Proprietăți fizice corpusculare. Proprietățile corpusculare și ondulatorii ale particulelor. Principiul incertitudinii. Parametrii cantitativi ai fotografiilor

Proprietățile ondulatorii și corpusculare ale luminii - pagina Nr. 1/1

UNDE ȘI PROPRIETĂȚI PARTICULARE ALE LUMINII

© Moiseev B.M., 2004

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

Este logic posibil să se considere lumina ca o secvență periodică de excitații a vidului fizic. 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 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 cuantumului de radiație a fost construit formal și încă nu există o înțelegere clară a naturii fizice a cuantumului de radiație.

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 viteză constantă față de vid, independent de viteza sursei de lumină. Pentru un observator, viteza unui foton depinde de viteza observatorului în raport cu un vid, modelat logic ca spațiu absolut.

2. Excitația elementară a vidului este o pereche de fotografii, un dipol format din două particule încărcate (+) și (–). Dipolii se rotesc și au cuplu impuls, formând împreună rotația fotonului. Raza de rotație a fotografiilor și viteza unghiulară sunt legate de dependența Rω = const.

3. Fotonii pot fi considerați ace subțiri, lungi, cilindrice. Suprafețele imaginare ale cilindrilor acului sunt formate din traiectoriile 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 fotografii 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. Sa obţinut valoarea cantitativă a spinului fotonului ћ. A fost efectuată o analiză a relației dintre energia și parametrii cinematici ai fotonului. 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. Se trage concluzia despre modificarea constantelor C și h atunci când un foton se mișcă într-un câmp gravitațional.

Din structura periodică a fotonului, motivul proprietăților undei luminii este intuitiv clar: matematica undei, ca proces de vibrație mecanică a mediului fizic, și matematica. proces pe lot 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 undelor în lumină a fost stabilită prin numeroase observații și experimente și, prin urmare, nu poate da naștere la îndoială. Matematic teoria valurilor Efect Doppler, interferență, difracție, polarizare, dispersie, absorbție și împrăștiere a luminii. Teoria ondulatorie a luminii este legată organic de optică geometrică: în limită, cu  → 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 de a face astfel de modificări în axiomatica teoriei care să aprofundeze înțelegerea esenței fizice a fenomenului și să elimine paradoxurile.

Principalul paradox al ideilor moderne despre lumină este dualitatea undă-particule (WDP). Conform legilor logicii formale, lumina nu poate fi atât o undă, cât și o particulă în sensul tradițional al acestor termeni. Conceptul de undă presupune un continuum, un mediu omogen în care apar perturbări periodice ale elementelor continuumului. Conceptul de particulă presupune izolarea și autonomia elementelor individuale. Interpretarea fizică a HPT nu este atât de simplă.

Combinarea modelelor corpusculare și ondulatorii conform principiului „o undă este o perturbare a unei colecții de particule” ridică obiecții, deoarece Prezența proprietăților undelor într-o singură particulă de lumină individuală este considerată ferm stabilită. Interferența fotonilor care călătoresc rar a fost descoperită de Janosi, dar rezultatele cantitative, detaliile și analiza detaliată a experimentului din curs de pregatire Nu. Nu există informații despre rezultate atât de importante și fundamentale în publicațiile de referință sau 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 Janoschi, care sunt semnificativi din punct de vedere logic pentru interpretarea rezultatelor, pe baza unei descrieri rară a experimentelor similare ale lui Biberman, Sushkin și Fabrikant cu electroni. Evident, în experimentul Janoschi, modelul de interferență obținut dintr-un impuls scurt de lumină de intensitate mare J B a fost comparat cu modelul obținut pe o perioadă lungă de timp dintr-un flux de fotoni slab J M. Diferența semnificativă dintre cele două situații luate în considerare este aceea că în în cazul unui flux J M interacțiunea fotonilor este în limitele dispozitivului de difracție ar trebui exclus.

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

Un foton de lungime L f = 4,5 m trece punct dat spațiu în timp τ = L f / C = 4,5 /3ּ10 8 ≈ 1,5ּ10 –8 s. Dacă sistemul de difracție (dispozitivul) are o dimensiune de ordinul a 1 m, atunci timpul necesar unui foton de lungime L f pentru a călători prin dispozitiv va fi mai mare: τ' = (L f + 1) / C ≈ 1,8 10 –8 s.

Un observator din exterior nu poate vedea un singur fotoni. O încercare de a captura un foton îl distruge - nu există altă modalitate de a „vedea” o particulă de lumină neutră din punct de vedere electric. Experimentul folosește proprietăți ale luminii mediate în timp, în special intensitatea (energie pe unitatea de timp). Pentru a preveni intersectarea fotonilor în cadrul dispozitivului de difracție, este necesară separarea acestora în spațiu de-a lungul traiectoriei de mișcare, astfel încât timpul de trecere a dispozitivului τ' să fie mai mic decât timpul t care separă sosirea următorilor fotoni la 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 care trece prin întregul dispozitiv. Pentru particulele punctiforme, această relație este convingătoare.

Experiența cu lumina are o diferență semnificativă față de experiența cu electroni. În timp ce unicitatea electronilor poate fi controlată prin distorsionarea ușoară a energiei lor, acest lucru este imposibil cu fotoni. În experimentele cu fotoni, convingerea că fotonii sunt izolați în spațiu nu poate fi completă; Din punct de vedere statistic, este posibil ca doi fotoni să ajungă aproape simultan. Acest lucru poate da un model de interferență slab pe o perioadă lungă de observare.

Rezultatele experimentelor lui Janoschi sunt incontestabile, cu toate acestea, o astfel de concluzie nu poate fi trasă despre teoria experienței. Teoria 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, acesta este intuitiv motivul cel mai probabil pentru apariția interferenței, dar pentru fluxurile de lumină slabe poate deveni, de asemenea, semnificativ un alt motiv pentru apariția periodicității în iluminarea ecranului. Lumina își schimbă direcția atunci când interacționează cu un solid. Marginile fantei, liniile rețelei de difracție și alte obstacole care provoacă difracția sunt o suprafață departe de a fi ideală, nu numai în ceea ce privește curățenia tratamentului de suprafață. Atomii stratului de suprafață sunt o structură periodică cu o perioadă comparabilă cu dimensiunea atomului, adică periodicitatea este de ordinul angstrom. Distanța dintre perechile de fotografii din interiorul unui foton este L 0 ≈ 10–12 cm, care este cu 4 ordine de mărime mai mică. Reflexia perechilor de fotografii din structura periodică a suprafeței ar trebui să determine repetabilitatea zonelor iluminate și neluminate de pe ecran.

