Корпускулярни физични свойства. Корпускулярни и вълнови свойства на частиците. Принципът на несигурността. Количествени параметри на снимките

Вълнови и корпускулярни свойства на светлината - стр. No1/1

ВЪЛНА И СПЕЦИАЛНИ СВОЙСТВА НА СВЕТЛИНАТА

© Моисеев Б.М., 2004

Костромски държавен университет
Улица 1 май, 14, Кострома, 156001, Русия
Електронна поща: [имейл защитен] ; [имейл защитен]

Логически е възможно светлината да се разглежда като периодична последователност от възбуждания на физическия вакуум. Като следствие от този подход се обяснява физическата природа на вълната и корпускулярните свойства на светлината.

В статията е дадено логично заключение за възможността светлината да се разглежда като периодична последователност от физически вакуумни вълнения. Като следствие от такъв подход тук са обяснени физическата природа на вълната и корпускулярните характеристики на светлината.

Въведение

Многовековните опити да се разбере физическата природа на светлинните явления бяха прекъснати в началото на 20 век от въвеждането на двойствените свойства на материята в аксиоматиката на теорията. Светлината започва да се разглежда едновременно като вълна и частица. Въпреки това, моделът на радиационния квант е конструиран формално и все още няма еднозначно разбиране за физическата природа на радиационния квант.

Тази работа е посветена на формирането на нови теоретични идеи за физическата природа на светлината, които трябва да обяснят качествено вълновите и корпускулярните свойства на светлината. По-рано бяха публикувани основните положения на разработения модел и резултатите, получени в рамките на този модел:

1. Фотонът е набор от елементарни възбуждания на вакуума, разпространяващи се в пространството под формата на верига от възбуждания с постоянна скорост спрямо вакуума, независеща от скоростта на светлинния източник. За наблюдател скоростта на фотона зависи от скоростта на наблюдателя спрямо вакуум, моделиран логически като абсолютно пространство.

2. Елементарното възбуждане на вакуума е двойка снимки, дипол, образуван от две (+) и (–) заредени частици. Диполите се въртят и имат въртящ моментимпулс, заедно съставляващи въртенето на фотона. Радиусът на въртене на снимките и ъгловата скорост са свързани със зависимостта Rω = const.

3. Фотоните могат да се разглеждат като тънки, дълги цилиндрични игли. Въображаемите повърхности на иглените цилиндри се формират от спиралните траектории на фотоните. Колкото по-висока е честотата на въртене, толкова по-тънка е фотонната игла. Едно пълно завъртане на чифт снимки определя дължината на вълната в пространството по посока на движение.

4. Енергията на един фотон се определя от броя фотонни двойки n в един фотон: ε = nh E, където h E е стойност, равна на константата на Планк в енергийни единици.

5. Получена е количествената стойност на спина на фотона ћ. Извършен е анализ на връзката между енергийните и кинематичните параметри на фотона. Като пример се изчисляват кинематичните параметри на фотон, произведен от прехода 3d2p във водороден атом. Дължината на един фотон във видимата част на спектъра е метри.

6. Масата на фотонна двойка е изчислена m 0 = 1,474·10 –53 g, което съвпада по ред на величината с горната оценка на фотонната маса m 

7. Направено е заключение за промяната на константите C и h при движение на фотон в гравитационно поле.

От периодичната структура на фотона причината за вълновите свойства на светлината е интуитивно ясна: математиката на вълната, като процес на механична вибрация на физическата среда, и математиката партиден процесот всякакъв качествен характер - съвпадат. Работите предоставят качествено обяснение на вълновите и корпускулярните свойства на светлината. Тази статия продължава развитието на идеите за физическата природа на светлината.

Вълнови свойства на светлината

Както беше отбелязано по-рано, елементите на периодичност, свързани с физическата природа на светлината, причиняват проявата на вълнови свойства. Проявата на вълнови свойства в светлината е установена от многобройни наблюдения и експерименти и следователно не може да предизвика съмнение. Математически вълнова теорияДоплеров ефект, интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия, абсорбция и разсейване на светлината. Вълновата теория на светлината е органично свързана с геометрична оптика: в границата, с  → 0, законите на оптиката могат да бъдат формулирани на езика на геометрията.

Нашият модел не отменя математическия апарат на вълновия модел. Основната цел и основен резултат от нашата работа е да направим такива промени в аксиоматиката на теорията, които да задълбочат разбирането на физическата същност на явлението и да премахнат парадоксите.

Основният парадокс на съвременните представи за светлината е дуалността вълна-частица (WDP). Според законите на формалната логика светлината не може да бъде едновременно вълна и частица в традиционния смисъл на тези термини. Понятието вълна предполага континуум, хомогенна среда, в която възникват периодични смущения на елементите на континуума. Концепцията за частица предполага изолацията и автономността на отделните елементи. Физическата интерпретация на HPT не е толкова проста.

Комбинирането на корпускулярния и вълновия модел според принципа „вълната е смущение на съвкупност от частици” предизвиква възражения, т.к. Наличието на вълнови свойства в отделна, единична частица светлина се счита за твърдо установено. Интерференцията на рядко пътуващите фотони е открита от Janosi, но количествените резултати, детайлите и подробният анализ на експеримента в курс на обучениеНе. Няма информация за такива важни, фундаментални резултати в справочни публикации или в курса по история на физиката. Очевидно въпросът за физическата природа на светлината вече е дълбок тил на науката.

Нека се опитаме да реконструираме количествените параметри на експеримента на Яноски, които са логически значими за интерпретацията на резултатите, въз основа на оскъдно описание на подобни експерименти на Биберман, Сушкин и Фабрикант с електрони. Очевидно в експеримента на Janoschi интерферентният модел, получен от кратък светлинен импулс с висок интензитет J B, беше сравнен с модела, получен за дълго време от слаб фотонен поток J M. Значителната разлика между двете разглеждани ситуации е, че в в случай на поток J M взаимодействието на фотоните е в рамките на дифракционното устройство трябва да се изключи.

Тъй като Janosi не намери разлики в моделите на смущения, нека да видим какви условия са необходими за това в рамките на нашия модел.

Преминава фотон с дължина L f = 4,5 m дадена точкапространство във времето τ = L f / C = 4,5 /3ּ10 8 ≈ 1,5ּ10 –8 s. Ако дифракционната система (устройство) има размер от порядъка на 1 m, тогава времето, необходимо на фотон с дължина L f да премине през устройството, ще бъде по-дълго: τ' = (L f + 1) / C ≈ 1,8 ּ10 –8 с.

Външен наблюдател не може да види единични фотони. Опитът за улавяне на фотон го унищожава - няма друг начин да "видите" електрически неутрална частица светлина. Експериментът използва осреднени за времето свойства на светлината, по-специално интензитет (енергия за единица време). За да се предотврати пресичането на фотоните в дифракционното устройство, е необходимо да се разделят в пространството по траекторията на движение, така че времето на преминаване на устройството τ' да е по-малко от времето t, разделящо пристигането на следващите фотони до инсталацията , т.е. τ' 1.8ּ10 –8 s.

При експерименти с електрони средният интервал от време между две частици, последователно преминаващи през дифракционната система, е приблизително 3ü10 4 пъти по-дълъг от времето, прекарано от един електрон, преминаващ през цялото устройство. За точковите частици тази връзка е убедителна.

