Електромагнитната природа на светлината е дуализъм частица-вълна. Какво представлява дуалността вълна-частица? Експеримент с двоен прорез

Двойствеността на светлината вълна-частица означава, че светлината едновременно има свойствата на непрекъснати електромагнитни вълни и свойствата на дискретни фотони. Това фундаментално заключение е направено от физиците през 20-ти век и следва от предишни идеи за светлината. Нютон вярва, че светлината е поток от корпускули, тоест поток от частици материя, летящи по права линия. Тази теория обяснява добре праволинейното разпространение на светлината. Но възникват трудности при обяснението на законите на отражението и пречупването, а явленията дифракция и интерференция изобщо не могат да бъдат обяснени от корпускулярната теория. Следователно възниква вълновата теория на светлината. Тази теория обяснява дифракцията и интерференцията, но среща трудности при обяснението на правата светлина. Едва през 19 век Ж. Френел, използвайки откритията на други физици, успява да комбинира вече изведените принципи в една теория, според която светлината е напречна механична вълна. По-късно Максуел открива, че светлината е вид електромагнитно излъчване. Но в началото на 20 век, благодарение на откритията на Айнщайн, представите за светлината отново се променят. Светлината започва да се разбира като поток от фотони. Но някои свойства на светлината бяха перфектно обяснени от вълновата теория. Светлината има както корпускулярни, така и вълнови свойства. В този случай съществуват следните закономерности: колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-ярки са корпускулните свойства; колкото по-голяма е дължината на вълната, толкова по-ярки са вълновите свойства.

Според де Бройл всеки микрообект е свързан, от една страна, с корпускулярни характеристики – енергия E и импулс p, а от друга страна, с вълнови характеристики – честота и дължина на вълната.

През 1924 г. френският физик Л. дьо Бройл излага смела хипотеза: дуалността вълна-частица има универсален характер, т.е. всички частици с краен импулс P имат вълнови свойства. Така във физиката се появява известната формула на де Бройл, където m е масата на частицата, V е нейната скорост, h е константата на Планк.

Така, корпускулярните и вълновите свойства на микрообекта са несъвместими по отношение на едновременното им проявление, но те еднакво характеризират обекта, т.е. взаимно се допълват. Тази идея е изразена от Н. Бор и той формира основата на най-важния методологичен принцип на съвременната наука, който в момента обхваща не само физическите науки, но и цялата естествена наука - принцип на допълване (1927 г.). СъщносттаПринципът на допълване според Н. Бор се свежда до следното: без значение колко далеч явленията надхвърлят класическото физическо обяснение, всички експериментални данни трябва да бъдат описани с помощта на класически концепции.За да се опишат напълно квантово-механичните явления, е необходимо да се използват два взаимно изключващи се (допълнителни) набора от класически концепции, чиято комбинация предоставя най-пълната информация за тези явления като цяло.

Принципът на взаимното допълване, като общ принцип на познанието, може да се формулира по следния начин: всяко истинско природно явление не може да бъде определено еднозначно с помощта на думите на нашия език и изисква за своето определение поне две взаимно изключващи се допълнителни понятия. Такива явления включват например квантовите явления, живота, психиката и т.н. Бор, по-специално, вижда необходимостта от прилагане на принципа на взаимното допълване в биологията, което се дължи на изключително сложната структура и функции на живите организми, които им осигуряват с почти неизчерпаеми скрити възможности.

През последните сто години науката направи големи крачки в изучаването на структурата на нашия свят както на микроскопично, така и на макроскопично ниво. Удивителните открития, донесени от специалните и общите теории на относителността и квантовата механика, все още вълнуват умовете на обществеността. Всеки образован човек обаче трябва да разбира поне основите на съвременните научни постижения. Една от най-впечатляващите и важни точки е двойствеността вълна-частица. Това е парадоксално откритие, чието разбиране е извън обсега на интуитивното всекидневно възприятие.

