Корпускулярні фізичні властивості. Корпускулярні та хвильові властивості частинок. Принцип невизначеності. Кількісні параметри фото

Хвильові та корпускулярні властивості світла - сторінка №1/1

ХВИЛЬНІ ТА КОРПУСКУЛЯРНІ ВЛАСТИВОСТІ СВІТЛА

© Моїсеєв Б.М., 2004

Костромський державний університет
Вулиця 1 Травня, 14, Кострома, 156001, Росія
E-mail: [email protected] ; [email protected]

Логічно виводиться можливість розглядати світло як періодичну послідовність збуджень фізичного вакууму. Як наслідок такого підходу пояснюється фізична природа хвильових та корпускулярних властивостей світла.

Логічна припущення можливості до реагування світла як періоду завершення фізичних vacuum excitements is given in the article. Як наслідок такої відповіді фізичної природи wave and corpuscular characteristics of light are explained here.

Вступ

Багатовікові спроби зрозуміти фізичну природу світлових явищ були перервані на початку XX століття запровадженням дуальних властивостей матерії в аксіоматику теорії. Світло стали вважати і хвилею, і часткою одночасно. Проте модель кванта випромінювання була побудована формально, і досі немає однозначного розуміння фізичної природи кванта випромінювання.

Ця робота присвячена формуванню нових теоретичних уявлень про фізичну природу світла, які мають пояснити якісно хвильові та корпускулярні властивості світла. Раніше були опубліковані основні положення моделі, що розвивається, і отримані в рамках цієї моделі результати:

1. Фотон – це сукупність елементарних збуджень вакууму, що розповсюджуються у просторі у вигляді ланцюжка збуджень із постійною відносно вакууму швидкістю, яка не залежить від швидкості джерела світла. Для спостерігача швидкість фотона залежить від швидкості спостерігача щодо вакууму, що моделюється логічно як абсолютний простір.

2. Елементарне збудження вакууму – це пара фотов, диполь, утворений двома (+) та (–) зарядженими частинками. Диполі обертаються та мають обертальний моментімпульсу, разом складаючи спин фотона. Радіус обертання фотов та кутова швидкість пов'язані залежністю Rω = const.

3. Фотони можна як тонкі довгі циліндричні голки. Уявні поверхні циліндрів-голок утворені спіральними траєкторіями фотов. Чим більша частота обертання, тим тонша голка-фотон. Один повний оборот пари фотов визначає у просторі вздовж напрямку руху довжину хвилі.

4. Енергія фотона визначається кількістю пар фотов n в одному фотоні: ε = nh Е, де h Е - величина, що дорівнює постійної Планка в одиницях енергії.

5. Отримано кількісне значення спини фотона ћ. Проведено аналіз зв'язку енергетичних та кінематичних параметрів фотона. Як приклад обчислені кінематичні параметри фотона, одержуваного під час переходу 3d2p в атомі водню. Довжина фотона видимій частині спектра становить метри.

6. Обчислено масу пари фотов m 0 = 1,474·10 –53 г, яка збігається по порядку величини з верхньою оцінкою маси фотона m 

7. Отримано висновок про зміну констант C і h під час руху фотона в гравітаційному полі.

З періодичної структури фотона інтуїтивно ясна причина хвильових властивостей світла: математика хвилі, як процесу механічного коливання фізичного середовища, та математика періодичного процесубудь-якої якісної природи, – збігаються. У роботах дано якісне пояснення хвильових та корпускулярних властивостей світла. У цій статті продовжується розвиток уявлень про фізичну природу світла.

Хвильові властивості світла

Як було зазначено раніше, елементи періодичності, пов'язані з фізичною природою світла, викликають прояв хвильових властивостей. Прояв хвильових властивостей у світла встановлено численними спостереженнями та експериментами, тому не може викликати сумнівів. Розроблено математичну хвильова теоріяефекту Доплера, інтерференції, дифракції, поляризації, дисперсії, поглинання та розсіювання світла. Хвильова теорія світла органічно пов'язана з геометричною оптикою: у межах, при  → 0, закони оптики можна сформулювати мовою геометрії.

Наша модель не скасовує математичний апарат хвильової моделі. Основна мета та головний результат нашої роботи – внесення таких змін до аксіоматики теорії, які поглиблюють розуміння фізичної сутності явища, усувають парадокси.

Головний феномен сучасних поглядів на світлі – корпускулярно-хвильовий дуалізм (КВД). Відповідно до законів формальної логіки світло не може бути одночасно і хвилею, і часткою в традиційному розумінні цих термінів. Поняття хвилі передбачає континуум, однорідне середовище, де виникають періодичні обурення елементів континууму. Поняття частки передбачає ізольованість та автономність окремих елементів. Фізична інтерпретація КВС не така проста.

Поєднання корпускулярної і хвильової моделей за принципом “хвиля – це обурення сукупності часток” викликає заперечення, т.к. вважається твердо встановленим наявність хвильових властивостей в окремій, єдиній частинці світла. Інтерференцію фотонів, що рідко летять, виявив Яноші, але кількісних результатів, деталей і докладного аналізу експерименту в навчальному курсіні. Інформація про такі важливі, основні результати відсутня і в довідкових виданнях, і в курсі історії фізики. Мабуть, питання фізичної природі світла – це глибокий тил науки.