Опитът със светлина има съществена разлика от опита с електрони. Докато уникалността на електроните може да се контролира чрез леко изкривяване на тяхната енергия, това е невъзможно с фотоните. При експериментите с фотони убеждението, че фотоните са изолирани в пространството, не може да бъде пълно; Статистически е възможно два фотона да пристигнат почти едновременно. Това може да даде слаб модел на смущение за дълго време на наблюдение.

Резултатите от експериментите на Яноски са безспорни, но такова заключение не може да се направи за теорията на опита. Теорията всъщност постулира, че интерференционният модел възниква единствено в резултат на взаимодействието на частиците една с друга на повърхността на екрана. В случай на силни светлинни потоци и наличие на много частици, това интуитивно е най-вероятната причина за появата на смущения, но за слаби светлинни потоци друга причина за появата на периодичност в осветяването на екрана също може да стане значима. Светлината променя посоката си при взаимодействие с твърдо тяло. Ръбовете на процепа, линиите на дифракционната решетка и други препятствия, които причиняват дифракция, са повърхност, която далеч не е идеална, не само по отношение на чистотата на повърхностната обработка. Атомите на повърхностния слой са периодична структура с период, сравним с размера на атома, т.е. периодичността е от ангстрьомов порядък. Разстоянието между двойки снимки вътре в един фотон е L 0 ≈ 10–12 cm, което е с 4 порядъка по-малко. Отражението на фото двойки от периодичната структура на повърхността трябва да доведе до повторяемост на осветени и неосветени области на екрана.

Винаги трябва да има неравенство в посоките на разпространение на отразената светлина, когато се отразява от всяка повърхност, но при силни светлинни потоци само средните характеристики са значими и този ефект не се проявява. При слаби светлинни потоци това може да доведе до осветяване на екрана, което прилича на смущения.

Тъй като размерите на електрона също са много по-малки от размерите на периодичната структура на повърхността на тялото, трябва да възникнат неравномерни посоки на дифракционните частици и за електроните, а за слабите електронни потоци това може да е единствената причина за проявата на вълнови свойства.

По този начин наличието на вълнови свойства в частиците, независимо дали са фотони или електрони, може да се обясни с наличието на вълнови свойства на отразяващата или пречупваща повърхност на дифракционно устройство.

За възможно експериментално потвърждение (или опровергаване) на тази хипотеза могат да се предвидят някои ефекти.

Ефект 1

За силните светлинни потоци основната причина за интерферентните свойства на светлината е периодичната структура на самата светлина, разширен фотон. Двойки снимки от различни фотони или се подобряват една друга на екрана, когато фазата съвпада (вектори rмежду центровете на снимките на взаимодействащи двойки съвпадат по посока) или отслабват в случай на фазово несъответствие (вектори rмежду центровете на снимките не съвпадат по посока). В последния случай двойки снимки от различни фотони не предизвикват съвместно едновременно действие, но попадат в онези места на екрана, където се наблюдава намаляване на осветеността.

Ако екранът е прозрачна плоча, тогава може да се наблюдава следният ефект: минимумът в отразената светлина съответства на максимума в пропускащата светлина. На места, където има минимална осветеност в отразената светлина, също влиза светлина, но тя не се отразява в тези места, а преминава в плочата.

Взаимно допълване на светлината, отразена и предадена през плочата в явлението интерференция - известен факт, описан на теория чрез добре разработен формален математически апарат на вълновия модел на светлината. По-специално, по време на отражение, теорията въвежда загуба на полувълна и това „обяснява“ разликата във фазите на предаваните и отразените компоненти.

Новото в нашия модел е обяснението на физическата природа на това явление. Ние твърдим, че за слаби светлинни потоци, когато се изключи взаимодействието на фотони в дифракционното устройство, съществената причина за формирането на интерферентния модел няма да бъде периодичната структура на самата светлина, а периодичната структура на повърхността на устройство, причиняващо дифракция. В този случай вече няма да има взаимодействие между двойки снимки от различни фотони на повърхността на екрана и намесата трябва да се прояви във факта, че на местата, където светлината попада, ще има максимално осветление, на други места там няма да има светлина. На места с минимално осветление светлината изобщо няма да достигне и това може да се провери липса на взаимно допълване на интерференционната картина за отразена и пропусната светлина.

Ефект 2

Друга възможност за проверка на въпросната прогноза и нашата хипотеза като цяло е тази за слаби светлинни потоци дифракционно устройство от различен материал, характеризиращ се с различна повърхностна плътност на атомите, трябва да даде различен модел на смущение за същото светлинен поток . Тази прогноза също е фундаментално тествана.

Ефект 3

Атомите на повърхността на отразяващо тяло участват в топлинно движение, възли кристална решеткаизпълняват хармонични вибрации. Повишаването на температурата на кристала трябва да доведе до размиване на интерференционната картина в случай на слаби светлинни потоци, тъй като в този случай интерференцията зависи само от периодичната структура на отразяващата повърхност. При силни светлинни потоци влиянието на температурата на дифракционното устройство върху интерферентната картина трябва да е по-слабо, въпреки че не е изключено, тъй като топлинните вибрации на възлите на кристалната решетка трябва да нарушат условието за кохерентност на отразените двойки снимки от различни фотони . Тази прогноза също е фундаментално тествана.

Корпускулярни свойства на светлината

В нашите публикации предложихме термина „структурен модел на фотона“. Анализирайки днес комбинацията от думи, затворени в кавички, тя трябва да се признае за изключително неуспешна. Факт е, че в нашия модел фотонът не съществува като локализирана частица. Квантът на лъчистата енергия, идентифициран в съвременна теорияс фотон, в нашия модел – набор от възбуждания на вакуума, наречени двойки фотони. Възбужденията се разпределят в пространството по посока на движението. Въпреки огромната степен на мащаба на микросвета, поради малкия интервал от време, през който такъв набор от двойки прелита или се сблъсква с всеки микрообект, както и поради относителната инертност на обектите от микросвета, квантите могат да бъдат абсорбирани изцяло от тези микрообекти. Квантовият фотон се възприема като отделна частица само в процеса на такова взаимодействие с микрообекти, когато ефектът от взаимодействието на микрообект с всяка двойка снимки може да се натрупа, например, под формата на възбуждане електронна обвивкаатом или молекула. Светлината проявява корпускулярни свойства в процеса на такова взаимодействие, когато значим, моделно реализиран, теоретично взет под внимание фактор е излъчването или поглъщането на определено дискретно количество светлинна енергия.

Дори формалната представа за енергийните кванти позволи на Планк да обясни характеристиките на излъчването на черното тяло, а Айнщайн да разбере същността на фотоелектричния ефект. Концепцията за дискретни порции енергия помогна да се опише това физични явления, като светлинно налягане, отражение на светлината, дисперсия - това, което вече беше описано на езика на вълновия модел. Идеята за дискретна енергия, а не идеята за точкови частици-фотони, е това, което е наистина съществено в съвременния корпускуларен модел на светлината. Дискретността на енергийния квант позволява да се обяснят спектрите на атомите и молекулите, но локализирането на квантовата енергия в една изолирана частица противоречи на експерименталния факт, че времето на излъчване и времето на поглъщане на енергиен квант от атом е доста голяма в мащаба на микросвета - около 10 -8 s. Ако квантът е локализирана точкова частица, тогава какво се случва с тази частица за време от 10–8 s? Въвеждането на разширен квантов фотон във физическия модел на светлината дава възможност да се разберат качествено не само процесите на излъчване и абсорбция, но и корпускулярните свойства на радиацията като цяло.

