, nu acționează unele asupra altora în niciun fel. La urma urmei, particulele de lumină trebuie să se ciocnească și să se împrăștie.

Teoria undelor a explicat cu ușurință acest lucru. Undele, de exemplu, la suprafața apei, trec liber unele prin altele, fără influență reciprocă.

Cu toate acestea, propagarea rectilinie a luminii, care duce la formarea de umbre ascuțite în spatele obiectelor, este dificil de explicat pe baza teoriei undelor. Conform teoriei corpusculare, propagarea rectilinie a luminii este pur și simplu o consecință a legii inerției.

O astfel de poziție nedeterminată în ceea ce privește natura luminii a persistat până la începutul secolului al XIX-lea, când s-au descoperit fenomenele de difracție a luminii (învăluirea luminii în jurul obstacolelor) și interferența luminii (intensificarea sau slăbirea iluminării atunci când fasciculele de lumină se suprapuneau între ele). . Aceste fenomene sunt inerente exclusiv mișcării ondulatorii. Este imposibil să le explici cu ajutorul teoriei corpusculare. Proprietățile undei ale luminii includ și dispersia luminii, polarizarea. Prin urmare, părea că teoria valului a câștigat o victorie finală și completă.

O astfel de încredere a fost întărită mai ales când D. Maxwell a arătat în a doua jumătate a secolului al XIX-lea că lumina este un caz special de unde electromagnetice. Lucrările lui D.Maxwell au pus bazele teoriei electromagnetice a luminii. După descoperirea experimentală a undelor electromagnetice de către G. Hertz, nu a existat nicio îndoială că lumina se comportă ca o undă în timpul propagării. Cu toate acestea, la începutul secolului al XX-lea, ideile despre natura luminii au început să se schimbe radical. S-a dovedit brusc că teoria corpusculară respinsă este încă relevantă pentru realitate. Când este emisă și absorbită, lumina se comportă ca un flux de particule. Proprietățile undei ale luminii nu au putut explica modelele efectului fotoelectric.

A apărut o situație neobișnuită. Fenomenele de interferență, difracție, polarizare a luminii din sursele obișnuite de lumină mărturisesc în mod irefutat proprietățile ondulatorii ale luminii. Cu toate acestea, chiar și în aceste fenomene, în condiții adecvate, lumina prezintă proprietăți corpusculare. La rândul lor, regularitățile radiației termice a corpurilor, efectul fotoelectric și altele indică incontestabil că lumina se comportă nu ca o undă continuă, extinsă, ci ca un flux de „mănunchi” (porțiuni, cuante) de energie, adică. ca un flux de particule - fotoni.

Astfel, lumina combină continuitatea undelor și discretitatea particulelor. Dacă luăm în considerare faptul că fotonii există doar atunci când se deplasează (cu o viteză c), atunci ajungem la concluzia că atât proprietățile ondulatorii, cât și proprietățile corpusculare sunt simultan inerente luminii.Dar în unele fenomene, în anumite condiții, fie proprietăți ondulatorii, fie proprietăți corpusculare. joacă rolul principal, iar lumina poate fi considerată fie o undă, fie ca particule (corpuscule).

Prezența simultană a proprietăților ondulatorii și corpusculare în obiecte se numește dualitate undă-particulă.

Proprietățile undei ale microparticulelor. Difracția electronilor

În 1923, fizicianul francez L. de Broglie a prezentat o ipoteză despre universalitatea dualității undă-particulă. De Broglie a susținut că nu numai fotonii, ci și electronii și orice alte particule de materie, împreună cu cele corpusculare, au și proprietăți de undă.

Potrivit lui de Broglie, fiecare micro-obiect este asociat, pe de o parte, cu caracteristici corpusculare - energie Eși impuls p, iar pe de altă parte, caracteristicile undei - frecvența ν și lungimea de undă λ .

Caracteristicile corpusculare și ondulatorii ale micro-obiectelor sunt legate de aceleași relații cantitative ca și ale unui foton:

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

Ipoteza lui De Broglie a postulat aceste relații pentru toate microparticulele, inclusiv pentru cele care au o masă m. Orice particulă cu impuls a fost asociată cu un proces de undă cu o lungime de undă \(~\lambda = \dfrac(h)(p)\) . Pentru particulele care au masă,

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

În aproximarea non-relativista ( υ « c)

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

Ipoteza lui De Broglie s-a bazat pe considerații ale simetriei proprietăților materiei și nu avea nicio confirmare experimentală la acel moment. Dar a fost un impuls revoluționar puternic pentru dezvoltarea de noi idei despre natura obiectelor materiale. Pe parcursul mai multor ani, o serie de fizicieni remarcabili ai secolului al XX-lea - W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac, N. Bohr și alții - au dezvoltat bazele teoretice noua stiinta care a fost numită mecanică cuantică.