Спробуємо реконструювати логічно суттєві для інтерпретації результатів кількісні параметри досвіду Яноші за скупим описом аналогічних дослідів Бібермана, Сушкіна та Фабриканта з електронами. Очевидно, в досвіді Яноші порівнювалася інтерференційна картина, отримана від короткого світлового імпульсу великої інтенсивності J Б з картиною, отриманої за тривалий час від слабкого потоку фотонів J М. Істотна відмінність двох ситуацій, що розглядаються в тому, що в разі потоку J М взаємодія фотонів в межах дифракційного приладу має бути виключено.

Оскільки Яноші не виявив відмінності в інтерференційних картинах, подивимося, які необхідні умови для цього в рамках нашої моделі.

Фотон завдовжки L ф = 4,5 м проходить задану точкупростору за час τ = L ф / C = 4,5 /3 10 8 ≈ 1,5 10 -8 с. Якщо дифракційна система (прилад) має розмір порядку 1 м, то час проходження приладу фотоном довжини L ф буде більшим: τ = (L ф + 1) / C ≈ 1,8 10 -8 с.

Поодинокі фотони сторонній спостерігач побачити не може. Спроба зафіксувати фотон знищує його - іншого варіанта "побачити" електрично нейтральну частинку світла не існує. В експерименті використовують усереднені за часом властивості світла, зокрема інтенсивність (енергію в одиницю часу). Щоб фотони не перетиналися в межах дифракційного приладу, необхідно розділити їх в просторі вздовж траєкторії руху, щоб час проходження приладу τ' було менше часу t, що розділяє прихід чергових фотонів до установки, тобто τ' 1,8 10 -8 с.

У дослідах з електронами середній проміжок часу між двома послідовно проходять через дифракційну систему частинками був приблизно в 3?10 4 разів більше часу, що витрачається одним електроном на проходження всього приладу. Для точкових частинок це ставлення переконливе.

Досвід із світлом має суттєву відмінність від досвіду з електронами. Якщо єдиність електронів за рахунок незначного спотворення їхньої енергії можна контролювати, то з фотонами це неможливо. У досвіді з фотонами переконаність у ізольованості фотонів у просторі може бути повної; статистично можливий прихід двох фотонів практично одночасно. Це може дати слабку інтерференційну картину тривалий час спостереження.

Результати дослідів Яноші безперечні, однак такий висновок не можна зробити про теорію досвіду. Теоретично фактично постулюється, що інтерференційна картина виникає виключно як результат взаємодії частинок між собою на поверхні екрана. У разі сильних світлових потоків та наявності багатьох частинок це інтуїтивно найімовірніша причина появи інтерференції, але для слабких світлових потоків суттєвою може стати й інша причина появи періодичності у освітленні екрану. Світло змінює напрямок при взаємодії з твердим тілом. Краї щілини, штрихи дифракційної решітки та інші перешкоди, що викликають дифракцію – це поверхня, далека від ідеалу у сенсі чистоти обробки поверхні. Атоми поверхневого шару – це періодична структура з періодом, який можна порівняти з розмірами атома, тобто періодичність має ангстремний порядок. Відстань між парами фотов всередині фотона L 0 ≈ 10 -12 см, що на 4 порядки менше. Відображення пар фотов від періодичної структури поверхні має викликати на екрані повторюваність освітлених і неосвітлених місць.

Нерівноправність напрямів розповсюдження відбитого світла має бути завжди, при відбитті від будь-якої поверхні, але при сильних світлових потоках істотні лише усереднені характеристики, і цей ефект не виявляється. Для слабких світлових потоків це може призвести до освітленості екрана, що нагадує інтерференцію.

Оскільки розміри електрона також набагато менші за розміри періодичної структури поверхні тіла, для електронів також має виникати нерівноправність напрямків дифрагирующих частинок, і для слабких потоків електронів це може бути єдиною причиною прояву хвильових властивостей.

Таким чином, наявність хвильових властивостей у частинок, будь то фотони або електрони, може бути пояснено наявністю хвильових властивостей поверхні, що відбиває або заломлює дифракційного приладу.

Для можливого експериментального підтвердження (або спростування) цієї гіпотези можна передбачити деякі ефекти.

Ефект 1

Для сильних світлових потоків основна причина інтерференційних властивостей світла – періодична структура самого світла – протяжного фотона. Пари фотов різних фотонів або посилюють один одного на екрані при збігу фази (вектори rміж центрами фотов взаємодіючих пар збігаються у напрямку), або послаблюють у разі розбіжності фази (вектори rміж центрами фотов не збігаються у напрямку). В останньому випадку пари фотов різних фотонів не викликають спільної одночасної дії, але вони потрапляють в ті місця екрану, де спостерігається спад освітленості.

Якщо екран – прозора платівка, то можна спостерігати наступний ефект: мінімум у відбитому світлі відповідає максимум у минулому світлі. У місця, де у відбитому світлі спостерігається мінімум освітленості, світло також потрапляє, але він у цих місцях не відбивається, а проходить усередину пластинки.

Взаємна додатковість відбитого і пройденого крізь платівку світла у явищі інтерференції – відомий факт, що описується в теорії добре розробленим формально-математичним апаратом хвильової моделі світла. Зокрема, при відображенні теорії вводиться втрата напівхвилі, і це “пояснює” різницю фаз минулої і відбитої компонент.

У нашій моделі новим є пояснення фізичної природи цього явища. Ми стверджуємо, що для слабких світлових потоків, коли виключено взаємодію фотонів у межах дифракційного приладу, суттєвою причиною формування інтерференційної картини буде не періодична структура самого світла, а періодична структура поверхні пристрою, що викликає дифракцію. В цьому випадку вже не буде взаємодії пар фотов від різних фотонів на поверхні екрана, і інтерференція повинна виявлятися в тому, що в тих місцях, куди світло потрапляє, буде максимум освітленості, в інших місцях не буде. У місця з мінімумом освітленості світло не потраплятиме зовсім, і це можна буде перевірити відсутністю взаємної додатковості інтерференційної картини для відбитого і світла.