Корпускули и вълни

Дуализмът е открит за първи път при изучаването на светлината, която се държи напълно различно в зависимост от условията. От една страна се оказа, че светлината е оптична електромагнитна вълна. От друга страна, има дискретна частица (химическото действие на светлината). Първоначално учените вярваха, че тези две идеи се изключват взаимно. Многобройни експерименти обаче показват, че това не е така. Постепенно реалността на такава концепция като двойствеността на вълната и частицата стана обичайна. Тази концепция осигурява основата за изучаване на поведението на сложни квантови обекти, които не са нито вълни, нито частици, а само придобиват свойствата на последните или първите в зависимост от определени условия.

Експеримент с двоен прорез

Фотонната дифракция е ясна демонстрация на дуализъм. Детекторът на заредени частици е фотографска плака или флуоресцентен екран. Всеки отделен фотон беше маркиран чрез осветяване или светкавица. Комбинацията от такива белези дава интерференционна картина - редуване на слабо и силно осветени ивици, което е характеристика на вълновата дифракция. Това се обяснява с такава концепция като двойствеността на вълната и частицата. Известният физик и Нобелов лауреат Ричард Файнман каза, че материята се държи в малки мащаби по такъв начин, че е невъзможно да се усети „естествеността“ на квантовото поведение.

Универсален дуализъм

Този опит обаче е валиден не само за фотоните. Оказа се, че дуализмът е свойство на цялата материя и то универсално. Хайзенберг твърди, че материята съществува в двете форми последователно. Днес е абсолютно доказано, че и двете свойства се появяват напълно едновременно.

Корпускулярна вълна

Как можем да обясним това поведение на материята? Вълната, която е присъща на корпускулите (частиците), се нарича вълна на де Бройл, по името на младия аристократичен учен, предложил решение на този проблем. Общоприето е, че уравненията на де Бройл описват вълнова функция, която, повдигната на квадрат, определя само вероятността една частица да е в различни точки на пространството по различно време. Просто казано, вълната на де Бройл е вероятност. Така се установява равенство между математическата концепция (вероятност) и реалния процес.

Квантово поле

Какво представляват корпускулите на материята? Като цяло това са кванти на вълнови полета. Фотонът е квант на електромагнитно поле, позитронът и електронът са електрон-позитронно поле, мезонът е квант на мезонно поле и т.н. Взаимодействието между вълновите полета се обяснява с обмена на определени междинни частици между тях, например при електромагнитно взаимодействие има обмен на фотони. От това пряко следва още едно потвърждение, че вълновите процеси, описани от де Бройл, са абсолютно реални физически явления. А дуализмът на частиците и вълните не действа като „мистериозно скрито свойство“, което характеризира способността на частиците да се „прераждат“. Той ясно демонстрира две взаимосвързани действия - движението на обект и вълновия процес, свързан с него.

Тунелен ефект

Двойствеността вълна-частица на светлината е свързана с много други интересни явления. Посоката на действие на вълната на де Бройл се появява по време на така наречения тунелен ефект, тоест когато фотоните проникват през енергийната бариера. Това явление се причинява от импулса на частицата, превишаващ средната стойност в момента на антинода на вълната. Тунелирането направи възможно разработването на много електронни устройства.

Интерференция на светлинни кванти

Съвременната наука говори за интерференцията на фотоните по същия мистериозен начин, както за интерференцията на електроните. Оказва се, че фотонът, който е неделима частица, може едновременно да премине по всеки път, отворен за себе си, и да се намесва в себе си. Ако вземем предвид, че двойствеността на вълната и частиците на свойствата на материята и фотона е вълна, която обхваща много структурни елементи, тогава нейната делимост не е изключена. Това противоречи на предишните възгледи за частицата като елементарно неделимо образувание. Притежавайки определена маса на движение, фотонът образува надлъжна вълна, свързана с това движение, която предхожда самата частица, тъй като скоростта на надлъжната вълна е по-голяма от тази на напречната електромагнитна вълна. Следователно има две обяснения за намесата на фотона в себе си: частицата се разделя на два компонента, които си взаимодействат; Фотонната вълна се движи по два пътя и образува интерференчен модел. Експериментално е установено, че интерференчен модел се създава и когато единични заредени частици-фотони преминават през интерферометъра на свой ред. Това потвърждава тезата, че всеки отделен фотон пречи сам на себе си. Това се вижда особено ясно, когато се вземе предвид фактът, че светлината (нито кохерентна, нито монохроматична) е колекция от фотони, които се излъчват от атоми във взаимосвързани и произволни процеси.