Prima confirmare experimentală a ipotezei lui de Broglie a fost obţinută în 1927 de către fizicienii americani K. Devisson şi L. Germer. Ei au descoperit că un fascicul de electroni împrăștiat de un cristal de nichel a produs un model de difracție distinct similar cu cel produs de razele X cu lungime de undă scurtă împrăștiate de cristal. În aceste experimente, cristalul a jucat rolul unui rețele de difracție naturală. Poziția maximelor de difracție a fost utilizată pentru a determina lungimea de undă a fasciculului de electroni, care s-a dovedit a fi în deplin acord cu formula de Broglie.

În anul următor, 1928, fizicianul englez J. Thomson (fiul lui J. Thomson, care descoperise electronul cu 30 de ani mai devreme) a primit o nouă confirmare a ipotezei lui de Broglie. În experimentele sale, Thomson a observat modelul de difracție care apare atunci când un fascicul de electroni trece printr-o folie subțire de aur policristalin. Pe o placă fotografică montată în spatele unei folii, au fost observate clar inele concentrice de lumină și întuneric, ale căror raze s-au schimbat odată cu o schimbare a vitezei electronilor (adică, lungimea de undă) conform lui de Broglie.

În anii următori, experimentul lui J. Thomson a fost repetat de multe ori cu același rezultat, inclusiv în condițiile în care fluxul de electroni era atât de slab încât doar o particulă putea trece prin dispozitiv la un moment dat (V. A. Fabrikant, 1948). Astfel, s-a dovedit experimental că proprietățile undei sunt inerente nu numai unui set mare de electroni, ci și fiecărui electron separat.

Ulterior, au fost descoperite fenomene de difracție și pentru neutroni, protoni, fascicule atomice și moleculare. Dovada experimentală a prezenței proprietăților de undă ale microparticulelor a condus la concluzia că acesta este un fenomen universal al naturii, proprietate comună materie. În consecință, proprietățile undelor trebuie să fie, de asemenea, inerente corpurilor macroscopice. Cu toate acestea, din cauza masei mari de corpuri macroscopice, proprietățile undelor acestora nu pot fi detectate experimental. De exemplu, un grăunte de praf cu o masă de 10 -9 g, care se deplasează cu o viteză de 0,5 m/s, corespunde unei unde de Broglie cu o lungime de undă de aproximativ 10 -21 m, adică cu aproximativ 11 ordine de mărime mai mică. decât dimensiunea atomilor. Această lungime de undă se află în afara regiunii accesibile pentru observație. Acest exemplu arată că corpurile macroscopice pot prezenta numai proprietăți corpusculare.

Astfel, ipoteza lui de Broglie, confirmată experimental, a dualității undă-particulă a schimbat radical ideile despre proprietățile microobiectelor.

Toate micro-obiectele au atât proprietăți ondulatorii, cât și proprietăți corpusculare, cu toate acestea, ele nu sunt nici o undă, nici o particulă în sensul clasic. Proprietăți diverse micro-obiectele nu apar simultan, se completează între ele, doar combinația lor caracterizează micro-obiectul complet. Aceasta este formula formulată de celebrul fizician danez N. Bohr principiul complementaritatii. Se poate spune în mod condiționat că micro-obiectele se propagă ca undele și schimbă energie ca particulele.

Din punctul de vedere al teoriei undelor, maximele din modelul de difracție a electronilor corespund celei mai mari intensități a undelor de Broglie. Un număr mare de electroni cad în regiunea maximelor înregistrate pe o placă fotografică. Dar procesul de a aduce electroni în diferite locuri pe o placă fotografică nu este individual. Este fundamental imposibil de prezis unde va cădea următorul electron după împrăștiere, există doar o anumită probabilitate ca un electron să cadă într-un loc sau altul. Astfel, descrierea stării unui micro-obiect și a comportamentului acestuia nu poate fi dată decât pe baza teoriei probabilităților.

Valurile De Broglie nu sunt undele electromagneticeși nu au nicio analogie între toate tipurile de unde studiate în fizica clasică, deoarece nu sunt emise de nicio sursă de unde și nu au legătură cu propagarea vreunui câmp, cum ar fi electromagnetic sau oricare altul. Ele sunt asociate cu orice particulă în mișcare, indiferent dacă este încărcată electric sau neutră.