Ефект 2

Інша можливість перевірки розглянутого передбачення і нашої гіпотези загалом у тому, що для слабких світлових потоків дифракційний прилад з іншого матеріалу, що відрізняється іншою поверхневою щільністю атомів, повинен давати іншу інтерференційну картину для того ж світлового потоку . Це передбачення також принципово перевіряється.

Ефект 3

Атоми поверхні тіла, що відбиває, беруть участь у тепловому русі, вузли кристалічних ґратздійснюють гармонійні коливання. Підвищення температури кристала повинно призводити до розмивання інтерференційної картини у разі слабких світлових потоків, тому що в цьому випадку інтерференція залежить тільки від періодичної структури поверхні, що відбиває. Для сильних світлових потоків вплив температури дифракційного приладу на інтерференційну картину має бути слабшим, хоча воно не виключається, тому що теплові коливання вузлів кристалічних ґрат повинні порушувати умову когерентності відбитих пар фотов від різних фотонів. Це передбачення також принципово перевіряється.

Корпускулярні властивості світла

У публікаціях нами запропоновано термін "структурна модель фотона". Аналізуючи сьогодні комбінацію слів, укладених у лапки, слід визнати її вкрай невдалою. Справа в тому, що в нашій моделі фотон як локалізована частка не існує. Квант променистої енергії, що ототожнюється в сучасної теоріїз фотоном, у нашій моделі – сукупність збуджень вакууму, названих парами фотов. Порушення розподілені у просторі вздовж напрямку руху. Незважаючи на величезну для масштабів мікросвіту протяжність, зважаючи на малість часового інтервалу, протягом якого така сукупність пар пролітає повз будь-який мікрооб'єкт або налітає на нього, а також через відносну інерційність об'єктів мікросвіту, кванти можуть поглинатися цими мікрооб'єктами цілком. Квант-фотон сприймається як окрема частка тільки в процесі такої взаємодії з мікрооб'єктами, коли ефект від взаємодії мікрооб'єкта з кожною парою фотов може накопичуватися, наприклад, у вигляді збудження електронної оболонкиатома чи молекули. Світло проявляє корпускулярні властивості в процесі такої взаємодії, коли суттєвим, модельно усвідомлюваним, теоретично врахованим фактором є випромінювання або поглинання деякої дискретної кількості світлової енергії.

Навіть формальне уявлення про кванти енергії дозволило Планку пояснити особливості випромінювання абсолютно чорного тіла, а Ейнштейну зрозуміти суть фотоефекту. Уявлення про дискретні порції енергії допомогло по-новому описати такі фізичні явища, як тиск світла, відбиток світла, дисперсію – те, що було описано мовою хвильової моделі. Уявлення про дискретність енергії, а не уявлення про точкові частки-фотони – ось що реально істотно в сучасній корпускулярній моделі світла. Дискретність кванта енергії дозволяє пояснити спектри атомів і молекул, але локалізація енергії кванта в одній ізольованій частинці вступає в суперечність з тим експериментальним фактом, що час випромінювання та час поглинання кванта енергії атомом досить великий за масштабами мікросвіту – близько 10 -8 с. Якщо квант - локалізована точкова частка, то що тоді відбувається з цією частинкою за час 10 -8 с? Введення у фізичну модель світла протяжного кванта-фотона дає можливість якісного розуміння як процесів випромінювання і поглинання, а й корпускулярних властивостей випромінювання загалом.

Кількісні параметри фото

У нашій моделі основним об'єктом розгляду є кілька фотов. У порівнянні з розмірами фотона (поздовжні розміри для видимого світла - метри) збудження вакууму у вигляді пари фотов можна вважати точковим (поздовжній розмір - близько 10 -14 м). Оцінимо кількісно деякі параметри фото. Відомо, що при анігіляції електрона та позитрону народжуються γ-кванти. Нехай народжується два γ-кванти. Оцінимо верхню межу їх кількісних параметрів, припускаючи енергію електрона та позитрону рівної енергії спокою цих частинок:

. (1)

Кількість пар фотов, що з'явилися, дорівнює:

. (2)

Сумарний заряд усіх (-) фоторів дорівнює -e, де e - заряд електрона. Сумарний заряд всіх (+) фотов дорівнює +e. Обчислимо модуль заряду, який переноситься одним фотом:

Кл. (3)

Приблизно, не враховуючи динамічну взаємодію зарядів, що рухаються, можна вважати, що в якості доцентрової сили обертається пари фотов виступає сила їх електростатичної взаємодії. Так як лінійна швидкість зарядів, що обертаються, дорівнює C , отримуємо (в системі СІ):

, (4)

де m 0 / 2 = h Е / C 2 – маса одного фото. З (4) отримуємо вираз для радіусу обертання центрів зарядів фотов:

м. (5)

Розглядаючи "електричний" переріз фотона як площа кола S радіуса R Ел, отримуємо:

У роботі наводиться формула для розрахунку перерізу фотону в рамках КЕД:

, (7)

де вимірюється в см 2 . Вважаючи ω = 2πν, а ν = n (без урахування розмірності), отримуємо оцінку перерізу за методикою КЕД:

. (8)

Різниця з оцінкою перетину фотона становить 6 порядків, чи приблизно 9%. При цьому необхідно відзначити, що наш результат для перерізу фотона ~10 -65 см 2 отриманий як верхня оцінка, для анігіляції нерухомих частинок, а реальні електрон і позитрон мають енергію руху. З урахуванням кінетичної енергіїпереріз має бути меншим, тому що у формулі (1) енергія частинок, що переходить у випромінювання, буде більшою, а, отже, буде більше кількість пар фотов. Розрахункове значення заряду одного фото вийде менше (формула 3), отже, R Ел (формула 5) і переріз S (формула 6) будуть меншими. Враховуючи це, слід визнати нашу оцінку перерізу фотона, що приблизно збігається з оцінкою КЕД.