Какво е светлина?

Светлинната вълна е електромагнитно нелокализирано поле, което се разпространява в пространството. Електромагнитното поле на вълната има обемна енергийна плътност, която е пропорционална на квадрата на амплитудата. Това означава, че енергийната плътност може да се променя с произволно количество, тоест тя е непрекъсната. От една страна, светлината е поток от кванти и фотони (корпускули), които, благодарение на универсалността на такова явление като двойствеността на частиците и вълните, представляват свойствата на електромагнитната вълна. Например при явленията на интерференция, дифракция и мащаби светлината ясно проявява характеристиките на вълна. Например, единичен фотон, както е описано по-горе, преминавайки през двоен процеп, създава интерференчен модел. С помощта на експерименти беше доказано, че един фотон не е електромагнитен импулс. Той не може да бъде разделен на лъчи с разделители на лъчи, както показаха френските физици Аспе, Роджър и Гранжие.

Светлината има и корпускулярни свойства, които се проявяват в ефекта на Комптън и фотоелектричния ефект. Фотонът може да се държи като частица, която се абсорбира изцяло от обекти, чиито размери са много по-малки от дължината на вълната му (например атомно ядро). В някои случаи фотоните обикновено могат да се считат за точкови обекти. Няма значение от каква позиция разглеждаме свойствата на светлината. В полето на цветното зрение поток от светлина може да действа както като вълна, така и като частица-фотон като енергиен квант. Петно, фокусирано върху фоторецептор на ретината, като конусната мембрана, може да позволи на окото да формира своя собствена филтрирана стойност като основните спектрални лъчи на светлината и да ги сортира по дължини на вълните. Според стойностите на квантовата енергия, в мозъка точката на обекта ще бъде преведена в усещане за цвят (фокусирано оптично изображение).

Ако си мислите, че сме потънали в забвение с нашите умопомрачителни теми, то бързаме да ви разочароваме и зарадваме: грешахте! Всъщност през цялото това време се опитвахме да намерим приемлив метод за представяне на луди теми, свързани с квантовите парадокси. Написахме няколко чернови, но всички бяха изхвърлени на студа. Защото, когато става въпрос за обяснение на квантовите шеги, ние самите се объркваме и признаваме, че не разбираме много (и като цяло малко хора разбират тази материя, включително готините световни учени). Уви, квантовият свят е толкова чужд на филистерския мироглед, че изобщо не е срамно да признаете неразбирането си и да се опитате малко заедно, за да разберете поне основите.

И въпреки че, както обикновено, ще се опитаме да говорим възможно най-ясно с изображения от Google, неопитният читател ще се нуждае от първоначална подготовка, така че ви препоръчваме да разгледате предишните ни теми, особено за кванти и материя.
Специално за хуманисти и други заинтересовани хора - квантови парадокси. Част 1.

В тази тема ще говорим за най-честата мистерия на квантовия свят – дуалността вълна-частица. Когато казваме „най-обикновеното“, имаме предвид, че физиците са толкова уморени от него, че дори не изглежда като мистерия. Но това е всичко, защото други квантови парадокси са още по-трудни за приемане от средностатистическия ум.

И беше така. В добрите стари времена, някъде в средата на 17-ти век, Нютон и Хюйгенс се разминават относно съществуването на светлина: Нютон безсрамно заявява, че светлината е поток от частици, а старият Хюйгенс се опитва да докаже, че светлината е вълна. Но Нютон беше по-авторитетен, така че твърдението му за природата на светлината беше прието за вярно, а Хюйгенс стана за смях. И в продължение на двеста години светлината се смяташе за поток от някакви неизвестни частици, чиято природа те се надяваха един ден да открият.