Количествени параметри на снимките

В нашия модел основният обект на разглеждане е двойка снимки. В сравнение с размера на фотона (надлъжните размери за видимата светлина са метри), възбуждането на вакуум под формата на двойка снимки може да се счита за точково (надлъжният размер е около 10–14 m). Нека да определим количествено някои параметри на снимката. Известно е, че анихилацията на електрон и позитрон произвежда γ кванти. Нека се родят два γ-кванта. Нека оценим горната граница на техните количествени параметри, като приемем, че енергията на електрона и позитрона е равна на енергията на покой на тези частици:

. (1)

Броят на появилите се двойки снимки е:

. (2)

Общият заряд на всички (–) снимки е равен на –e, където e е зарядът на електрона. Общата такса за всички (+) снимки е +e. Нека изчислим модула на заряда, носен от една снимка:

кл. (3)

Приблизително, без да се взема предвид динамичното взаимодействие на движещи се заряди, можем да приемем, че силата на тяхното електростатично взаимодействие действа като центростремителна сила на въртяща се двойка снимки. Тъй като линейната скорост на въртящите се заряди е равна на C, получаваме (в системата SI):

, (4)

където m 0 / 2 = h E / C 2 – масата на една снимка. От (4) получаваме израза за радиуса на въртене на фото зарядните центрове:

м. (5)

Като се има предвид „електрическото“ напречно сечение на фотон като площта на окръжност S с радиус R El, получаваме:

Работата предоставя формула за изчисляване на напречното сечение на фотона в рамките на QED:

, (7)

където σ се измерва в cm2. Ако приемем ω = 2πν и ν = n (без да вземаме предвид размерността), получаваме оценка на напречното сечение, използвайки метода QED:

. (8)

Разликата с нашата оценка на напречното сечение на фотона е 6 порядъка, или приблизително 9%. Трябва да се отбележи, че нашият резултат за напречното сечение на фотона от ~ 10–65 cm 2 е получен като горна оценка за анихилация на неподвижни частици, а истинският електрон и позитрон имат енергията на движение. Като се вземат предвид кинетична енергиянапречното сечение трябва да бъде по-малко, тъй като във формула (1) енергията на частиците, преобразувана в радиация, ще бъде по-голяма и, следователно, броят на двойките фотони ще бъде по-голям. Изчислената стойност на заряда на една снимка ще бъде по-малка (формула 3), следователно R El (формула 5) и напречното сечение S (формула 6) ще бъдат по-малко. Като вземем това предвид, трябва да признаем нашата оценка за напречното сечение на фотона като приблизително съвпадаща с оценката на QED.

Обърнете внимание, че специфичният заряд на снимка съвпада със специфичния заряд на електрон (позитрон):

. (9)

Ако фот (като електрон) има хипотетично „ядро“, в което е концентриран неговият заряд, и „обвивка“ от нарушен физически вакуум, тогава „електрическото“ напречно сечение на чифт фото не трябва да съвпада с „механичното“ " напречно сечение. Нека центровете на масата на фотоните се въртят по окръжност с радиус R Mech със скорост C. Тъй като C = ωR Mech, получаваме:

. (10)

По този начин дължината на окръжността, по която се въртят центровете на масата на снимките, е равна на дължината на вълната, което е напълно естествено предвид равенството на скоростите на транслация и на въртене в нашата интерпретация на понятието „дължина на вълната“. Но в този случай се оказва, че за фотони, получени в резултат на разгледаната по-горе анихилация, R Mech ≈ 3,8∙10 –13 m ≈ 10 22 ∙R El. Козината от нарушен вакуум около фотоядрата е с гигантски размери в сравнение със самото ядро.

Разбира се, всичко това са доста груби оценки. Всеки нов модел не може да се конкурира по точност със съществуващ модел, който е достигнал зората си. Например, когато се появи хелиоцентричният модел на Коперник, в продължение на около 70 години практически астрономически изчисления се извършваха в съответствие с геоцентричния модел на Птолемей, защото това доведе до по-точен резултат.

Въвеждането на принципно нови модели в науката е не само сблъсък със субективното противопоставяне, но и обективна загуба на точност на изчисленията и прогнозите. Възможни са и парадоксални резултати. Полученото съотношение от порядъци от ~10 22 между електрическите и механичните радиуси на въртене на снимките е не само неочаквано, но и физически неразбираемо. Единственият начин по някакъв начин да разберем получената връзка е да приемем, че въртенето на двойка снимки има вихров характер, тъй като в този случай, ако линейните скорости на компонентите на различни разстояния от центъра на въртене са равни, техните ъглови скорости трябва да е различно.

Интуитивно, вихровият характер на въртенето на обемна структура от тънка среда - физически вакуум, е дори по-разбираем от идеята за въртенето на двойка снимки, напомнящо въртенето на твърдо тяло. Анализът на вихровото движение впоследствие трябва да доведе до ново качествено разбиране на разглеждания процес.

Резултати и изводи

Работата продължава да развива идеи за физическата природа на светлината. Анализирана е физическата природа на двойствеността вълна-частица. Фундаментално проверими ефекти бяха предсказани в експерименти върху интерференцията и дифракцията на слаби светлинни потоци. Извършени са количествени изчисления на механичните и електрически параметри на снимките. Изчислява се напречното сечение на двойка фотони и се прави заключение за вихровата структура на двойката.

Литература

1. Моисеев B.M. Фотонна структура. – Деп. във ВИНИТИ 02.12.98 г., No 445 – B98.

2. Моисеев B.M. Маса и енергия в структурния модел на фотона. – Деп. във ВИНИТИ 01.04.98 г., № 964 – В98.

3. Моисеев B.M. За пълната енергия и маса на тялото в състояние на движение. – Деп. във ВИНИТИ 05/12/98, No 1436 – B98.

4. Моисеев B.M. Фотон в гравитационно поле. – Деп. във ВИНИТИ 10.27.99, No 3171 – B99.

5. Моисеев B.M. Моделиране на фотонната структура. – Кострома: Издателство на KSU им. НА. Некрасова, 2001.

5. Моисеев B.M. Фотонна микроструктура // Доклади на Конгреса-2002 “ Фундаментални проблемиприродни науки и техника”, част III, с. 229–251. – Санкт Петербург, Издателство на Санкт Петербургския държавен университет, 2003 г.

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

8. Сивухин Д.В. Ядрена и ядрена физика. В 2 части Част 1. Атомна физика. – М.: Наука, 1986.

9. Физически енциклопедичен речник. В 5 тома - М.: Съветска енциклопедия, 1960–66.

10. Физика. Голям енциклопедичен речник. – М.: Велика руска енциклопедия, 1999.

11. Кудрявцев П.С. Курс по история на физиката. – М.: Образование, 1974.

12. Ахиезер А.И. Квантова електродинамика / A.I. Ахиезер, В.В. Берестецки - М.: Наука, 1981.