Ar trebui să existe întotdeauna inegalități în direcțiile de propagare a luminii reflectate 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 fluxurile luminoase slabe, acest lucru poate duce la iluminarea ecranului care seamănă cu interferența.

Deoarece dimensiunile electronului sunt, de asemenea, mult mai mici decât dimensiunile structurii periodice a suprafeței corpului, direcțiile inegale ale particulelor de difracție ar trebui să apară și pentru electroni, iar pentru fluxurile slabe de electroni acesta poate fi singurul motiv pentru manifestarea proprietățile valurilor.

Astfel, prezența proprietăților undei în particule, fie ele fotoni sau electroni, poate fi explicată prin prezența proprietăților undei ale suprafeței reflectorizante sau refractive a unui dispozitiv 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 fotografii de la diferiți fotoni fie se îmbunătățesc reciproc pe ecran atunci când faza coincide (vectori rîntre centrele fotografiilor perechilor care interacționează coincid în direcție) sau slăbesc în cazul nepotrivirii fazelor (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 locuri de pe ecran în care se observă o scădere a iluminării.

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

Complementaritatea reciprocă a luminii reflectate și transmise prin placă în fenomenul de interferență - fapt cunoscut, descris în teorie de un aparat matematic formal bine dezvoltat al modelului ondulatoriu al luminii. În special, în timpul reflecției, teoria introduce pierderea unei semi-unde, iar aceasta „explica” diferența dintre fazele componentelor transmise și reflectate.

Ceea ce este nou în modelul nostru este explicația naturii fizice a acestui fenomen. Susținem că, pentru fluxurile de lumină slabe, atunci când interacțiunea fotonilor în cadrul dispozitivului de difracție este exclusă, cauza semnificativă a formării modelului de interferență nu va fi structura periodică a luminii în sine, ci structura periodică a suprafeței dispozitiv care provoacă difracția. În acest caz, nu va mai exista interacțiune între perechile de fotografii de la diferiți fotoni de pe suprafața ecranului, iar interferența ar trebui să se manifeste prin faptul că în acele locuri în care lovește lumina va fi iluminare maximă, în alte locuri există nu va fi nicio lumină. În locurile cu 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 testare a predicției în cauză și a ipotezei noastre în general este aceea pentru fluxuri de lumină slabe, un dispozitiv de difracție realizat dintr-un material diferit, caracterizat printr-o densitate de suprafață diferită a atomilor, ar trebui să ofere un model de interferență diferit pentru același lucru flux luminos . Această predicție este, de asemenea, testabilă în mod fundamental.

Efectul 3

Atomii suprafeței unui corp reflectorizant participă la mișcarea termică, nodurile rețea cristalină efectuează vibrații 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, influența temperaturii dispozitivului de difracție asupra modelului de interferență ar trebui să fie mai slabă, deși nu este exclusă, deoarece vibrațiile termice ale nodurilor rețelei cristaline ar trebui să încalce condiția de coerență a perechilor de fotografii reflectate de la fotoni diferiți. . Această predicție este, de asemenea, testabilă în mod fundamental.

Proprietățile corpusculare ale luminii

În publicațiile noastre, am propus termenul „model structural al fotonului”. Analizând astăzi combinația de cuvinte cuprinse între ghilimele, trebuie recunoscută ca fiind extrem de nereușită. Faptul este că în modelul nostru fotonul nu există ca o particulă localizată. Cuantumul de energie radiantă identificat în teoria modernă cu un foton, în modelul nostru – un set de excitații ale vidului, numite perechi de fotoni. Excitațiile sunt distribuite în spațiu de-a lungul direcției de mișcare. În ciuda extinderii enorme a amplorii microlumii, datorită intervalului de timp mic în care un astfel de set de perechi zboară sau se ciocnește cu orice microobiect, precum și datorită inerției relative a obiectelor microlumii, cuantele pot fi absorbit în întregime de aceste microobiecte. Un foton cuantic este perceput ca o particulă separată numai în procesul unei astfel de interacțiuni cu microobiectele, când efectul interacțiunii unui microobiect cu fiecare pereche de fotografii se poate acumula, de exemplu, sub formă de excitație. învelișul de electroni atom sau moleculă. Lumina prezintă proprietăți corpusculare în procesul unei astfel de interacțiuni, atunci când un factor semnificativ, realizat pe 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 acestora fenomene fizice, cum ar fi presiunea luminii, reflexia luminii, dispersia - ceea ce a fost deja descris în limbajul modelului de undă. Ideea de energie discretă, 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 cuantice într-o particulă izolată contrazice faptul experimental că timpul de emisie și timpul de absorbție a unui cuantum de energie de către 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 radiație și absorbție, ci și a proprietăților corpusculare ale radiației în general.

Parametrii cantitativi ai fotografiilor

În modelul nostru, principalul obiect de luat în considerare este o pereche de fotografii. În comparație cu dimensiunea unui foton (dimensiunile longitudinale pentru lumina vizibilă sunt metri), excitația vidului sub forma unei perechi de fotografii poate fi considerată punctiformă (dimensiunea longitudinală este de aproximativ 10–14 m). Să cuantificăm câțiva parametri foto. Se știe că anihilarea unui electron și a unui pozitron produce γ cuante. 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 au apărut este:

. (2)

Sarcina totală a tuturor fotografiilor (–) este egală cu –e, unde e este sarcina electronului. Taxa totală pentru toate fotografiile (+) este +e. Să calculăm modulul de sarcină purtat de o fotografie:

Cl. (3)

Aproximativ, fără a lua în considerare interacțiunea dinamică a sarcinilor în mișcare, putem presupune că forța interacțiunii lor electrostatice acționează ca forța centripetă a unei perechi de fotografii rotative. Deoarece viteza liniară a sarcinilor rotative este egală cu C, obținem (în sistemul SI):

, (4)

unde m 0 / 2 = h E / C 2 – masa unei fotografii. Din (4) obținem expresia pentru raza de rotație a centrelor de încărcare foto:

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 fotonului 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%. Trebuie remarcat faptul că rezultatul nostru pentru secțiunea transversală a fotonului de ~ 10–65 cm 2 a fost obținut ca o estimare superioară pentru anihilarea particulelor staționare, iar un electron și un pozitron real au energia de mișcare. Tinand cont energie kinetică secțiunea transversală ar trebui să fie mai mică, deoarece în formula (1) energia particulelor convertită 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) vor fi mai mici. Ținând cont de acest lucru, ar trebui să recunoaștem estimarea noastră a secțiunii transversale a fotonului ca fiind aproximativ care coincide cu estimarea QED.