В началото на 19 век ориенталист на име Томас Йънг се занимава с оптични инструменти - в резултат на това той взема и провежда експеримент, който сега се нарича експеримент на Йънг и всеки физик смята този експеримент за свещен.

Томас Йънг просто насочи лъч (със същия цвят, така че честотата да беше приблизително същата) светлина през два процепа в плочата и постави друга екранна плоча зад него. И показа резултата на колегите си. Ако светлината беше поток от частици, тогава щяхме да видим две светлинни ивици на заден план.
Но, за съжаление на целия научен свят, на екрана на плочата се появиха поредица от тъмни и светли ивици. Често срещано явление, наречено смущение, е наслагването на две (или повече вълни) една върху друга.

Между другото, благодарение на намесата наблюдаваме дъгови нюанси върху маслено петно ​​или върху сапунен мехур.

С други думи, Томас Йънг експериментално доказва, че светлината е вълна. Научният свят дълго време не искаше да повярва на Юнг и по едно време той беше толкова критикуван, че дори изостави идеите си за вълновата теория. Но увереността в тяхната правота все още спечели и учените започнаха да разглеждат светлината като вълна. Вярно, вълна от какво - беше мистерия.
Тук, на снимката, е добрият стар експеримент на Юнг.

Трябва да се каже, че вълновата природа на светлината не е повлияла значително на класическата физика. Учените пренаписаха формулите и започнаха да вярват, че скоро целият свят ще падне в краката им под една единствена универсална формула за всичко.
Но вече се досетихте, че Айнщайн, както винаги, развали всичко. Проблемът се промъкна от другата страна - отначало учените се объркаха при изчисляването на енергията на топлинните вълни и откриха концепцията за кванти (не забравяйте да прочетете за това в нашата съответна тема ""). И тогава, с помощта на същите тези кванти, Айнщайн нанесе удар на физиката, обяснявайки феномена на фотоелектричния ефект.

Накратко: фотоелектричният ефект (едно от последствията от който е излагането на филм) е избиването на електрони от повърхността на определени материали от светлина. Технически, това избиване се случва, сякаш светлината е частица. Айнщайн нарича светлинна частица квант светлина, а по-късно тя получава име – фотон.

През 1920 г. удивителният ефект на Комптън е добавен към антивълновата теория на светлината: когато електрон е бомбардиран с фотони, фотонът отскача от електрона със загуба на енергия (ние „стреляме“ в синьо, но червеният лети изключен), като билярдна топка от друга. Комптън спечели Нобелова награда за това.

Този път физиците бяха предпазливи да изоставят просто вълновата природа на светлината, но вместо това се замислиха здраво. Науката е изправена пред ужасяваща мистерия: светлината вълна ли е или частица?

Светлината, като всяка вълна, има честота - и това е лесно да се провери. Виждаме различни цветове, защото всеки цвят е просто различна честота на електромагнитна (светлинна) вълна: червеното е ниска честота, лилавото е висока честота.
Но е удивително: дължината на вълната на видимата светлина е пет хиляди пъти по-голяма от размера на атом - как такова „нещо“ се вписва в атом, когато атомът абсорбира тази вълна? Ако само фотонът е частица, сравнима по размер с атом. Голям и малък фотон едновременно ли е?

В допълнение, фотоелектричният ефект и ефектът на Комптън ясно доказват, че светлината все още е поток от частици: не може да се обясни как една вълна пренася енергия към електрони, локализирани в пространството - ако светлината беше вълна, тогава някои електрони биха били изхвърлени по-късно отколкото други, и явлението Не бихме наблюдавали фотоелектричния ефект. Но в случай на поток, един фотон се сблъсква с един електрон и при определени условия го избива от атома.