Съдържание

Съдържание 1
- Въведение 2
- 1. Вълнови свойства на светлината 3
  - 1.1 Дисперсия 3
  - 1.2 Смущения 5
  - 1.3 Дифракция. Опитът на Юнг 6
  - 1.4 Поляризация 8
- 2. Квантови свойства на светлината 9
  - 2.1 Фотоелектричен ефект 9
  - 2.2 Ефект на Комптън 10
- Заключение 11

Въведение

Първите идеи на древните учени за това какво е светлината са били много наивни. Имаше няколко гледни точки. Някои вярваха, че специални тънки пипала излизат от очите и зрителните впечатления възникват, когато усещат предмети. Тази гледна точка имаше голямо числопоследователи, сред които Евклид, Птолемей и много други учени и философи. Други, напротив, вярваха, че лъчите се излъчват от светещо тяло и достигайки до човешкото око, носят отпечатъка на светещия обект. Тази гледна точка се поддържа от Лукреций и Демокрит.

В същото време Евклид формулира закона за праволинейното разпространение на светлината. Той пише: „Лъчите, излъчвани от очите, се движат по прав път.“

По-късно обаче, вече през Средновековието, тази идея за природата на светлината губи смисъла си. Все по-малко са учените, които следват тези възгледи. И към началото на XVII в V. тези гледни точки могат да се считат за вече забравени.

През 17 век почти едновременно възникват и започват да се развиват две напълно различни теории за това какво е светлината и каква е нейната природа.

Една от тези теории е свързана с името на Нютон, а другата с името на Хюйгенс.

Нютон се придържа към така наречената корпускулярна теория за светлината, според която светлината е поток от частици, идващи от източник във всички посоки (пренос на материя).

Според идеите на Хюйгенс светлината е поток от вълни, разпространяващи се в специална, хипотетична среда - етер, изпълващ цялото пространство и проникващ във всички тела.

И двете теории съществуваха паралелно дълго време. Никой от тях не можа да спечели решителна победа. Само авторитетът на Нютон принуди повечето учени да дадат предпочитание на корпускулярната теория. Законите за разпространение на светлината, известни по това време от опит, бяха повече или по-малко успешно обяснени от двете теории.

Въз основа на корпускулярната теория беше трудно да се обясни защо светлинните лъчи, пресичащи се в пространството, не действат един върху друг. В крайна сметка светлинните частици трябва да се сблъскат и разпръснат.

Вълновата теория лесно обясни това. Вълните, например на повърхността на водата, преминават свободно една през друга, без да си оказват взаимно влияние.

Въпреки това, праволинейното разпространение на светлината, което води до образуването на резки сенки зад обекти, е трудно да се обясни въз основа на вълновата теория. Според корпускулярната теория праволинейното разпространение на светлината е просто следствие от закона за инерцията.

Тази несигурност по отношение на природата на светлината продължава до началото на XIXвекове, когато са открити явленията дифракция на светлината (огъване на светлината около препятствия) и интерференция на светлината (увеличаване или отслабване на осветеността, когато светлинните лъчи се наслагват един върху друг). Тези явления са присъщи изключително на вълновото движение. Те не могат да бъдат обяснени с помощта на корпускулярната теория. Следователно изглеждаше, че вълновата теория спечели окончателна и пълна победа.

Тази увереност беше особено засилена, когато Максуел показа през втората половина на 19 век, че има светлина специален случайелектромагнитни вълни. Работата на Максуел полага основите на електромагнитната теория на светлината.

След експерименталното откритие на електромагнитните вълни от Херц, няма съмнение, че когато светлината се разпространява, тя се държи като вълна.

В началото на 19 век обаче идеите за природата на светлината започват радикално да се променят. Неочаквано се оказва, че отхвърлената корпускулярна теория все пак е свързана с реалността.

Когато се излъчва и абсорбира, светлината се държи като поток от частици.

Открити са прекъснатите, или както се казва, квантови свойства на светлината. Възникна необичайна ситуация: явленията интерференция и дифракция все още могат да бъдат обяснени, като светлината се разглежда като вълна, а явленията излъчване и абсорбция, като се разглежда светлината като поток от частици. През 30-те години на 20 век тези две на пръв поглед несъвместими идеи за природата на светлината са успешно съчетани в нова изключителна физическа теория- квантова електродинамика.

1. Вълнови свойства на светлината

1.1 Дисперсия

Докато подобрява телескопите, Нютон забелязва, че изображението, създадено от лещата, е оцветено в краищата. Той се заинтересува от това и беше първият, който „изследва разнообразието от светлинни лъчи и произтичащите от това характеристики на цветовете, което никой не беше правил преди“ (думи от надписа на гроба на Нютон). Основният експеримент на Нютон беше брилянтно прост. Нютон се досеща да насочи светлинен лъч с малко напречно сечение към призма. кок слънчева светлинавлезе в тъмната стая през малка дупка в капака. Падайки върху стъклена призма, той се пречупваше и даваше продълговато изображение с дъговидно редуване на цветове на отсрещната стена. Следвайки вековната традиция, според която дъгата се е смятала за съставена от седем основни цвята, Нютон също идентифицира седем цвята: виолетов, син, циан, зелен, жълт, оранжев и червен. Нютон нарече ивицата на дъгата спектър.

Покривайки дупката с червено стъкло, Нютон наблюдава само червено петно на стената, покривайки го със синьо-синьо и т.н. От това следва, че не призмата оцветява бялата светлина, както се смяташе преди. Призмата не променя цвета си, а само го разлага на съставните части. Бялата светлина има сложна структура. От него е възможно да се изолират гроздове от различни цветове и само тяхното комбинирано действие ни създава впечатление за бял цвят. Всъщност, ако използвате втора призма, завъртяна на 180 градуса спрямо първата. Съберете всички лъчи на спектъра, след което отново ще получите бяла светлина. След като изолираме която и да е част от спектъра, например зелено, и принудим светлината да премине през друга призма, вече няма да получим допълнителна промяна в цвета.

Друг важен извод, до който стигнал Нютон, беше формулиран от него в неговия трактат по „Оптика“, както следва: „Светлинните лъчи, които се различават по цвят, се различават по степен на пречупване.“ Виолетовите лъчи се пречупват най-силно, а червените по-малко. Зависимостта на показателя на пречупване на светлината от нейния цвят се нарича дисперсия (от латинската дума Dispergo - разсейвам).

По-късно Нютон подобрява своите наблюдения на спектъра, за да получи по-чисти цветове. В края на краищата кръглите цветни петна на светлинния лъч, преминаващ през призмата, частично се припокриват. Вместо кръгъл отвор е използван тесен процеп (А), осветен от ярък източник. Зад процепа имаше леща (B), даваща изображение на екрана (D) под формата на тясна бяла ивица. Ако на пътя на лъчите се постави призма (C), изображението на процепа ще се разтегне в спектър, цветна ивица, цветни преходи, в които от червено към виолетово са подобни на тези, наблюдавани в дъгата. Експериментът на Нютон е показан на фиг. 1

Фиг. 1

Ако покриете празнината с цветно стъкло, т.е. ако насочите цветна светлина вместо бяла светлина към призмата, изображението на процепа ще бъде намалено до цветен правоъгълник, разположен на съответното място в спектъра, т.е. В зависимост от цвета, светлината ще се отклонява под различни ъгли от оригиналното изображение. Описаните наблюдения показват, че лъчите от различни цветове се пречупват по различен начин от призмата.

Нютон потвърди това важно заключение чрез много експерименти. Най-важното от тях беше да се определи коефициентът на пречупване на лъчите с различни цветове, изолирани от спектъра. За целта в екрана е изрязан отвор, върху който се получава спектърът; Чрез преместване на екрана беше възможно да се освободи тесен лъч от лъчи от един или друг цвят през отвора. Този метод за изолиране на еднакви лъчи е по-напреднал от изолирането с помощта на цветно стъкло. Експериментите са открили, че такъв отделен лъч, пречупен във втора призма, вече не разтяга лентата. Такъв лъч съответства на определен индекс на пречупване, чиято стойност зависи от цвета на избрания лъч.