Rețineți că sarcina specifică a unei fotografii 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 un „înveliș” de vid fizic perturbat, atunci secțiunea transversală „electrică” a unei perechi de fotografii nu ar trebui să coincidă cu „mecanică”. " secțiune transversală. Fie ca centrele de masă ale fotonilor să se rotească de-a lungul unui cerc de rază R Mech cu viteza C. Deoarece C = ωR Mech, obținem:

. (10)

Astfel, lungimea cercului de-a lungul căruia centrele de masă ale fotografiilor efectuează mișcare de rotație este egală cu lungimea de undă, ceea ce este complet natural având în vedere egalitatea vitezelor de translație și rotație în interpretarea noastră a conceptului de „lungime de undă”. Dar în acest caz reiese că pentru fotonii obținuți ca urmare a anihilării discutate mai sus, R Mech ≈ 3.8∙10 –13 m ≈ 10 22 ∙R El. Blana de vid perturbat care înconjoară miezurile foto este de dimensiuni gigantice în comparație cu miezul în sine.

Desigur, toate acestea sunt estimări destul de aproximative. Orice model nou nu poate concura în acuratețe cu un model 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 dus 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 de comenzi rezultat de ~10 22 între razele electrice și mecanice de rotație ale fotografiilor este nu numai neașteptat, ci și de neînțeles fizic. Singura modalitate de a înțelege cumva relația rezultată este să presupunem că rotația unei perechi de fotografii are un 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 volumetrice dintr-un mediu subțire - un vid fizic, este chiar mai de înțeles decât ideea de rotație a unei perechi de fotografii, care amintește de rotația unui corp solid. Analiza mișcării vortexului ar trebui să conducă ulterior la o nouă înțelegere calitativă a procesului luat în considerare.

Rezultate și concluzii

Lucrarea continuă să dezvolte idei despre natura fizică a luminii. Este analizată natura fizică a dualității undă-particulă. Efecte verificabile în mod fundamental au fost prezise în experimente privind interferența și difracția fluxurilor slabe de lumină. Au fost efectuate calcule cantitative ale parametrilor mecanici și electrici ai fotografiilor. 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 02.12.98, Nr 445 – B98.

2. Moiseev B.M. Masa și energia în modelul structural al fotonului. – Dep. in VINITI 04/01/98, Nr 964 – B98.

3. Moiseev B.M. Despre energia și masa totală a unui corp în stare de mișcare. – Dep. in VINITI 05/12/98, 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 fotonilor. – Kostroma: Editura KSU numită după. PE. Nekrasova, 2001.

5. Moiseev B.M. Microstructura fotonică // Proceedings of the Congress-2002 “ Probleme fundamentaleștiințe naturale și tehnologie”, 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. nucleare şi fizica nucleara. În 2 părți Partea 1. Fizica atomică. – M.: Nauka, 1986.

9. Fizic Dicţionar enciclopedic. 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.

Conţinut

Conţinut 1
- Introducere 2
- 1. Proprietățile ondulatorii ale luminii 3
  - 1.1 Varianta 3
  - 1.2 Interferență 5
  - 1.3 Difracția. Experiența lui Jung 6
  - 1.4 Polarizare 8
- 2. Proprietățile cuantice ale luminii 9
  - 2.1 Efect fotoelectric 9
  - 2.2 Efectul Compton 10
- Concluzie 11

Introducere

Primele idei ale oamenilor de știință antici despre ce era lumina au fost foarte naive. Au fost mai multe puncte de vedere. Unii credeau că din ochi ies tentacule subțiri speciale și că apar impresii vizuale atunci când simt obiecte. 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 obiectului luminos. Acest punct de vedere a fost susținut de Lucrețiu și Democrit.

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

Cu toate acestea, mai târziu, deja în Evul Mediu, această idee despre natura luminii își pierde sensul. Sunt din ce în ce mai puțini oameni de știință care urmează aceste opinii. Și a începutul XVII V. aceste puncte de vedere pot fi considerate deja uitate.

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

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 (transferul de materie).

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

Ambele teorii au existat în paralel de multă vreme. Niciunul dintre ei nu a putut câștiga victorie decisivă. Numai autoritatea lui Newton i-a forțat pe 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 intersectează în spațiu, nu acționează unele asupra altora. 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 a exercita o 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. Cu teoria corpusculară, propagarea rectilinie a luminii este pur și simplu o consecință a legii inerției.

Această incertitudine cu privire la natura luminii a persistat până când începutul XIX secole, când s-au descoperit fenomenele de difracție a luminii (îndoirea luminii în jurul obstacolelor) și interferența luminii (creșterea sau slăbirea iluminării atunci când fasciculele de lumină se suprapun între ele). Aceste fenomene sunt inerente exclusiv mișcării ondulatorii. Ele nu pot fi explicate folosind teoria corpusculară. Prin urmare, părea că teoria valului a câștigat o victorie finală și completă.

Această încredere a fost întărită mai ales când Maxwell a arătat în a doua jumătate a secolului al XIX-lea că există lumină. caz special undele 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 atunci când lumina se propagă, se comportă ca o undă.

Cu toate acestea, la începutul secolului al XIX-lea, ideile despre natura luminii au început să se schimbe radical. În mod neașteptat, s-a dovedit că teoria corpusculară respinsă era încă legată de realitate.

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

Au fost descoperite proprietățile discontinue sau, după cum se spune, cuantice ale luminii. A apărut o situație neobișnuită: fenomenele de interferență și difracție pot fi încă explicate considerând lumina ca o undă, iar fenomenele de emisie și absorbție, considerând lumina ca un flux de particule. În anii '30 ai secolului XX, aceste două idei aparent incompatibile despre natura luminii au fost combinate cu succes într-un nou și remarcabil. teoria fizică- electrodinamica cuantică.

1. Proprietățile ondulatorii ale luminii

1.1 Varianta

În timp ce a îmbunătățit telescoapele, Newton a observat că imaginea produsă de lentilă era colorată la margini. El a devenit interesat de acest lucru și a fost primul care a „investigat varietatea razelor de lumină și caracteristicile rezultate ale culorilor, pe care nimeni nu le-a făcut până acum” (cuvinte din inscripția de pe mormântul lui Newton) experimentul principal al lui Newton a fost extraordinar de simplu. Newton a ghicit că va direcționa un fascicul de lumină cu secțiune transversală mică către o prismă. chifla lumina soarelui a intrat în camera întunecată printr-o mică gaură din oblon. Căzând pe o prismă de sticlă, a fost refractată și a dat o imagine alungită cu o alternanță de culori curcubeu pe peretele opus. Urmând tradiția 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 curcubeului un spectru.