Зауважимо, що питомий заряд фото збігається з питомим зарядом електрона (позитрону):

. (9)

Якщо фот (як і електрон) має гіпотетичний “керн”, у якому зосереджений його заряд, і “шубу” з обуреного фізичного вакууму, то “електричний” переріз пари фотов має збігатися з “механічним” перетином. Нехай центри мас фотов обертаються по колу радіуса R Мех зі швидкістю C. Оскільки C = ωR Мех отримуємо:

. (10)

Таким чином, довжина кола, по якому здійснюють обертальний рух центри мас фотов, дорівнює довжині хвилі, що цілком природно за рівності поступальної та обертальної швидкостей у нашій інтерпретації поняття “довжина хвилі”. Але в цьому випадку виходить, що для фотонів, одержуваних в результаті розглянутої вище анігіляції, R Мех ≈ 3,8 10 -13 м ≈ 10 22 ∙ R Ел. Шуба обуреного вакууму, що оточує керни фотов, має гігантські в порівнянні з самим керном розміри.

Зрозуміло, це досить приблизні оцінки. Будь-яка нова модель не може конкурувати по точності з існуючою моделлю, що досягла свого світанку. Наприклад, коли з'явилася геліоцентрична модель Коперника, ще близько 70 років практичні астрономічні розрахунки виконувались відповідно до геоцентричної моделі Птолемея, тому що це призводило до більш точного результату.

Введення в науку моделей на принципово новому базисі – це не лише зіткнення із суб'єктивною опозицією, а й об'єктивна втрата точності розрахунків та передбачень. Можливі й парадоксальні результати. Отримане відношення порядків ~10 22 між електричним та механічним радіусами обертання фотов – це не тільки несподівано, а й поки що фізично незрозуміло. Єдина можливість хоч якось усвідомити отримане ставлення – вважати, що обертання пари фотов має вихровий характер, тому що в цьому випадку при рівності лінійних швидкостей різновіддалених від центру обертання компонентів їх кутові швидкості мають бути різними.

Інтуїтивно, вихровий характер обертання об'ємної структури з тонкого середовища – фізичного вакууму, навіть зрозуміліший, ніж уявлення про обертання пари фотов, що нагадує обертання твердого тіла. Аналіз вихрового руху повинен надалі привести до нового якісного розуміння процесу, що розглядається.

Результати та висновки

У роботі продовжено розвиток уявлень про фізичну природу світла. Проаналізовано фізичну природу корпускулярно-хвильового дуалізму. Передбачено принципово перевірені ефекти в дослідах з інтерференції та дифракції слабких світлових потоків. Виконано кількісні розрахунки механічних та електричних параметрів фотов. Розраховано поперечний переріз пари фотов і зроблено висновок про вихрову структуру пари.

Література

1. Мойсеєв Б.М. Структура фотону. - Деп. у ВІНІТІ 12.02.98, № 445 - В98.

2. Мойсеєв Б.М. Маса та енергія у структурній моделі фотона. - Деп. у ВІНІТІ 01.04.98, № 964 - В98.

3. Мойсеєв Б.М. Про повну енергію і масу тіла в стані руху. - Деп. у ВІНІТІ 12.05.98, № 1436 - В98.

4. Мойсеєв Б.М. Фотон у гравітаційному полі. - Деп. у ВІНІТІ 27.10.99, № 3171 - В99.

5. Мойсеєв Б.М. Моделювання структури фотона. - Кострома: Вид-во КДУ ім. Н.А. Некрасова, 2001.

5. Мойсеєв Б.М. Мікроструктура фотона // Праці Конгресу-2002 “ Фундаментальні проблемиприродознавства та техніки”, частина III, С. 229-251. - СПб, Вид-во СпбГУ, 2003.

7. Phys. Rev. Lett. 90081801 (2003). http://prl.aps.org

8. Сівухін Д.В. Атомна та ядерна фізика. У 2-х ч. ч. 1. Атомна фізика. - М.: Наука, 1986.

9. Фізичний енциклопедичний словник. У 5 т. - М.: Радянська енциклопедія, 1960–66.

10. Фізика. Великий енциклопедичний словник. - М.: Велика Російська енциклопедія, 1999.

11. Кудрявцев П.С. Курс історії фізики. - М.: Просвітництво, 1974.

12. Ахієзер А.І. Квантова електродинаміка/А.І. Ахієзер, В.В. Берестецький - М.: Наука, 1981.

Зміст

Зміст 1
- Вступ 2
- 1. Хвильові властивості світла 3
  - 1.1 Дисперсія 3
  - 1.2 Інтерференція 5
  - 1.3 Дифракція. Досвід Юнга 6
  - 1.4 Поляризація 8
- 2. Квантові властивості світла 9
  - 2.1 Фотоефект 9
  - 2.2 Ефект Комптону 10
- Висновок 11

Вступ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таке невизначене становище щодо природи світла зберігалося до початку XIXстоліття, коли були відкриті явища дифракції світла (огинання світлом перешкод) та інтерференція світла (посилення чи ослаблення освітленості при накладенні світлових пучків один на одного). Ці явища притаманні виключно хвильовому руху. Пояснити їх за допомогою корпускулярної теорії не можна. Тому здавалося, що хвильова теорія здобула остаточну і повну перемогу.