По този начин основните експерименти на Нютон съдържат две важни открития:

1. Светлината от различни цветове се характеризира с различни показатели на пречупване в дадено вещество (дисперсия).

2. Белият цвят е колекция от прости цветове.

Като знаем, че бялата светлина има сложна структура, можем да обясним удивителното разнообразие от цветове в природата. Ако даден предмет, например лист хартия, отразява всички лъчи от различни цветове, падащи върху него, тогава той ще изглежда бял. Покривайки хартия със слой боя, ние не създаваме нов цвят на светлината, а запазваме част от съществуващата светлина върху листа. Сега ще се отразяват само червени лъчи, останалите ще бъдат погълнати от слоя боя. Тревата и листата на дърветата ни изглеждат зелени заради всички листа, които падат върху тях слънчеви лъчите отразяват само зелените, поглъщайки останалите. Ако погледнете тревата през червено стъкло, което пропуска само червени лъчи, тя ще изглежда почти черна.

Сега знаем, че различните цветове съответстват на различни дължини на вълната на светлината. Следователно първото откритие на Нютон може да се формулира по следния начин: коефициентът на пречупване на дадено вещество зависи от дължината на вълната на светлината. Обикновено се увеличава с намаляване на дължината на вълната.

1.2 Смущения

Интерференцията на светлината се наблюдава от много дълго време, но те не са били наясно с това. Мнозина са виждали модел на смущения, когато като деца са се забавлявали да издухват сапунени мехури или да гледат цветовете на дъгата на тънък слой керосин върху повърхността на водата. Именно намесата на светлината прави сапунения мехур толкова възхитителен.

Английският учен Томас Йънг е първият, който излезе с гениалната идея за възможността да се обяснят цветовете на тънките филми чрез добавяне на две вълни, едната от които (А) се отразява от външната повърхност на филма, и втората (B) от вътрешната (фиг. 2)

Фиг.2

В този случай възниква интерференция на светлинни вълни - събиране на две вълни, в резултат на което се наблюдава увеличаване или намаляване на получените светлинни вибрации в различни точки на пространството. Резултатът от интерференцията (усилване или отслабване на получените вибрации) зависи от дебелината на филма и дължината на вълната. Усилване на светлината ще настъпи, ако пречупена вълна 2 (отразена от вътрешната повърхност на филма) изостава от вълна 1 (отразена от външната повърхност на филма) с цял брой дължини на вълната. Ако втората вълна изостава от първата с половин дължина на вълната или нечетен брой полувълни, тогава светлината ще отслабне.

За да се образува стабилна интерферентна картина при добавяне на вълни, вълните трябва да са кохерентни, т.е. трябва да има същата дължинавълни и постоянна фазова разлика. Кохерентността на вълните, отразени от външната и вътрешната повърхност на филма, се осигурява от факта, че и двете са части от един и същ светлинен лъч. Вълните, излъчвани от два обикновени независими източника, не дават модел на смущение поради факта, че фазовата разлика между двете вълни от такива източници не е постоянна.

Юнг също осъзна, че разликите в цвета се дължат на разликите в дължината на вълната (или честотата на светлинните вълни). Светлинните потоци с различни цветове съответстват на вълни с различна дължина. За взаимно усилване на вълни, които се различават една от друга по дължина, са необходими различни дебелини на филма. Следователно, ако филмът има различна дебелина, тогава при осветяване с бяла светлина трябва да се появят различни цветове.

1.3 Дифракция. Опитът на Юнг

Дифракцията на светлината в тесния смисъл е феноменът на огъване на светлината около препятствия и навлизане в областта на геометрична сянка; в широк смисъл, всяко отклонение в разпространението на светлината от законите на геометричната оптика.

Дефиницията на Зомерфелд: под дифракция на светлината се разбира всяко отклонение от праволинейното разпространение, ако не може да се обясни в резултат на отражение, пречупване или огъване на светлинни лъчи в среда с непрекъснато променящ се индекс на пречупване.

През 1802г Йънг, който открива интерференцията на светлината, извършва класически експеримент за дифракция (фиг. 3).

Фиг.3

В непрозрачния екран той проби с карфица две малки дупки B и C, на малко разстояние една от друга. Тези дупки бяха осветени от тесен лъч светлина, който на свой ред премина през малък отвор А в друг екран. Именно тази подробност, която тогава беше много трудна за измисляне, реши успеха на експеримента. Само кохерентни вълни пречат. Сферична вълна, възникваща в съответствие с принципа на Хюйгенс от дупка A, възбужда кохерентни трептения в дупки B и C. В резултат на дифракция от отвори B и C излязоха два светлинни конуса, които частично се припокриха. В резултат на интерференцията на светлинните вълни на екрана се появиха редуващи се светли и тъмни ивици. Затваряйки една от дупките, Йънг открива, че интерферентните ивици изчезват. Именно с помощта на този експеримент Йънг за първи път измерва дължините на вълните, съответстващи на светлинни лъчи с различни цветове, и то доста точно.

Изследването на дифракцията е завършено в трудовете на Френел. Той изследва подробно експериментално различни функции на дифракцията и конструира количествена теория на дифракцията, която позволява да се изчисли дифракционната картина, която възниква, когато светлината се огъва около всякакви препятствия.

Използвайки теорията на дифракцията, проблеми като защита от шум с помощта на акустични екрани, разпространение на радиовълни над земната повърхност, работа на оптични инструменти (тъй като изображението, дадено от леща, винаги е дифракционна картина), измервания на качеството на повърхността, изследване на структурата на материята и много други са решени.

1.4 Поляризация

Нови свойства за природата на светлинните вълни са показани чрез експерименти върху преминаването на светлина през кристали, по-специално през турмалин.

Да вземем две еднакви правоъгълни турмалинови пластини, изрязани така, че една от страните на правоъгълника да съвпада с определена посока вътре в кристала, наречена оптична ос. Нека поставим една плоча върху друга, така че осите им да съвпадат по посока, и да прекараме тесен лъч светлина от фенер или слънце през сгънатата двойка плочи. Турмалинът е кафяво-зелен кристал; следата от предавания лъч ще се появи на екрана като тъмнозелено петно. Нека започнем да въртим една от плочите около гредата, оставяйки втората неподвижна. Ще открием, че следата от лъча става по-слаба и когато плочата се завърти на 90 0, тя напълно ще изчезне. При по-нататъшно завъртане на плочата късата светлина отново ще започне да се усилва и ще достигне предишния си интензитет, когато плочата се завърти на 180 0, т.е. Кога оптични осиплочите отново ще бъдат успоредни. При по-нататъшно въртене на турмалина лъчът отново отслабва.

От тези явления могат да се направят следните изводи:

1. Светлинните вибрации в лъча са насочени перпендикулярно на линията на разпространение на светлината (светлинните вълни са напречни).

2. Турмалинът е способен да предава светлинни вибрации само когато те са насочени по определен начин спрямо неговата ос.

3. В светлината на фенер (слънцето) се представят напречни вибрации във всяка посока и освен това в същата пропорция, така че нито една посока не е преобладаваща.