Acoperând gaura cu sticlă roșie, Newton a observat doar o pată roșie pe perete, acoperind-o cu albastru-albastru etc. De aici a rezultat că nu prisma a colorat lumina albă, așa cum se credea anterior. Prisma nu își schimbă culoarea, ci doar o descompune în părțile sale componente. Lumina albă are o structură complexă. Este posibil să izolați ciorchini de culori diferite de acesta și doar acțiunea lor combinată ne oferă impresia de culoare albă. 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. După ce am izolat orice parte a spectrului, de exemplu verde, și am forțat lumina să treacă printr-o altă prismă, nu vom mai obține o schimbare suplimentară de culoare.

O altă concluzie importantă la care a ajuns Newton a fost formulată de el în tratatul său despre „Optică” după cum urmează: „Razele de lumină care diferă ca culoare diferă în gradul de refracție.” Razele violete sunt refractate cel mai puternic, iar cele roșii mai puțin. Dependența indicelui de refracție al luminii de culoarea sa se numește dispersie (de la cuvântul latin Dispergo - împrăștiere).

Newton și-a îmbunătățit ulterior observațiile asupra spectrului pentru a obține culori mai pure. La urma urmei, petele rotunde colorate ale fasciculului de lumină care treceau 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 era o lentilă (B), dând o imagine pe ecran (D) sub forma unei dungi albe înguste. Dacă o prismă (C) este plasată în calea razelor, imaginea fantei va fi întinsă într-un spectru, o dungă colorată, tranziții de culoare în care de la roșu la violet sunt similare cu cele observate într-un curcubeu. Experimentul lui Newton este prezentat în Fig. 1

Fig.1

Dacă acoperiți golul cu sticlă colorată, de exemplu. dacă direcționați lumină colorată în loc de lumină albă către prismă, imaginea fantei se va reduce 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. Observațiile descrise arată că razele de culori diferite sunt refractate diferit de o prismă.

Newton a verificat această concluzie importantă prin multe experimente. Cel mai important dintre ele a fost determinarea indicelui de refracție al razelor de diferite culori izolate din spectru. În acest scop s-a tăiat o gaură în ecranul pe care se obține spectrul; Prin mutarea ecranului, a fost posibil să elibereze un fascicul îngust de raze de o culoare sau alta prin orificiu. Această metodă de izolare a razelor uniforme este mai avansată decât izolarea folosind sticlă colorată. Experimentele au descoperit că un astfel de fascicul separat, refractat într-o 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 culori diferite se caracterizează prin indici diferiți de refracție într-o substanță dată (dispersie).

2. Culoarea albă este o colecție de culori simple.

Știind că lumina albă are o structură complexă, putem 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 o nouă culoare de lumină, ci păstrăm o parte din lumina existentă pe foaie. Acum doar razele roșii vor fi reflectate, restul vor fi absorbite de stratul de vopsea. Iarba și frunzele copacilor ni se par verzi din cauza tuturor frunzelor care cad pe ele razele de soare 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.

1.2 Interferență

Interferența luminii a fost observată de foarte mult timp, dar nu au fost conștienți de aceasta. Mulți au văzut un model de interferență atunci când, în copilărie, se distrau suflând bule de săpun sau urmărind culorile curcubeului ale unei pelicule subțiri de kerosen pe suprafața apei. Interferența luminii este cea care face un balon de săpun atât de admirabil.

Omul de știință englez Thomas Young a fost primul care a venit cu ideea genială a posibilității de a explica culorile filmelor subțiri prin adăugarea a două valuri, dintre care una (A) este reflectată de suprafața exterioară a filmului, iar al doilea (B) din interior (Fig. 2)

Fig.2

În acest caz, apare interferența undelor luminoase - adăugarea a două unde, în urma cărora se observă o creștere sau scădere a vibrațiilor luminoase rezultate în diferite puncte din spațiu. Rezultatul interferenței (amplificarea sau atenuarea vibrațiilor rezultate) depinde de grosimea filmului și de lungimea de undă. Amplificarea luminii va avea loc dacă unda refractată 2 (reflectată de pe suprafața interioară a filmului) rămâne în urma undei 1 (reflectată de pe suprafața exterioară a filmului) cu un număr întreg de lungimi de undă. Dacă al doilea val rămâne în urmă cu o jumătate de lungime de undă sau cu un număr impar de semi-unde, atunci lumina se va slăbi.

Pentru a se forma un model de interferență stabil la adăugarea undelor, undele trebuie să fie coerente, adică trebuie avut aceeasi lungime unde și diferență de fază constantă. Coerența undelor reflectate de pe suprafețele exterioare și interioare ale filmului este asigurată de faptul că ambele sunt părți ale aceluiași fascicul de lumină. Undele emise de două surse obișnuite independente nu dau un model de interferență datorită faptului că diferența de fază dintre cele două unde de la astfel de surse nu este constantă.

Jung a realizat, de asemenea, că diferențele de culoare se datorau diferențelor de lungime de undă (sau frecvență a undelor luminoase). Fluxurile de lumină de diferite culori corespund undelor de diferite lungimi. Pentru amplificarea reciprocă a undelor care diferă unele de altele în lungime, sunt necesare grosimi diferite ale peliculei. Prin urmare, dacă filmul are grosimea inegală, atunci când este iluminat cu lumină albă, ar trebui să apară culori diferite.

1.3 Difracția. Experiența lui Jung

Difracția luminii în sens restrâns este fenomenul de îndoire a luminii în jurul obstacolelor și a luminii care pătrunde în regiunea unei umbre geometrice; în sens larg, orice abatere în propagarea luminii de la legile opticii geometrice.

Definiția lui Sommerfeld: difracția luminii este înțeleasă ca orice abatere de la propagarea rectilinie dacă nu poate fi explicată ca urmare a reflexiei, refracției sau îndoirii razelor de lumină în medii cu un indice de refracție în continuă schimbare.

În 1802 Young, care a descoperit interferența luminii, a efectuat un experiment clasic de difracție (Fig. 3).

Fig.3

În ecranul opac, a străpuns cu un ac două găuri mici B și C, aflate la o distanță mică unul de celălalt. Aceste găuri au fost iluminate de un fascicul îngust de lumină, care, la rândul său, a trecut printr-o mică gaură A dintr-un alt ecran. Acest detaliu, la care era foarte greu de gândit la acea vreme, a decis succesul experimentului. Numai undele coerente interferează. O undă sferică care apare în conformitate cu principiul lui Huygens din gaura A a excitat oscilații coerente în găurile B și C. Ca rezultat al difracției, două conuri de lumină au ieșit din găurile B și C, care s-au suprapus parțial. Ca urmare a interferenței undelor luminoase, pe ecran au apărut dungi alternative luminoase și întunecate. Prin închiderea uneia dintre găuri, Young a descoperit că franjurile de interferență au dispărut. Cu ajutorul acestui experiment, Young a măsurat pentru prima dată lungimile de undă corespunzătoare razelor de lumină de diferite culori și destul de precis.