В резултат на това беше решено: светлината е едновременно вълна и частица. Или по-скоро нито едното, нито другото, а нова непозната досега форма на съществуване на материята: явленията, които наблюдаваме, са само проекции или сенки на реалното състояние на нещата, в зависимост от това как гледате на случващото се. Когато погледнем сянката на цилиндър, осветен от едната страна, виждаме кръг, а когато осветим от другата страна, виждаме правоъгълна сянка. Така е и с вълновото представяне на светлината от частици.

Но и тук всичко не е лесно. Не можем да кажем, че считаме светлината или за вълна, или за поток от частици. Погледни през прозореца. Изведнъж дори в чисто измито стъкло виждаме собственото си отражение, макар и размазано. Каква е уловката? Ако светлината е вълна, тогава е лесно да се обясни отражението в прозорец - виждаме подобни ефекти върху водата, когато вълна се отразява от препятствие. Но ако светлината е поток от частици, тогава отражението не може да се обясни толкова лесно. В крайна сметка всички фотони са еднакви. Но ако всички те са еднакви, то преградата под формата на прозоречно стъкло би трябвало да има същия ефект върху тях. Или всички преминават през стъклото, или всички се отразяват. Но в суровата реалност някои от фотоните прелитат през стъклото и ние виждаме съседната къща и веднага виждаме нашето отражение.

И единственото обяснение, което идва на ум: фотоните са сами. Невъзможно е да се предвиди със сто процента вероятност как ще се държи даден фотон - дали ще се сблъска със стъклото като частица или като вълна. Това е основата на квантовата физика - напълно, абсолютно произволно поведение на материята на микрониво без никаква причина (а в нашия свят на големи количества от опит знаем, че всичко си има причина). Това е перфектен генератор на случайни числа, за разлика от хвърлянето на монета.

Гениалният Айнщайн, който открива фотона, до края на живота си е убеден, че квантовата физика греши, и уверява всички, че „Бог не играе на зарове“. Но съвременната наука все повече потвърждава, че играе.

По един или друг начин един ден учените решиха да сложат край на дебата „вълна или частица“ и да възпроизведат опита на Юнг, като вземат предвид технологиите на 20-ти век. По това време те се бяха научили да изстрелват фотони един по един (квантови генератори, известни сред населението като „лазери“) и затова беше решено да се провери какво ще се случи на екрана, ако се изстреля една частица в два процепа: най-накрая ще стане ясно какво представлява материята при контролирани експериментални условия.

И изведнъж - единичен квант светлина (фотон) показа интерференчен модел, тоест частицата прелетя през двата процепа едновременно, фотонът се намеси сам в себе си (научно казано). Нека да изясним техническия момент - всъщност интерференционната картина се показва не от един фотон, а от поредица от изстрели на една частица на интервали от 10 секунди - с течение на времето ресните на Йънг, познати на всеки студент C от 1801 г., се появяват на екрана.

От гледна точка на вълната това е логично - вълната преминава през пукнатините и сега две нови вълни се разминават в концентрични кръгове, припокривайки се.
Но от корпускулярна гледна точка се оказва, че фотонът е на две места едновременно, когато преминава през процепите, и след преминаването им се смесва със себе си. Това по принцип е нормално, а?
Оказа се, че е нормално. Освен това, тъй като фотонът е в два процепа едновременно, това означава, че той е едновременно навсякъде както преди процепите, така и след прелитането им. И като цяло, от гледна точка на квантовата физика, освободеният фотон между старта и финала е едновременно „навсякъде и наведнъж“. Физиците наричат ​​подобно намиране на частица „навсякъде наведнъж“ суперпозиция - ужасна дума, която преди беше математическа глезотия, сега се превърна във физическа реалност.

Известен Е. Шрьодингер, известен противник на квантовата физика, по това време е изкопал някъде формула, която описва вълновите свойства на материята, като водата. И след като побърниках малко с него, за мой ужас, извадих така наречената вълнова функция. Тази функция показва вероятността за намиране на фотон на определено място. Имайте предвид, че това е вероятност, а не точно местоположение. И тази вероятност зависеше от квадрата на височината на квантовия вълнов гребен на дадено място (ако някой се интересува от подробностите).