Заключение 3 обяснява защо естествената светлина преминава през турмалина в същата степен във всяка ориентация, въпреки че турмалинът, според заключение 2, е в състояние да предава светлинни вибрации само в определена посока. Преминаването на естествена светлина през турмалина води до избиране само на онези напречни вибрации, които могат да бъдат предадени от турмалина. Следователно светлината, преминаваща през турмалина, ще бъде набор от напречни вибрации в една посока, определени от ориентацията на оста на турмалина. Такава светлина ще наричаме линейно поляризирана, а равнината, съдържаща посоката на трептене и оста на светлинния лъч - равнина на поляризация.

Сега става ясен експериментът с преминаването на светлина през две последователно поставени турмалинови пластини. Първата плоча поляризира светлинния лъч, преминаващ през нея, оставяйки го да трепти само в една посока. Тези вибрации могат да преминат през втория турмалин напълно само ако посоката им съвпада с посоката на вибрациите, предавани от втория турмалин, т.е. когато оста му е успоредна на оста на първия. Ако посоката на вибрациите в поляризирана светлина е перпендикулярна на посоката на вибрациите, предавани от втория турмалин, тогава светлината ще бъде напълно забавена. Ако посоката на вибрациите в поляризирана светлина е остър ъгълс посоката, предавана от турмалина, вибрациите ще бъдат пропуснати само частично.

2. Квантови свойства на светлината

2.1 Фотоелектричен ефект

През 1887г Германският физик Херц обясни феномена на фотоелектричния ефект. Основата за това е хипотезата на Планк за квантите.

Феноменът на фотоелектрическия ефект се открива чрез осветяване на цинкова пластина, свързана към пръта на електрометър. Ако положителен заряд се прехвърли върху плочата и пръта, тогава електрометърът не се разрежда, когато плочата е осветена. Когато на плочата се придаде отрицателен електрически заряд, електрометърът се разрежда веднага щом удари плочата. ултравиолетова радиация. Този експеримент доказва, че под въздействието на светлина от повърхността на метална плоча може да се освободи отрицателна енергия. електрически заряди. Измерването на заряда и масата на частиците, изхвърлени от светлината, показа, че тези частици са електрони.

Правени са опити да се обяснят законите на външния фотоелектричен ефект въз основа на вълновите концепции за светлината. Според тези идеи механизмът на фотоелектричния ефект изглежда така. Лека вълна пада върху метала. Електроните, разположени в нейния повърхностен слой, поглъщат енергията на тази вълна, като тяхната енергия постепенно нараства. Когато стане по-голяма от работната функция, електроните започват да излитат от метала. По този начин се предполага, че вълновата теория на светлината е в състояние да обясни качествено феномена на фотоелектричния ефект.

Изчисленията обаче показаха, че с това обяснение времето между началото на осветяването на метала и началото на излъчването на електрони трябва да бъде от порядъка на десет секунди. Междувременно от опит следва, че t<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Според вълновата теория кинетичната енергия на фотоелектроните трябва да нараства с увеличаване на интензитета на падащата върху метала светлина. И интензитетът на вълната се определя от амплитудата на колебанията на напрежението E, а не от честотата на светлината. (Само броят на нокаутираните електрони и силата на тока на насищане зависят от интензитета на падащата светлина.)

От вълновата теория следва, че енергията, необходима за изтръгване на електрони от метал, може да бъде осигурена от излъчване с всякаква дължина на вълната, ако нейният интензитет е достатъчно висок, т.е. че фотоелектричният ефект може да бъде предизвикан от всяко светлинно лъчение. Има обаче червена граница на фотоелектричния ефект, т.е. Енергията, получена от електроните, зависи не от амплитудата на вълната, а от нейната честота.

Така опитите да се обяснят законите на фотоелектричния ефект въз основа на вълновите концепции за светлината се оказват несъстоятелни.

2.2 Ефект на Комптън

Ефектът на Комптън е промяна в честотата или дължината на вълната на фотоните, когато те се разпръснат от електрони и нуклони. Този ефект не се вписва в рамката на вълновата теория, според която дължината на вълната не трябва да се променя по време на разсейване: под въздействието на периодичното поле на светлинна вълна електронът осцилира с честотата на полето и следователно излъчва разсеяни вълни със същата честота.

Ефектът на Комптън се различава от фотоелектричния ефект по това, че фотонът не предава напълно енергията си на частиците на веществото. Специален случай на ефекта на Комптън е разсейването на рентгеновите лъчи върху електронните обвивки на атомите и разсейването на гама-лъчите върху атомните ядра. В най-простия случай ефектът на Комптън е разсейване на монохроматични рентгенови лъчи от леки вещества (графит, парафин и др.) и при теоретично разглеждане на този ефект в този случай електронът се счита за свободен.

Обяснение на ефекта на Комптън е дадено на базата на квантови концепции за природата на светлината. Ако приемем, както прави квантовата теория, че излъчването е от корпускуларен характер.

Ефектът на Комптън се наблюдава не само върху електрони, но и върху други заредени частици, като протони, но поради голямата маса на протона, неговият откат е „видим“ само когато се разпръснат фотони с много висока енергия.

Както ефектът на Комптън, така и фотоелектричният ефект, основан на квантовите концепции, са причинени от взаимодействието на фотони с електрони. В първия случай фотонът се разсейва, във втория се поглъща. Разсейването възниква, когато фотон взаимодейства със свободни електрони, а фотоелектричният ефект възниква със свързани електрони. Може да се покаже, че когато фотон се сблъска със свободни електрони, не може да настъпи поглъщане на фотона, тъй като това е в конфликт със законите за запазване на импулса и енергията. Следователно, когато фотоните взаимодействат със свободните електрони, може да се наблюдава само тяхното разсейване, т.е. Комптън ефект.

Заключение

Явленията интерференция, дифракция, поляризация на светлината от конвенционални източници на светлина неопровержимо показват вълновите свойства на светлината. Но дори и при тези явления, при подходящи условия, светлината проявява корпускулярни свойства. От своя страна, законите на топлинното излъчване на телата, фотоелектричния ефект и други безспорно показват, че светлината не се държи като непрекъсната, разширена вълна, а като поток от "букове" (порции, кванти) енергия, т.е. като поток от частици – фотони.

Така светлината съчетава непрекъснатостта на вълните и дискретността на частиците. Ако вземем предвид, че фотоните съществуват само когато се движат (със скорост c), тогава стигаме до извода, че светлината има едновременно вълнови и корпускулярни свойства. Но в някои явления, при определени условия, или вълновите, или корпускулните свойства играят основна роля и светлината може да се разглежда или като вълна, или като частици (корпускули).

Списък на използваната литература

1. Яворски Б.М. Детлаф А.А. Наръчник по физика. - М.: Наука 2002.

2. Трофимова Т.И. Курс по физика - М.: Висше училище 2001.

3. Гурски И.П. Елементарна физика, изд. И.В. Савелиева - М.: Образование 1984г

4. Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика - М.: Образование 1982.

Първите идеи на древните учени за това какво е светлината са били много наивни. Имаше няколко гледни точки. Някои вярваха, че специални тънки пипала излизат от очите и зрителните впечатления възникват, когато усещат предмети. Тази гледна точка има голям брой последователи, сред които Евклид, Птолемей и много други учени и философи. Други, напротив, вярваха, че лъчите се излъчват от светещо тяло и достигайки до човешкото око, носят отпечатъка на светещия обект. Тази гледна точка се поддържа от Лукреций и Демокрит.