Studiul difracției a fost finalizat în lucrările lui Fresnel. El a studiat în detaliu diferite funcții ale difracției experimental și a construit o teorie cantitativă a difracției, care face posibilă calcularea modelului de difracție care apare atunci când lumina se îndoaie în jurul oricăror obstacole.

Folosind teoria difracției, probleme precum protecția împotriva zgomotului folosind ecrane acustice, propagarea undelor radio pe suprafața Pământului, funcționarea instrumentelor optice (deoarece imaginea dată de o lentilă este întotdeauna un model de difracție), măsurătorile calității suprafeței, studiul structurii materiei și multe altele sunt rezolvate.

1.4 Polarizare

Noi proprietăți despre natura undelor luminoase sunt demonstrate de experimentele privind trecerea luminii prin cristale, în special prin turmalină.

Să luăm două plăci de turmalină dreptunghiulare identice, tăiate astfel încât una dintre laturile dreptunghiului să coincidă cu o anumită direcție în interiorul cristalului, numită axa optică. Să punem o farfurie peste alta, astfel încât axele lor să coincidă în direcție și să trecem un fascicul îngust de lumină de la un felinar sau de la soare prin perechea de farfurii îndoite. Turmalina este un cristal maro-verde; urma fasciculului transmis va apărea pe ecran ca o pată verde închis. Să începem să rotim una dintre plăci în jurul fasciculului, lăsând-o pe a doua nemișcată. Vom constata că urma fasciculului devine mai slabă, iar când placa este rotită cu 90 0, aceasta va dispărea complet. Odată cu rotirea ulterioară a plăcii, fasciculul de întâlnire va începe din nou să se intensifice și să atingă intensitatea anterioară atunci când placa se rotește 180 0, adică. Când axele optice plăcile vor fi din nou paralele. Odată cu rotirea în continuare a turmalinei, fasciculul slăbește din nou.

Din aceste fenomene se pot trage următoarele concluzii:

1. Vibrațiile luminii din fascicul sunt direcționate perpendicular pe linia de propagare a luminii (undele luminoase sunt transversale).

2. Turmalina este capabilă să transmită vibrații luminoase numai atunci când acestea sunt direcționate într-un anumit mod față de axa sa.

3. În lumina unui felinar (soarele), sunt prezentate vibrații transversale de orice direcție și, în plus, în aceeași proporție, astfel încât nicio direcție să nu fie predominantă.

Concluzia 3 explică de ce lumina naturală trece prin turmalină în aceeași măsură în orice orientare, deși turmalina, conform concluziei 2, este capabilă să transmită vibrațiile luminii doar într-o anumită direcție. Trecerea luminii naturale prin turmalina face ca vibratiile transversale sa fie selectate doar pe cele care pot fi transmise prin turmalina. Prin urmare, lumina care trece prin turmalina va fi un set de vibrații transversale într-o direcție, determinate de orientarea axei turmalinei. Vom numi o astfel de lumină polarizată liniar, iar planul care conține direcția de oscilație și axa fasciculului de lumină - planul de polarizare.

Acum devine clar experimentul cu trecerea luminii prin două plăci de turmalină așezate succesiv. Prima placă polarizează fasciculul de lumină care trece prin ea, lăsând-o să oscileze într-o singură direcție. Aceste vibratii pot trece complet prin a doua turmalina numai daca directia lor coincide cu directia vibratiilor transmise de a doua turmalina, i.e. când axa sa este paralelă cu axa primului. Dacă direcția vibrațiilor în lumina polarizată este perpendiculară pe direcția vibrațiilor transmise de a doua turmaline, atunci lumina va fi complet întârziată. Dacă direcţia de vibraţie în lumina polarizată este colt ascutit cu direcția transmisă de turmalină, vibrațiile vor fi ratate doar parțial.

2. Proprietățile cuantice ale luminii

2.1 Efect fotoelectric

În 1887 Fizicianul german Hertz a explicat fenomenul efectului fotoelectric. Baza pentru aceasta a fost Ipoteza lui Planck despre cuante.

Fenomenul efectului fotoelectric este detectat prin iluminarea unei plăci de zinc conectată la tija unui electrometru. Dacă o sarcină pozitivă este transferată pe placă și tijă, atunci electrometrul nu se descarcă atunci când placa este iluminată. Când o sarcină electrică negativă este transmisă plăcii, electrometrul este descărcat imediat ce lovește placa. radiații ultraviolete. Acest experiment demonstrează că energia negativă poate fi eliberată de pe suprafața unei plăci de metal sub influența luminii. sarcini electrice. Măsurarea sarcinii și masei particulelor ejectate de lumină a arătat că aceste particule erau electroni.

Au fost făcute încercări de a explica legile efectului fotoelectric extern pe baza conceptelor ondulatorii ale luminii. Conform acestor idei, mecanismul efectului fotoelectric arată astfel. Un val de lumină cade pe metal. Electronii aflați în stratul său de suprafață absorb energia acestei unde, iar energia lor crește treptat. Când devine mai mare decât funcția de lucru, electronii încep să zboare din metal. Astfel, teoria ondulatorie a luminii ar fi capabilă să explice calitativ fenomenul efectului fotoelectric.

Cu toate acestea, calculele au arătat că, cu această explicație, timpul dintre începutul iluminării metalului și începutul emisiei de electroni ar trebui să fie de ordinul a zece secunde. Între timp, din experiență rezultă că t<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Conform teoriei undelor, energia cinetică a fotoelectronilor ar trebui să crească odată cu creșterea intensității luminii incidente pe metal. Iar intensitatea undei este determinată de amplitudinea fluctuațiilor de tensiune E, și nu de frecvența luminii. (Numai numărul de electroni eliminați și puterea curentului de saturație depind de intensitatea luminii incidente.)

Din teoria undelor rezultă că energia necesară pentru a rupe electronii dintr-un metal poate fi furnizată de radiații de orice lungime de undă dacă intensitatea sa este suficient de mare, adică. că efectul fotoelectric poate fi cauzat de orice radiație luminoasă. Cu toate acestea, există o limită roșie a efectului fotoelectric, adică. Energia primită de electroni depinde nu de amplitudinea undei, ci de frecvența acesteia.

Astfel, încercările de a explica legile efectului fotoelectric pe baza conceptelor ondulatorii ale luminii s-au dovedit a fi insuportabile.