Така впевненість особливо зміцніла, коли Максвел в другій половині XIX століття показав, що світло є окремий випадокелектромагнітні хвилі. Роботами Максвелла було закладено основи електромагнітної теорії світла.

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

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

При випромінюванні та поглинанні світло поводиться подібно до потоку частинок.

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

1. Хвильові властивості світла

1.1 Дисперсія

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

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

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

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

Рис.1

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

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

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

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

2. Білий колір є сукупність простих кольорів.

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

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

1.2 Інтерференція

Інтерференцію світла спостерігали дуже давно, але тільки не усвідомлювали цього. Багато хто бачив інтерференційну картину, коли в дитинстві розважалися пусканням мильних бульбашок або спостерігали за райдужним переливом кольорів тонкої плівки гасу на поверхні води. Саме інтерференція світла робить мильний міхур настільки гідним замилування.

Англійський вчений Томас Юнг першим прийшов до геніальної думки про можливість пояснення кольорів тонких плівок додаванням двох хвиль, одна з яких (А) відбивається від зовнішньої поверхні плівки, а друга (В) - від внутрішньої (рис.2)

Рис.2

При цьому відбувається інтерференція світлових хвиль - укладання двох хвиль, внаслідок якого спостерігається посилення або ослаблення результуючих світлових коливань у різних точках простору. Результат інтерференції (посилення чи ослаблення результуючих коливань) залежить від товщини плівки та довжини хвилі. Посилення світла відбудеться в тому випадку, якщо заломлена хвиля 2 (відбивається від внутрішньої поверхні плівки) відстане від хвилі 1 (що відображається від зовнішньої поверхні плівки) на ціле число довжин хвиль. Якщо ж друга хвиля відстане від першої половину довжини хвилі чи непарне число напівхвиль, то станеться ослаблення світла.

Щоб при складанні хвиль утворилася стійка інтерференційна картина, хвилі би мало бути когерентними, тобто. повинні мати однакову довжинухвилі та постійну різницю фаз. Когерентність хвиль, відбитих від зовнішньої та внутрішньої поверхні плівки, забезпечується тим, що обидві є частинами одного світлового пучка. Хвилі ж, випущені двома звичайними незалежними джерелами, не дають інтерференційної картини через те, що різниця фаз двох хвиль від таких джерел не є постійною.

Юнг також зрозумів, що різниця у кольорі пов'язана з різницею у довжині хвилі (або частотою світлових хвиль). Світловим потокам різного кольору відповідають хвилі різної довжини. Для взаємного посилення хвиль, що відрізняються один від одного завдовжки, потрібна різна товщина плівки. Отже, якщо плівка має неоднакову товщину, то при освітленні її білим світлом мають з'явитися різні кольори.

1.3 Дифракція. Досвід Юнга

Дифракція світла у вузькому значенні - явище огинання світлом перешкод та потрапляння світла в область геометричної тіні; у широкому значенні - будь-яке відхилення під час поширення світла від законів геометричної оптики.

Визначення Зоммерфельда: під дифракцією світла розуміють будь-яке відхилення від прямолінійного поширення, якщо воно не може бути пояснено як результат відбиття, заломлення або згинання світлових променів у середовищах з безперервно змінним показником заломлення.

У 1802р. Юнг, який відкрив інтерференцію світла, поставив класичний досвід дифракції (рис.3).

Рис.3

У непрозорій ширмі він проколов шпилькою два маленькі отвори B і C, на невеликій відстані один від одного. Ці отвори висвітлювалися вузьким світловим пучком, що у свою чергу пройшов через малий отвір А в іншій ширмі. Саме ця деталь, до якої дуже важко було додуматися на той час, вирішила успіх досвіду. Інтерферують лише когерентні хвилі. Сферична хвиля від отвору А, що виникла відповідно до принципу Гюйгенса, порушувала в отворах В і С когерентні коливання. Внаслідок дифракції з отворів В і С виходили два світлові конуси, які частково перекривалися. В результаті інтерференції світлових хвиль на екрані з'являлися світлі і темні смуги, що чергуються. Закриваючи один з отворів, Юнг виявляв, що інтерференційні лінії зникали. Саме за допомогою цього досвіду вперше Юнгом було виміряно довжини хвиль, що відповідають світловим променям різного кольору, причому дуже точно.

Дослідження дифракції отримало своє завершення у роботах Френеля. Він детально досліджував різні функції дифракції на дослідах і побудував кількісну теорію дифракції, що дозволяє розрахувати дифракційну картину, що виникає під час огинання світлом будь-яких перешкод.

За допомогою теорії дифракції вирішують такі проблеми, як захист від шумів за допомогою акустичних екранів, поширення радіохвиль над поверхнею Землі, робота оптичних приладів (оскільки зображення, що дається об'єктивом, - завжди дифракційна картина), вимірювання якості поверхні, вивчення будови речовини та багато інших .

1.4 Поляризація

Нові властивості характеру світлових хвиль показує досвід над проходженням світла через кристали, зокрема через турмалін.