По-късно обаче, вече през Средновековието, тази идея за природата на светлината губи смисъла си. Все по-малко са учените, които следват тези възгледи. И до началото на 17 век. тези гледни точки могат да се считат за вече забравени.

Една от тези теории е свързана с името на Нютон, а другата с името на Хюйгенс.

И двете теории съществуваха паралелно дълго време. Никой от тях не успя да спечели решителна победа. Само авторитетът на Нютон принуди повечето учени да дадат предпочитание на корпускулярната теория. Законите за разпространение на светлината, известни по това време от опит, бяха повече или по-малко успешно обяснени от двете теории.

Тази несигурна позиция по отношение на природата на светлината се запазва до началото на 19 век, когато са открити явленията дифракция на светлината (огъване на светлината около препятствия) и интерференция на светлината (увеличаване или отслабване на осветеността, когато светлинните лъчи се наслагват един върху друг). Тези явления са присъщи изключително на вълновото движение. Те не могат да бъдат обяснени с помощта на корпускулярната теория. Следователно изглеждаше, че вълновата теория спечели окончателна и пълна победа.

Тази увереност беше особено засилена, когато Максуел показа през втората половина на 19 век, че светлината е специален случай на електромагнитните вълни. Работата на Максуел полага основите на електромагнитната теория на светлината.

Когато се излъчва и абсорбира, светлината се държи като поток от частици.

Открити са прекъснатите, или както се казва, квантови свойства на светлината. Възникна необичайна ситуация: явленията интерференция и дифракция все още могат да бъдат обяснени, като светлината се разглежда като вълна, а явленията излъчване и абсорбция, като се разглежда светлината като поток от частици. През 30-те години на 20-ти век тези две на пръв поглед несъвместими идеи за природата на светлината успяха да бъдат обединени по последователен начин в нова изключителна физическа теория - квантовата електродинамика.

1. Вълнови свойства на светлината

Докато подобрява телескопите, Нютон забелязва, че изображението, създадено от лещата, е оцветено в краищата. Той се заинтересува от това и беше първият, който „изследва разнообразието от светлинни лъчи и произтичащите от това характеристики на цветовете, което никой не беше правил преди“ (думи от надписа на гроба на Нютон). Основният експеримент на Нютон беше брилянтно прост. Нютон се досеща да насочи светлинен лъч с малко напречно сечение към призма. Слънчев лъч влезе в затъмнената стая през малък отвор на капака. Падайки върху стъклена призма, той се пречупваше и даваше продълговато изображение с дъговидно редуване на цветове на отсрещната стена. Следвайки вековната традиция, според която дъгата се е смятала за съставена от седем основни цвята, Нютон също идентифицира седем цвята: виолетов, син, циан, зелен, жълт, оранжев и червен. Нютон нарече ивицата на дъгата спектър.

Друго важно заключение, до което Нютон стигна, беше формулирано от него в трактата му за „Оптика“, както следва: „Светлинните лъчи, които се различават по цвят, се различават по степен на пречупване.“ Виолетовите лъчи се пречупват най-силно, червените лъчи по-малко от останалите. Зависимостта на показателя на пречупване на светлината от нейния цвят се нарича дисперсия (от латинската дума Dispergo - разсейвам).

По този начин основните експерименти на Нютон съдържат две важни открития:

2. Белият цвят е колекция от прости цветове.

Английският учен Томас Йънг е първият, който излезе с гениалната идея за възможността да се обяснят цветовете на тънките филми чрез добавянето на две вълни, едната от които (А) се отразява от външната повърхност на филм, а вторият (B) от вътрешната (фиг. 2)

За да се образува стабилна интерферентна картина при добавяне на вълни, вълните трябва да са кохерентни, т.е. трябва да има еднаква дължина на вълната и постоянна фазова разлика. Кохерентността на вълните, отразени от външната и вътрешната повърхност на филма, се осигурява от факта, че и двете са части от един и същ светлинен лъч. Вълните, излъчвани от два обикновени независими източника, не дават модел на смущение поради факта, че фазовата разлика между двете вълни от такива източници не е постоянна.

Да вземем две еднакви правоъгълни турмалинови пластини, изрязани така, че една от страните на правоъгълника да съвпада с определена посока вътре в кристала, наречена оптична ос. Нека поставим една плоча върху друга, така че осите им да съвпадат по посока, и да прекараме тесен лъч светлина от фенер или слънце през сгънатата двойка плочи. Турмалинът е кафяво-зелен кристал; следата от предавания лъч ще се появи на екрана като тъмнозелено петно. Нека започнем да въртим една от плочите около гредата, оставяйки втората неподвижна. Ще открием, че следата от лъча става по-слаба и когато плочата се завърти на 90 0, тя напълно ще изчезне. При по-нататъшно завъртане на плочата късата светлина отново ще започне да се усилва и ще достигне предишния си интензитет, когато плочата се завърти на 180 0, т.е. когато оптичните оси на плочите отново са успоредни. При по-нататъшно въртене на турмалина лъчът отново отслабва.

От тези явления могат да се направят следните изводи:

Сега става ясен експериментът с преминаването на светлина през две последователно поставени турмалинови пластини. Първата плоча поляризира светлинния лъч, преминаващ през нея, оставяйки го да трепти само в една посока. Тези вибрации могат да преминат през втория турмалин напълно само ако посоката им съвпада с посоката на вибрациите, предавани от втория турмалин, т.е. когато оста му е успоредна на оста на първия. Ако посоката на вибрациите в поляризирана светлина е перпендикулярна на посоката на вибрациите, предавани от втория турмалин, тогава светлината ще бъде напълно забавена. Ако посоката на вибрациите в поляризирана светлина прави остър ъгъл с посоката, предавана от турмалина, тогава вибрациите ще бъдат предадени само частично.

2. Квантови свойства на светлината

Феноменът на фотоелектрическия ефект се открива чрез осветяване на цинкова пластина, свързана към пръта на електрометър. Ако положителен заряд се прехвърли върху плочата и пръта, тогава електрометърът не се разрежда, когато плочата е осветена. Чрез предаване на отрицателен електрически заряд на плочата, електрометърът се разрежда веднага щом ултравиолетовото лъчение удари плочата. Този експеримент доказва, че отрицателните електрически заряди могат да бъдат освободени от повърхността на метална плоча под въздействието на светлина. Измерването на заряда и масата на частиците, изхвърлени от светлината, показа, че тези частици са електрони.

Заключение

Списък на използваната литература

1. Яворски Б.М. Детлаф А.А. Наръчник по физика. – М.: Наука 2002.

2. Трофимова Т.И. Курс по физика - М.: Висше училище 2001.

3. Гурски И.П. Елементарна физика, изд. И.В. Савелиева - М.: Образование 1984г

4. Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика - М.: Образование 1982.

През 1900 г. е публикувана работата на М. Планк, посветена на проблема за топлинното излъчване на телата. М. Планк моделира материята като набор от хармонични осцилатори с различни честоти. Приемайки, че излъчването не се случва непрекъснато, а на порции - кванти, той получава формула за разпределение на енергията в спектъра на топлинното излъчване, която е в добро съответствие с експерименталните данни

където h е константата на Планк, k е константата на Болцман, T е температурата, ν е честотата на излъчване.