2.2 Efectul Compton

Efectul Compton este o modificare a frecvenței sau lungimii de undă a fotonilor atunci când aceștia sunt împrăștiați de electroni și nucleoni. Acest efect nu se încadrează în cadrul teoriei undelor, conform căreia lungimea de undă nu ar trebui să se schimbe în timpul împrăștierii: sub influența câmpului periodic al unei unde luminoase, electronul oscilează cu frecvența câmpului și, prin urmare, emite unde împrăștiate. de aceeasi frecventa.

Efectul Compton diferă de efectul fotoelectric prin faptul că fotonul nu își transferă complet energia către particulele substanței. Un caz special al efectului Compton este împrăștierea razelor X pe învelișurile de electroni ale atomilor și împrăștierea razelor gamma pe nucleele atomice. În cel mai simplu caz, efectul Compton este împrăștierea razelor X monocromatice de către substanțe ușoare (grafit, parafină etc.) iar când se consideră acest efect teoretic, în acest caz electronul este considerat liber.

O explicație a efectului Compton este dată pe baza conceptelor cuantice despre natura luminii. Dacă presupunem, așa cum face teoria cuantică, că radiația este de natură corpusculară.

Efectul Compton se observă nu numai asupra electronilor, ci și asupra altor particule încărcate, cum ar fi protonii, cu toate acestea, datorită masei mari a protonului, recul acestuia este „vizibil” numai atunci când fotonii de foarte mare energie sunt împrăștiați.

Atât efectul Compton, cât și efectul fotoelectric bazat pe concepte cuantice sunt cauzate de interacțiunea fotonilor cu electronii. În primul caz, fotonul este împrăștiat, în al doilea, este absorbit. Imprăștirea are loc atunci când un foton interacționează cu electronii liberi, iar efectul fotoelectric are loc cu electronii legați. Se poate demonstra că atunci când un foton se ciocnește cu electronii liberi, absorbția fotonului nu poate avea loc, deoarece aceasta este în conflict cu legile conservării impulsului și energiei. Prin urmare, atunci când fotonii interacționează cu electronii liberi, se poate observa doar împrăștierea lor, adică. Efectul Compton.

Concluzie

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

Astfel, lumina combină continuitatea undelor și discretitatea particulelor. Dacă luăm în considerare că fotonii există doar atunci când se mișcă (cu viteza c), atunci ajungem la concluzia că lumina are simultan proprietăți ondulatorii și corpusculare. Dar în unele fenomene, în anumite condiții, fie undă, fie proprietăți corpusculare joacă rolul principal, iar lumina poate fi considerată fie ca undă, fie ca particule (corpuscule).

Lista literaturii folosite

1. Yavorsky B.M. Detlaf A.A. Manual de fizică. - M.: Știință 2002.

2. Trofimova T.I. Curs de Fizică - M.: Liceu 2001.

3. Gursky I.P. Fizică elementară, ed. I.V. Savelyeva - M.: Educație 1984

4. Miakishev G.Ya. Buhovtsev B.B. Fizică - M.: Educaţie 1982.

Primele idei ale oamenilor de știință antici despre ce era lumina au fost foarte naive. Au fost mai multe puncte de vedere. Unii credeau că din ochi ies tentacule subțiri speciale și că apar impresii vizuale atunci când simt obiecte. Acest punct de vedere a avut un număr mare de 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 obiectului luminos. Acest punct de vedere a fost susținut de Lucrețiu și Democrit.

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

Cu toate acestea, mai târziu, deja în Evul Mediu, această idee despre natura luminii își pierde sensul. Sunt din ce în ce mai puțini oameni de știință care urmează aceste opinii. Și până la începutul secolului al XVII-lea. aceste puncte de vedere pot fi considerate deja uitate.

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

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 (transferul de materie).

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

Ambele teorii au existat în paralel de multă vreme. Niciunul dintre ei nu a putut câștiga o victorie decisivă. Numai autoritatea lui Newton i-a forțat pe 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.

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

Această poziție incertă în ceea ce privește natura luminii a persistat până la începutul secolului al XIX-lea, când au fost descoperite fenomenele de difracție a luminii (îndoirea luminii în jurul obstacolelor) și interferența luminii (creșterea sau slăbirea iluminării atunci când fasciculele de lumină se suprapun între ele). Aceste fenomene sunt inerente exclusiv mișcării ondulatorii. Ele nu pot fi explicate folosind teoria corpusculară. Prin urmare, părea că teoria valului a câștigat o victorie finală și completă.

Această 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 atunci când lumina se propagă, se comportă ca o undă.

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

Au fost descoperite proprietățile discontinue sau, după cum se spune, cuantice ale luminii. A apărut o situație neobișnuită: fenomenele de interferență și difracție pot fi încă explicate considerând lumina ca o undă, iar fenomenele de emisie și absorbție, considerând lumina ca un flux de particule. În anii 30 ai secolului XX, aceste două idei aparent incompatibile despre natura luminii au putut fi unite într-o manieră consistentă într-o nouă teorie fizică remarcabilă - electrodinamica cuantică.

1. Proprietățile ondulatorii ale luminii

În timp ce a îmbunătățit telescoapele, Newton a observat că imaginea produsă de lentilă era colorată la margini. El a devenit interesat de acest lucru și a fost primul care a „investigat varietatea razelor de lumină și caracteristicile rezultate ale culorilor, pe care nimeni nu le-a făcut până acum” (cuvinte din inscripția de pe mormântul lui Newton) experimentul principal al lui Newton a fost extraordinar de simplu. Newton a ghicit că va direcționa un fascicul de lumină cu secțiune transversală mică către o prismă. Un fascicul de lumină a soarelui a pătruns în încăperea întunecată printr-o mică gaură din oblon. Căzând pe o prismă de sticlă, a fost refractată și a dat o imagine alungită cu o alternanță de culori curcubeu pe peretele opus. Urmând tradiția 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 curcubeului un spectru.

O altă concluzie importantă la care a ajuns Newton a fost formulată de el în tratatul său de „Optică” după cum urmează: „Razele de lumină care diferă ca culoare diferă în gradul de refracție.” Razele violete sunt refractate cel mai puternic, razele roșii mai puțin decât altele. Dependența indicelui de refracție al luminii de culoarea sa se numește dispersie (de la cuvântul latin Dispergo - împrăștiere).

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

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

2. Culoarea albă este o colecție de culori simple.

Omul de știință englez Thomas Young a fost primul care a venit cu ideea genială a posibilității de a explica culorile peliculelor subțiri prin adăugarea a două valuri, dintre care una (A) este reflectată de suprafața exterioară a film, iar al doilea (B) din interior (Fig. 2)

ÎN

Pentru a se forma un model de interferență stabil la adăugarea undelor, undele trebuie să fie coerente, adică trebuie să aibă aceeași lungime de undă și diferență de fază constantă. Coerența undelor reflectate de pe suprafețele exterioare și interioare ale filmului este asigurată de faptul că ambele sunt părți ale aceluiași fascicul de lumină. Undele emise de două surse obișnuite independente nu dau un model de interferență datorită faptului că diferența de fază dintre cele două unde de la astfel de surse nu este constantă.