Візьмемо дві однакові прямокутні пластинки турмаліну, вирізані так, що одна зі сторін прямокутника збігається з певним напрямом усередині кристала, що має назву оптичної осі. Накладемо одну пластинку на іншу так, щоб осі їх збігалися у напрямку, і пропустимо через складену пару пластин вузький пучок світла від ліхтаря або сонця. Турмалін являє собою кристал буро-зеленого кольору, слід пучка, що пройшов, на екрані представиться у вигляді темно-зеленої цятки. Почнемо повертати одну з пластин навколо пучка, залишаючи другу нерухомою. Ми виявимо, що слід пучка стає слабшим, і коли платівка повернеться на 90 0 він зовсім зникне. При подальшому обертанні пластинки пучок, що проходить, знову почне посилюватися і дійде до колишньої інтенсивності, коли пластинка повернеться на 180 0 , тобто. коли оптичні осіплатівок знову розташуються паралельно. При подальшому обертанні турмаліну пучок знову слабшає.

З даних явищ можна зробити такі висновки:

1. Світлові коливання в пучку спрямовані перпендикулярно лінії поширення світла (світлові хвилі поперечні).

2. Турмалін здатний пропускати світлові коливання лише у тому випадку, коли вони спрямовані певним чином щодо його осі.

3. У світлі ліхтаря (сонця) представлені поперечні коливання будь-якого напрямку і до того ж у однаковій частці, отже жоден напрямок переважає.

Висновок 3 пояснює, чому природне світло однаковою мірою проходить через турмалін при будь-якій його орієнтації, хоча турмалін, згідно з висновком 2, здатний пропускати світлові коливання тільки певного напрямку. Проходження природного світла через турмалін призводить до того, що з поперечних коливань відбираються ті, які можуть пропускатися турмаліном. Тому світло, що пройшло через турмалін, буде сукупністю поперечних коливань одного напрямку, що визначається орієнтацією осі турмаліну. Таке світло ми називатимемо лінійно поляризованим, а площина, що містить напрямок коливань і вісь світлового пучка, - площиною поляризації.

Тепер стає зрозумілим досвід із проходженням світла через дві послідовно поставлені платівки турмаліну. Перша пластинка поляризує пучок світла, що проходить через неї, залишаючи в ньому коливання тільки одного напрямку. Ці коливання можуть пройти через другий турмалін повністю лише тому випадку, коли напрям їх збігається з напрямом коливань, пропусканих другим турмаліном, тобто. коли його вісь паралельна осі першого. Якщо ж напрям коливань у поляризованому світлі перпендикулярно напрямку коливань, що пропускаються другим турмаліном, то світло буде повністю затриманий. Якщо напрям коливань у поляризованому світлі становить гострий кутз напрямком, що пропускається турмаліном, коливання будуть пропущені лише частково.

2. Квантові властивості світла

2.1 Фотоефект

У 1887р. німецький фізик Герц пояснив явище фотоефекту. Основою цього стала Гіпотеза Планка про кванти.

Явище фотоефекту виявляється при освітленні цинкової пластини, з'єднаної зі стрижнем електрометра. Якщо пластині та стрижню передано позитивний заряд, то електрометр не розряджається при освітленні пластини. При повідомленні пластині негативного електричного заряду електрометр розряджається, як тільки пластину потрапляє ультрафіолетове випромінювання. Цей досвід доводить, що з поверхні металевої пластини під дією світла можуть звільнятися негативні електричні заряди. Вимірювання заряду та маси частинок, що вириваються світлом, показало, що ці частинки – електрони.

Були зроблені спроби пояснити закономірності зовнішнього фотоефекту з урахуванням хвильових поглядів на світлі. Згідно з цими уявленнями, механізм фотоефекту виглядає так. На метал падає світлова хвиля. Електрони, що знаходяться в поверхневому шарі, поглинають енергію цієї хвилі, і їх енергія поступово збільшується. Коли вона стає більшою за роботу виходу, електрони починають вилітати з металу. Таким чином, хвильова теорія світла ніби здатна якісно пояснити явище фотоефекту.

Однак розрахунки показали, що при такому поясненні час між початком освітлення металу та початком вильоту електронів має бути близько десяти секунд. Тим часом з досвіду випливає, що t<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Відповідно до хвильової теорії кінетична енергія фотоелектронів повинна зростати зі збільшенням інтенсивності світла, що падає на метал. А інтенсивність хвилі визначається амплітудою коливань напруженості Е, а чи не частотою світла. (Від інтенсивності падаючого світла залежить лише кількість електронів, що вибиваються, і сила струму насичення).

З хвильової теорії випливає, що енергію, необхідну виривання електронів з металу, здатне дати випромінювання будь-якої довжини хвилі, якщо його інтенсивність досить велика, тобто. що фотоефект може викликатись будь-яким світловим випромінюванням. Проте є червона межа фотоефекту, тобто. енергія, що отримується електронами, залежить не від амплітуди хвилі, а від її частоти.

Таким чином, спроби пояснити закономірності фотоефекту на основі хвильових уявлень про світло виявилися неспроможними.

2.2 Ефект Комптону

Ефектом Комптона називається зміна частоти або довжини хвилі фотонів при їх розсіюванні електронами та нуклонами. Цей ефект не укладається в рамки хвильової теорії, згідно з якою довжина хвилі при розсіюванні змінюватися не повинна: під дією періодичного поля світлової хвилі електрон коливається з частотою поля і тому випромінює розсіяні хвилі тієї ж частоти.