Ще посветим отделна глава на въпросите за измерване на местоположението на частиците.

Допълнителни открития показаха, че нещата с дуализма са още по-лоши и по-мистериозни.
През 1924 г. някой си Луи де Бройл каза, че вълново-корпускулярните свойства на светлината са върхът на айсберга. И всички елементарни частици имат това непонятно свойство.
Тоест частица и вълна в същото време са не само частици от електромагнитното поле (фотони), но и реални частици като електрони, протони и др. Цялата материя около нас на микроскопично ниво е вълна(и частици в същото време).

И няколко години по-късно това дори беше потвърдено експериментално - американците задвижваха електрони в електронно-лъчеви тръби (които са известни на днешните стари пердахи под името "кинескоп") - и така наблюденията, свързани с отражението на електроните, потвърдиха, че електрон също е вълна (за по-лесно разбиране можете да кажете, че са поставили плоча с два прореза по пътя на електрона и са видели интерференцията на електрона такава, каквато е).

Към днешна дата експериментите са открили, че атомите също имат вълнови свойства и дори някои специални видове молекули (така наречените „фулерени“) се проявяват като вълни.

Любознателният ум на читателя, който още не е зашеметен от нашата история, ще попита: ако материята е вълна, тогава защо например летяща топка не се размазва в пространството под формата на вълна? Защо реактивният самолет изобщо не прилича на вълна, а е много подобен на реактивен самолет?

Де Бройл, дяволът, обясни всичко тук: да, летяща топка или боинг също е вълна, но дължината на тази вълна е по-къса, толкова по-голям е импулсът. Импулсът е масата по скоростта. Тоест, колкото по-голяма е масата на материята, толкова по-къса е нейната дължина на вълната. Дължината на вълната на топка, летяща със скорост 150 km/h, ще бъде приблизително 0,00 метра. Следователно не можем да забележим как топката се разпространява в пространството като вълна. За нас това е твърда материя.
Електронът е много лека частица и, летейки със скорост от 6000 км/сек, ще има забележима дължина на вълната от 0,0000000001 метра.

Между другото, нека веднага да отговорим на въпроса защо атомното ядро ​​не е толкова „вълнообразно“. Въпреки че се намира в центъра на атома, около който електронът лудо лети и в същото време се размазва, той има приличен импулс, свързан с масата на протоните и неутроните, както и високочестотното трептене (скорост) поради до наличието на постоянен обмен на частици вътре в ядрото силно взаимодействие (прочети темата). Следователно ядрото прилича повече на познатата ни твърда материя. Електронът, очевидно, е единствената частица с маса, която има ясно изразени вълнови свойства, така че всички го изучават с наслада.

Да се ​​върнем към нашите частици. Така се оказва: въртящият се около атом електрон е едновременно частица и вълна. Тоест, частицата се върти, а в същото време електронът като вълна представлява обвивка с определена форма около ядрото - как това изобщо може да бъде разбрано от човешкия мозък?

Вече изчислихме по-горе, че летящ електрон има доста огромна (за микрокосмос) дължина на вълната и за да се побере около ядрото на атома, такава вълна се нуждае от неприлично голямо пространство. Точно това обяснява толкова големите размери на атомите в сравнение с ядрото. Дължините на вълните на електрона определят размера на атома. Празното пространство между ядрото и повърхността на атома се запълва от „настаняването“ на дължината на вълната (и в същото време на частицата) на електрона. Това е много грубо и некоректно обяснение - моля да ни извините - в действителност всичко е много по-сложно, но нашата цел е поне да позволим на хората, които се интересуват от всичко това, да отхапат парче от гранита на науката.