În 1802 Young, care a descoperit interferența luminii, a efectuat un experiment clasic de difracție (Fig. 3).

Noi proprietăți despre natura undelor luminoase sunt demonstrate de experimentele privind trecerea luminii prin cristale, în special prin turmalină.

Să luăm două plăci de turmalină dreptunghiulare identice, tăiate astfel încât una dintre laturile dreptunghiului să coincidă cu o anumită direcție în interiorul cristalului, numită axa optică. Să punem o farfurie peste alta, astfel încât axele lor să coincidă în direcție și să trecem un fascicul îngust de lumină de la un felinar sau de la soare prin perechea de farfurii îndoite. Turmalina este un cristal maro-verde; urma fasciculului transmis va apărea pe ecran ca o pată verde închis. Să începem să rotim una dintre plăci în jurul fasciculului, lăsând-o pe a doua nemișcată. Vom constata că urma fasciculului devine mai slabă, iar când placa este rotită cu 90 0, aceasta va dispărea complet. Odată cu rotirea ulterioară a plăcii, fasciculul de întâlnire va începe din nou să se intensifice și să atingă intensitatea anterioară atunci când placa se rotește 180 0, adică. când axele optice ale plăcilor sunt din nou paralele. Odată cu rotirea în continuare a turmalinei, fasciculul slăbește din nou.

Din aceste fenomene se pot trage următoarele concluzii:

1. Vibrațiile luminii din fascicul sunt direcționate perpendicular pe linia de propagare a luminii (undele luminoase sunt transversale).

2. Turmalina este capabilă să transmită vibrații luminoase numai atunci când acestea sunt direcționate într-un anumit mod față de axa sa.

3. În lumina unui felinar (soarele), sunt prezentate vibrații transversale de orice direcție și, în plus, în aceeași proporție, astfel încât nicio direcție să nu fie predominantă.

Acum devine clar experimentul cu trecerea luminii prin două plăci de turmalină așezate succesiv. Prima placă polarizează fasciculul de lumină care trece prin ea, lăsând-o să oscileze într-o singură direcție. Aceste vibratii pot trece complet prin a doua turmalina numai daca directia lor coincide cu directia vibratiilor transmise de a doua turmalina, i.e. când axa sa este paralelă cu axa primului. Dacă direcția vibrațiilor în lumina polarizată este perpendiculară pe direcția vibrațiilor transmise de a doua turmaline, atunci lumina va fi complet întârziată. Dacă direcția vibrațiilor în lumina polarizată formează un unghi ascuțit cu direcția transmisă de turmalină, atunci vibrațiile vor fi transmise doar parțial.

2. Proprietățile cuantice ale luminii

În 1887 Fizicianul german Hertz a explicat fenomenul efectului fotoelectric. Baza pentru aceasta a fost Ipoteza lui Planck despre cuante.

Fenomenul efectului fotoelectric este detectat prin iluminarea unei plăci de zinc conectată la tija unui electrometru. Dacă o sarcină pozitivă este transferată pe placă și tijă, atunci electrometrul nu se descarcă atunci când placa este iluminată. Prin conferirea unei sarcini electrice negative plăcii, electrometrul se descarcă de îndată ce radiația ultravioletă lovește placa. Acest experiment demonstrează că sarcinile electrice negative pot fi eliberate de pe suprafața unei plăci de metal sub influența luminii. Măsurarea sarcinii și masei particulelor ejectate de lumină a arătat că aceste particule erau electroni.

Astfel, încercările de a explica legile efectului fotoelectric pe baza conceptelor ondulatorii ale luminii s-au dovedit a fi insuportabile.

O explicație a efectului Compton este dată pe baza conceptelor cuantice despre natura luminii. Dacă presupunem, așa cum face teoria cuantică, că radiația este de natură corpusculară.

Concluzie

Lista literaturii folosite

1. Yavorsky B.M. Detlaf A.A. Manual de fizică. – M.: Nauka 2002.

2. Trofimova T.I. Curs de Fizică - M.: Liceu 2001.

3. Gursky I.P. Fizică elementară, ed. I.V. Savelyeva - M.: Educație 1984

4. Miakishev G.Ya. Buhovtsev B.B. Fizică - M.: Educaţie 1982.

În 1900, a fost publicată lucrarea lui M. Planck, dedicată problemei radiației termice a corpurilor. M. Planck a modelat materia ca un set de oscilatoare armonice de diferite frecvențe. Presupunând că radiația nu are loc continuu, ci în porțiuni - cuante, el a obținut o formulă de distribuție a energiei pe spectrul radiației termice, care a fost în acord cu datele experimentale.

unde h este constanta lui Planck, k este constanta lui Boltzmann, T este temperatura, ν este frecvența radiației.

Astfel, pentru prima dată în fizică, a apărut o nouă constantă fundamentală - constanta lui Planck. Ipoteza lui Planck despre natura cuantică a radiației termice contrazice fundamentele fizicii clasice și a arătat limitele aplicabilității acesteia.
Cinci ani mai târziu, A. Einstein, generalizând ideea lui M. Planck, a arătat că cuantizarea este o proprietate generală a radiației electromagnetice. Potrivit lui Einstein, radiația electromagnetică este formată din cuante, numite mai târziu fotoni. Fiecare foton are o anumită energie și impuls:

E = hν , = (h/λ ),

unde λ și ν sunt lungimea de undă și frecvența fotonului și este vectorul unitar în direcția de propagare a undei.

Ideea cuantizării radiației electromagnetice a făcut posibilă explicarea legilor efectului fotoelectric, studiate experimental de G. Hertz și A. Stoletov. Pe baza teoriei cuantice, A. Compton a explicat în 1922 fenomenul de împrăștiere elastică a radiației electromagnetice de către electroni liberi, însoțit de o creștere a lungimii de undă a luminii. Descoperirea naturii duale a radiației electromagnetice - dualitatea undă-particulă - a avut un impact semnificativ asupra dezvoltării fizicii cuantice și a explicației naturii materiei.