Ефект Комптон відрізняється від фотоефекту тим, що фотон передає частинкам речовини свою енергію не повністю. Приватним випадком ефекту Комптон є розсіювання рентгенівських променів на електронних оболонках атомів і розсіювання гамма-променів на атомних ядрах. У найпростішому випадку ефект Комптон є розсіювання монохроматичних рентгенівських променів легкими речовинами (графіт, парафін та ін) і при теоретичному розгляді цього ефекту в цьому випадку електрон вважається вільним.

Пояснення ефекту Комптон дано на основі квантових уявлень про природу світла. Якщо рахувати, як це робить квантова теорія, що випромінювання має корпускулярну природу.

Ефект Комптона спостерігається не тільки на електронах, а й на інших заряджених частках, наприклад протонах, проте через велику масу протона його віддача «проглядається» лише при розсіянні фотонів дуже високих енергій.

Як ефект Комптону, і фотоефект з урахуванням квантових уявлень обумовлені взаємодією фотонів з електронами. У першому випадку фотон розсіюється, у другому – поглинається. Розсіювання відбувається при взаємодії фотона із вільними електронами, а фотоефект - із зв'язаними електронами. Можна показати, що при зіткненні фотона з вільними електронами не може статися поглинання фотона, оскільки це суперечить законам збереження імпульсу і енергії. Тому за взаємодії фотонів з вільними електронами може лише їх розсіювання, тобто. ефект комптону.

Висновок

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

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

Список використаної літератури

1. Яворський Б.М. Детлаф А.А. Довідник з фізики. - М: Наука 2002.

2. Трофімова Т.І. Курс фізики – М.: Вища школа 2001.

3. Гурський І.П. Елементарна фізика за ред. І.В. Савельєва - М.: Просвітництво 1984

4. Мякішев Г.Я. Бухівцев Б.Б. Фізика – М.: Просвітництво 1982.

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

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

Один із цих теорій пов'язані з ім'ям Ньютона, іншу – з ім'ям Гюйгенса.

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

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

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

При випромінюванні та поглинанні світло поводиться подібно до потоку частинок.

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

1. Хвильові властивості світла

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

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

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

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

2. Білий колір є сукупність простих кольорів.

Англійський вчений Томас Юнг першим дійшов геніальної думки про можливість пояснення кольорів тонких плівок додаванням двох хвиль, одна з яких (А) відбивається від зовнішньої поверхні плівки, а друга (В) – від внутрішньої (рис.2)

У цьому відбувається інтерференція світлових хвиль – укладання двох хвиль, унаслідок якого спостерігається посилення чи ослаблення результуючих світлових коливань у різних точках простору. Результат інтерференції (посилення чи ослаблення результуючих коливань) залежить від товщини плівки та довжини хвилі. Посилення світла відбудеться в тому випадку, якщо заломлена хвиля 2 (відбивається від внутрішньої поверхні плівки) відстане від хвилі 1 (що відображається від зовнішньої поверхні плівки) на ціле число довжин хвиль. Якщо ж друга хвиля відстане від першої половину довжини хвилі чи непарне число напівхвиль, то станеться ослаблення світла.

Щоб при складанні хвиль утворилася стійка інтерференційна картина, хвилі би мало бути когерентними, тобто. повинні мати однакову довжину хвилі і постійну різницю фаз. Когерентність хвиль, відбитих від зовнішньої та внутрішньої поверхні плівки, забезпечується тим, що обидві є частинами одного світлового пучка. Хвилі ж, випущені двома звичайними незалежними джерелами, не дають інтерференційної картини через те, що різниця фаз двох хвиль від таких джерел не є постійною.

У 1802р. Юнг, який відкрив інтерференцію світла, поставив класичний досвід дифракції (рис.3).

Візьмемо дві однакові прямокутні пластинки турмаліну, вирізані так, що одна зі сторін прямокутника збігається з певним напрямом усередині кристала, що має назву оптичної осі. Накладемо одну пластинку на іншу так, щоб осі їх збігалися у напрямку, і пропустимо через складену пару пластин вузький пучок світла від ліхтаря або сонця. Турмалін є кристалом буро – зеленого кольору, слід минулого пучка на екрані представиться у вигляді темно – зеленої цятки. Почнемо повертати одну з пластин навколо пучка, залишаючи другу нерухомою. Ми виявимо, що слід пучка стає слабшим, і коли платівка повернеться на 90 0 він зовсім зникне. При подальшому обертанні пластинки пучок, що проходить, знову почне посилюватися і дійде до колишньої інтенсивності, коли пластинка повернеться на 180 0 , тобто. коли оптичні осі платівок знову розташуються паралельно. При подальшому обертанні турмаліну пучок знову слабшає.

З даних явищ можна зробити такі висновки:

1. Світлові коливання в пучку спрямовані перпендикулярно лінії поширення світла (світлові хвилі поперечні).

Тепер стає зрозумілим досвід із проходженням світла через дві послідовно поставлені платівки турмаліну. Перша пластинка поляризує пучок світла, що проходить через неї, залишаючи в ньому коливання тільки одного напрямку. Ці коливання можуть пройти через другий турмалін повністю лише тому випадку, коли напрям їх збігається з напрямом коливань, пропусканих другим турмаліном, тобто. коли його вісь паралельна осі першого. Якщо ж напрям коливань у поляризованому світлі перпендикулярно напрямку коливань, що пропускаються другим турмаліном, то світло буде повністю затриманий. Якщо напрям коливань у поляризованому світлі становить гострий кут із напрямком, що пропускається турмаліном, то коливання будуть пропущені лише частково.

2. Квантові властивості світла

У 1887р. німецький фізик Герц пояснив явище фотоефекту. Основою цього стала Гіпотеза Планка про кванти.