Така за първи път във физиката се появява нова фундаментална константа – константата на Планк. Хипотезата на Планк за квантовата природа на топлинното излъчване противоречи на основите на класическата физика и показа границите на нейната приложимост.
Пет години по-късно А. Айнщайн, обобщавайки идеята на М. Планк, показа, че квантуването е общо свойство на електромагнитното излъчване. Според Айнщайн електромагнитното излъчване се състои от кванти, по-късно наречени фотони. Всеки фотон има определена енергия и импулс:

E = hν, = (h/λ),

където λ и ν са дължината на вълната и честотата на фотона и е единичният вектор в посоката на разпространение на вълната.

Идеята за квантуване на електромагнитното излъчване направи възможно обяснението на законите на фотоелектричния ефект, изследван експериментално от Г. Херц и А. Столетов. Въз основа на квантовата теория А. Комптън през 1922 г. обяснява явлението еластично разсейване на електромагнитно излъчване от свободни електрони, придружено от увеличаване на дължината на вълната на светлината. Откриването на двойствената природа на електромагнитното излъчване - дуалността вълна-частица - оказа значително влияние върху развитието на квантовата физика и обяснението на природата на материята.

През 1924 г. Луи дьо Бройл излага хипотеза за универсалността на двойствеността вълна-частица. Според тази хипотеза не само фотоните, но и всякакви други частици на материята, наред с корпускулярните, също имат вълнови свойства. Връзките, свързващи корпускулярните и вълновите свойства на частиците, са същите като тези, установени по-рано за фотоните

E = h = ω , = , |p| = h/λ /,

където h = 2π, ω = 2πν, = 2π е дължината на вълната (de Broglie), която може да се сравни с частицата. Вълновият вектор е ориентиран по посока на движението на частиците. Директни експерименти, потвърждаващи идеята за двойствеността на частиците и вълната на частиците, бяха експерименти, проведени през 1927 г. от К. Дейвисън и Л. Гермър върху електронна дифракция върху монокристал на никел. По-късно се наблюдава дифракция на други микрочастици. Понастоящем методът на дифракция на частиците се използва широко при изследване на структурата и свойствата на материята.
Експерименталното потвърждение на идеята за двойствеността на вълната и частиците доведе до преразглеждане на обичайните идеи за движението на частиците и метода за описание на частиците. Класическите материални точки се характеризират с движение по определени траектории, така че техните координати и моменти са точно известни във всеки един момент от времето. За квантовите частици това твърдение е неприемливо, тъй като за квантовата частица импулсът на частицата е свързан с нейната дължина на вълната и да се говори за дължина на вълната в дадена точка от пространството е безсмислено. Следователно за една квантова частица е невъзможно едновременно да се определят точно стойностите на нейните координати и импулс. Ако една частица заема точно определена позиция в пространството, тогава нейният импулс е напълно несигурен и обратното, частица с определен импулс има напълно несигурна координата. Несигурността в стойността на координатата на частицата Δ x и несигурността в стойността на компонента на импулса на частицата Δ p x са свързани с установената връзка на несигурност

Основните характеристики на светлината като вълнов процес са честотата n и дължината на вълната l. Корпускулярните свойства на светлината се характеризират с фотони. Всеки фотон има енергия

e f = hn, (5.1)

и импулс

. (5.3)

Формула (5.3) установява връзката между вълновите и корпускулярните свойства на светлината.

В тази връзка възникна предположението, че двойствената природа е присъща не само на светлината, но и на частиците на материята, по-специално на електрона. През 1924 г. Луи де Бройл предлага следната хипотеза: вълнов процес е свързан с електрон, чиято дължина на вълната е равна на

където h = 6,63 × 10 –34 J × s е константата на Планк, m е масата на електрона, v е скоростта на електрона.

Изчисленията показват, че дължината на вълната, свързана с движещ се електрон, е от същия порядък като дължината на вълната на рентгеновите лъчи (10 –10 ¸ 10 –13 m).

От формулата на де Бройл (5.4) става ясно, че вълновите свойства на частиците са значими само в случаите, когато стойността на константата на Планк h не може да бъде пренебрегната. Ако при условията на тази задача можем да приемем, че h ® 0, тогава както l®0, така и вълновите свойства на частиците могат да бъдат пренебрегнати.

5.2. Експериментално обосноваване на корпускулярно-вълновия дуализъм

Хипотезата на Де Бройл получава експериментално потвърждение в експериментите на К. Дейвисън и Л. Гермър (1927), П.С. Тартаковски (1927), Л.М. Биберман, Н.Г. Сушкин и В.А. Фабрикант (1949) и др.

В експериментите на Дейвисън и Джермър (фиг. 5.1) електрони от електронна пушка са насочени в тесен лъч върху никелов кристал, чиято структура е добре известна.

Фиг.5.1. Диаграма на експеримента на Дейвисън и Гермър

Отразените от повърхността на кристала електрони влизали в приемник, свързан с галванометър. Приемникът се движеше по дъга и улавяше електрони, отразени под различни ъгли. Колкото повече електрони удрят приемника, толкова по-голям ток се записва от галванометъра.

Оказа се, че при даден ъгъл на падане на електронния лъч и промяна на потенциалната разлика U, ускоряваща електроните, токът I не се променя монотонно, а има серия от максимуми (фиг. 5.2).

Фиг.5.2. Зависимост на силата на тока от ускоряващата потенциална разлика в експериментите на Дейвисън и Гермер

Получената графика предполага, че отражението на електроните се случва не при всякакви, а при строго определени стойности на U, т.е. при строго определени скорости v на електроните. Тази зависимост може да се обясни само въз основа на представите за електронните вълни.

За да направим това, ние изразяваме скоростта на електрона по отношение на ускоряващото напрежение:

и намерете дължината на вълната на де Бройл на електрона:

(5.6)

За електронните вълни, отразени от кристал, както и за рентгеновите лъчи трябва да бъде изпълнено условието на Wulff-Bragg:

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

където d е константата на кристалната решетка, q е ъгълът между падащия лъч и кристалната повърхност.

Замествайки (5.6) в (5.7), намираме тези стойности на ускоряващото напрежение, които съответстват на максималното отражение и следователно на максималния ток през галванометъра:

(5.8)

Стойностите на U, изчислени с помощта на тази формула при q=const, са в отлично съответствие с експерименталните резултати на Davisson и Germer.

В експериментите на P.S. Кристалът Тартаковски беше заменен с тънък филм с поликристална структура (фиг. 5.3).

Фиг.5.3. Схема на експериментите P.S. Тартаковски

Електроните, разпръснати от филма, създават дифракционни кръгове на екрана. Подобна картина се наблюдава при разсейване на рентгеновите лъчи от поликристали. От диаметрите на дифракционните кръгове може да се определи дължината на вълната на де Бройл l на електроните. Ако l е известно, тогава дифракционната картина ни позволява да преценим структурата на кристала. Този метод за изследване на структурата се нарича електронография.

Л.М. Биберман, Н.Г. Сушкин и В.А. Производителят проведе експерименти върху дифракцията на единични, последователно летящи електрони. Отделни електрони удрят различни точки на екрана, привидно произволно разпръснати. Въпреки това, когато се разпръсква голям брой електрони, беше открито, че точките, където електроните удрят екрана, се разпределят по такъв начин, че образуват максимуми и минимуми, т.е. при продължителна експозиция се получава същата дифракционна картина като тази, получена от електронен лъч. Това показва, че всеки отделен електрон има вълнови свойства.

Дифракционни явления се наблюдават при експерименти не само с електрони, но и с протони, неутрони, атомни и молекулни лъчи.