În 1924, Louis de Broglie a prezentat o ipoteză despre universalitatea dualității undă-particulă. Conform acestei ipoteze, nu numai fotonii, ci și orice alte particule de materie, împreună cu cele corpusculare, au și proprietăți de undă. Relațiile care leagă proprietățile corpusculare și de undă ale particulelor sunt aceleași cu cele care au fost stabilite mai devreme pentru fotoni

E = h = ω , = , |p| = h/λ /,

unde h = 2π, ω = 2πν, = 2π este lungimea de undă (de Broglie) care poate fi comparată cu particula. Vectorul de undă este orientat în direcția mișcării particulelor. Experimentele directe care confirmă ideea dualității particule-undă a particulelor au fost experimente efectuate în 1927 de K. Davisson și L. Germer privind difracția electronilor pe un singur cristal de nichel. Ulterior, a fost observată difracția altor microparticule. Metoda de difracție a particulelor este utilizată în prezent pe scară largă în studiul structurii și proprietăților materiei.
Confirmarea experimentală a ideii de dualitate val-particulă a condus la o revizuire a ideilor obișnuite despre mișcarea particulelor și metoda de descriere a particulelor. Punctele materiale clasice se caracterizează prin mișcare de-a lungul anumitor traiectorii, astfel încât coordonatele și momentele lor sunt cunoscute cu precizie în orice moment în timp. Pentru particulele cuantice, această afirmație este inacceptabilă, deoarece pentru o particulă cuantică impulsul particulei este legat de lungimea de undă a acesteia, iar vorbirea despre lungimea de undă într-un anumit punct din spațiu este lipsită de sens. Prin urmare, pentru o particulă cuantică este imposibil să se determine simultan cu exactitate valorile coordonatelor și ale impulsului. Dacă o particulă ocupă o poziție precis definită în spațiu, atunci impulsul său este complet incert și invers, o particulă cu un anumit impuls are o coordonată complet incertă. Incertitudinea în valoarea coordonatei particulei Δ x și incertitudinea în valoarea componentei momentului particulei Δ p x sunt legate de relația de incertitudine stabilită

Principalele caracteristici ale luminii ca proces ondulatoriu sunt frecvența n și lungimea de undă l. Proprietățile corpusculare ale luminii sunt caracterizate de fotoni. Fiecare foton are energie

e f = hn, (5.1)

și impuls

. (5.3)

Formula (5.3) stabilește legătura dintre undă și proprietățile corpusculare ale luminii.

În acest sens, a apărut presupunerea că natura duală este inerentă nu numai luminii, ci și particulelor de materie, în special electronul. În 1924, Louis de Broglie a propus următoarea ipoteză: un proces ondulatoriu este asociat cu un electron, a cărui lungime de undă este egală cu

unde h = 6,63 × 10 –34 J×s este constanta lui Planck, m este masa electronului, v este viteza electronilor.

Calculele au arătat că lungimea de undă asociată cu un electron în mișcare este de același ordin cu lungimea de undă a razelor X (10 –10 ¸ 10 –13 m).

Din formula lui de Broglie (5.4) este clar că proprietățile de undă ale particulelor sunt semnificative numai în acele cazuri în care valoarea constantei lui Planck h nu poate fi neglijată. Dacă, în condițiile acestei probleme, putem presupune că h ® 0, atunci atât l®0, cât și proprietățile de undă ale particulelor pot fi neglijate.

5.2. Fundamentarea experimentală a dualismului unde corpusculare

Ipoteza lui De Broglie a primit confirmare experimentală în experimentele lui K. Davisson și L. Germer (1927), P.S. Tartakovsky (1927), L.M. Biberman, N.G. Sushkin și V.A. Fabricant (1949), etc.

În experimentele lui Davisson și Germer (Fig. 5.1), electronii dintr-un tun de electroni au fost direcționați într-un fascicul îngust către un cristal de nichel, a cărui structură este bine cunoscută.

Fig.5.1. Diagrama experimentului Davisson și Germer

Electronii reflectați de la suprafața cristalului au intrat într-un receptor conectat la un galvanometru. Receptorul s-a deplasat de-a lungul unui arc și a prins electroni reflectați în unghiuri diferite. Cu cât mai mulți electroni lovesc receptorul, cu atât curentul a fost înregistrat de galvanometru.

S-a dovedit că pentru un unghi dat de incidență a fasciculului de electroni și o modificare a diferenței de potențial U care accelerează electronii, curentul I nu s-a modificat monoton, ci a avut o serie de maxime (Fig. 5.2).

Fig.5.2. Dependența puterii curentului de diferența de potențial de accelerare în experimentele lui Davisson și Germer

Graficul rezultat sugerează că reflexia electronilor nu are loc la orice, ci la valori strict definite ale lui U, adică. la viteze v ale electronilor strict definite. Această dependență ar putea fi explicată doar pe baza ideilor despre undele electronice.

Pentru a face acest lucru, exprimăm viteza electronului în termeni de tensiune de accelerație:

și găsiți lungimea de undă de Broglie a electronului:

(5.6)

Pentru undele de electroni reflectate de un cristal, precum și pentru razele X, condiția Wulff-Bragg trebuie îndeplinită:

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

unde d este constanta rețelei cristaline, q este unghiul dintre fasciculul incident și suprafața cristalului.

Înlocuind (5.6) în (5.7), găsim acele valori ale tensiunii de accelerare care corespund reflexiei maxime și, prin urmare, curentului maxim prin galvanometru:

(5.8)

Valorile U calculate folosind această formulă la q=const sunt în acord excelent cu rezultatele experimentale ale lui Davisson și Germer.

În experimentele lui P.S. Cristalul Tartakovsky a fost înlocuit cu o peliculă subțire cu o structură policristalină (Fig. 5.3).

Fig.5.3. Schema experimentelor P.S. Tartakovski

Electronii împrăștiați de film au produs cercuri de difracție pe ecran. O imagine similară a fost observată atunci când razele X au fost împrăștiate de policristale. Din diametrele cercurilor de difracție se poate determina lungimea de undă de Broglie l a electronilor. Dacă l este cunoscut, atunci modelul de difracție ne permite să judecăm structura cristalului. Această metodă de studiere a structurii se numește electronografie.

L.M. Biberman, N.G. Sushkin și V.A. Producătorul a efectuat experimente privind difracția unor electroni unici, zburători alternativ. Electronii individuali lovesc diferite puncte de pe ecran, aparent împrăștiați aleatoriu. Cu toate acestea, la împrăștierea unui număr mare de electroni, s-a descoperit că punctele în care electronii lovesc ecranul sunt distribuite în așa fel încât formează maxime și minime, adică. cu o expunere lungă, s-a obținut același model de difracție ca cel produs de un fascicul de electroni. Acest lucru indică faptul că fiecare electron individual are proprietăți de undă.

Fenomenele de difracție au fost observate în experimente nu numai cu electroni, ci și cu protoni, neutroni, fascicule atomice și moleculare.