Явище фотоефекту виявляється при освітленні цинкової пластини, з'єднаної зі стрижнем електрометра. Якщо пластині та стрижню передано позитивний заряд, то електрометр не розряджається при освітленні пластини. При повідомленні пластині негативного електричного заряду електрометр розряджається, як тільки пластину потрапляє ультрафіолетове випромінювання. Цей досвід доводить, що з поверхні металевої пластини під впливом світла можуть звільнятися негативні електричні заряди. Вимірювання заряду та маси частинок, що вириваються світлом, показало, що ці частинки – електрони.

Як ефект Комптону, і фотоефект з урахуванням квантових уявлень обумовлені взаємодією фотонів з електронами. У першому випадку фотон розсіюється, у другому – поглинається. Розсіювання відбувається при взаємодії фотона із вільними електронами, а фотоефект – із зв'язаними електронами. Можна показати, що при зіткненні фотона з вільними електронами не може статися поглинання фотона, оскільки це суперечить законам збереження імпульсу і енергії. Тому за взаємодії фотонів з вільними електронами може лише їх розсіювання, тобто. ефект комптону.

Висновок

Список використаної літератури

1. Яворський Б.М. Детлаф А.А. Довідник з фізики. - М.: Наука 2002.

2. Трофімова Т.І. Курс фізики - М.: Вища школа 2001.

3. Гурський І.П. Елементарна фізика за ред. І.В. Савельєва - М.: Просвітництво 1984

4. Мякішев Г.Я. Бухівцев Б.Б. Фізика - М.: Просвітництво 1982.

У 1900 р. була опублікована робота М. Планка, присвячена проблемі теплового випромінювання тел. М. Планк моделював речовину як сукупність гармонійних осциляторів різної частоти. Припустивши, що випромінювання відбувається не безперервно, а порціями – квантами, він отримав формулу для розподілу енергії за спектром теплового випромінювання, яка добре узгоджувалась із досвідченими даними

де h – постійна Планка, k – постійна Больцмана, T – температура, ν – частота випромінювання.

Так, уперше у фізиці з'явилася нова фундаментальна константа – постійна Планка. Гіпотеза Планка про квантову природу теплового випромінювання суперечить основам класичної фізики та показала межі її застосування.
Через п'ять років А. Ейнштейн, узагальнивши ідею М. Планка, показав, що квантованість є загальною властивістю електромагнітного випромінювання. Згідно з Ейнштейном електромагнітне випромінювання складається з квантів, названих пізніше фотонами. Кожен фотон має певну енергію та імпульс:

E = hν = (h/λ ),

де λ і ν - довжина хвилі та частота фотона, - одиничний вектор у напрямі поширення хвилі.

Уявлення про квантованість електромагнітного випромінювання дозволили пояснити закономірності фотоефекту, досліджені експериментально Г. Герцем та А. Столетовим. На основі квантової теорії А. Комптоном в 1922 було пояснено явище пружного розсіювання електромагнітного випромінювання на вільних електронах, що супроводжується збільшенням довжини хвилі світла. Відкриття двоїстої природи електромагнітного випромінювання - корпускулярно-хвильового дуалізму вплинуло на розвиток квантової фізики, пояснення природи матерії.

У 1924 р. Луї де Бройль висунув гіпотезу про універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму. Згідно з цією гіпотезою не тільки фотони, а й будь-які інші частинки матерії поряд з корпускулярними володіють також і хвильовими властивостями. Співвідношення, що зв'язують корпускулярні та хвильові властивості частинок, ті ж, що були встановлені раніше для фотонів

E = h = ω = , | p | = h/λ/,

де h = 2π, ω = 2πν, = 2π - довжина хвилі (де Бройля), яку можна зіставити з часткою. Хвильовий вектор орієнтований у напрямку руху частки. Прямими дослідами, що підтверджують ідею корпускулярно-хвильового дуалізму частинок, були досліди, виконані в 1927 К. Девіссон і Л. Джермер з дифракції електронів на монокристалі нікелю. Пізніше спостерігалася дифракція та інших мікрочастинок. Метод дифракції частинок на даний час широко використовується у вивченні будови та властивостей речовини.
Експериментальне підтвердження ідеї корпускулярно-хвильового дуалізму призвело до перегляду звичних уявлень про рух частинок та способу опису частинок. Для класичних матеріальних точок характерний рух за певними траєкторіями, отже їх координати і імпульси у час точно відомі. Для квантових частинок це твердження неприйнятне, тому що для квантової частки імпульс частинки пов'язаний з її довжиною хвилі, а говорити про довжину хвилі в цій точці простору безглуздо. Тому для квантової частки не можна одночасно точно визначити значення її координат та імпульсу. Якщо частка займає точно певне положення у просторі, то її імпульс повністю невизначений і навпаки, частка з певним імпульсом має повністю невизначену координату. Невизначеність у значенні координати частинки Δx та невизначеність у значенні компоненти імпульсу частинки Δpx пов'язані співвідношенням невизначеності, встановленим

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

е ф = hn, (5.1)

та імпульсом

. (5.3)

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

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

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

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

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

5.2. Досвідчене обґрунтування корпускулярно – хвильового дуалізму

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

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

Рис.5.1. Схема досвіду Девіссона та Джермера

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

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

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

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

Для цього висловимо швидкість електрона через напругу, що прискорює:

і знайдемо дебройлівську довжину хвилі електрона:

(5.6)

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

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

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

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

(5.8)

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

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

Рис.5.3. Схема дослідів П.С. Тартаковського

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

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

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