Нека бъдем ясни отново!След няколко коментара върху статията [в YP], осъзнахме какъв важен момент липсва в тази статия. внимание! Формата на материята, която описваме, не е нито вълна, нито частица. То само (едновременно) притежава свойствата на вълната и свойствата на частиците. Не може да се каже, че електромагнитната вълна или електронната вълна е като морските вълни или звуковите вълни. Вълните, които познаваме, представляват разпространението на смущения в пространството, изпълнено с някакво вещество.
Фотоните, електроните и други екземпляри на микрокосмоса, когато се движат в пространството, могат да бъдат описани с вълнови уравнения; тяхното поведение е само ПОДОБНО на вълна, но в никакъв случай не са вълна. Подобно е и с корпускулярната структура на материята: поведението на една частица е подобно на полета на малки точкови топки, но те никога не са топки.
Това трябва да се разбере и приеме, в противен случай всичките ни мисли в крайна сметка ще доведат до търсене на аналози в макрокосмоса и по този начин разбирането на квантовата физика ще приключи и ще започне фриарството или шарлатанската философия, като квантовата магия и материалността. от мисли.

Останалите ужасяващи изводи и последствия от модернизирания експеримент на Юнг ще разгледаме по-късно в следващата част - несигурността на Хайзенберг, котката на Шрьодингер, принципът на изключване на Паули и квантовото заплитане очакват търпеливия и внимателен читател, който ще препрочита нашите статии повече от веднъж и ще се рови чрез интернет в търсене на допълнителна информация.

Благодаря на всички за вниманието. Честито безсъние или когнитивни кошмари на всички!

NB: Усърдно ви напомняме, че всички изображения са взети от Google (търсене по изображения) - авторството се определя там.
Нелегалното копиране на текст се преследва, потиска се, добре, нали знаете...

Двойственост вълна-частица– свойството на всяка микрочастица да открива признаци на частица (корпускула) и вълна. Дуализмът вълна-частица се проявява най-ясно при елементарните частици. Електронът, неутронът, фотонът при едни условия се държат като добре локализирани материални обекти (частици) в пространството, движещи се с определени енергии и импулси по класически траектории, а при други като вълни, което се проявява в способността им да интерферират и дифракция. Така електромагнитната вълна, разсейвайки се върху свободни електрони, се държи като поток от отделни частици - фотони, които са кванти на електромагнитното поле (ефект на Комптън), а импулсът на фотона се дава по формулата p = h/λ, където λ е дължината на електромагнитната вълна, а h е константата на Планк. Тази формула сама по себе си е доказателство за дуализъм. При него отляво е импулсът на отделна частица (фотон), а отдясно дължината на вълната на фотона. Двойствеността на електроните, които сме свикнали да разглеждаме като частици, се проявява в това, че при отражение от повърхността на единичен кристал се наблюдава дифракционна картина, която е проява на вълновите свойства на електроните. Количествената връзка между корпускулярните и вълновите характеристики на електрона е същата като при фотона: р = h/λ (р е импулсът на електрона, а λ е неговата дължина на вълната на Де Бройл). Дуалността вълна-частица е в основата на квантовата физика.

Вълната (козина) е процес, винаги свързан с материална среда, която заема определен обем в пространството.

64. Вълни на Де Бройл. Електронна дифракция Вълнови свойства на микрочастиците.

Развитието на идеите за корпускулярно-вълновите свойства на материята, получено в хипотезата за вълновата природа на движението на микрочастиците. Луис дьо Бройл, от идеята за симетрия в природата за частиците на материята и светлината, приписва на всяка микрочастица определен вътрешен периодичен процес (1924 г.). Комбинирайки формулите E = hν и E = mc 2, той получава връзка, показваща, че всяка частица има своя собствена дължина на вълната : λ B = h/mv = h/p, където p е импулсът на вълновата частица. Например за електрон с енергия 10 eV дължината на вълната на де Бройл е 0,388 nm. Впоследствие беше показано, че състоянието на микрочастицата в квантовата механика може да се опише с определен комплекс вълнова функция координатите Ψ(q) и квадрата на модула на тази функция |Ψ| 2 определя вероятностното разпределение на стойностите на координатите. Тази функция е въведена за първи път в квантовата механика от Шрьодингер през 1926 г. По този начин вълната на де Бройл не носи енергия, а само отразява „фазовото разпределение“ на някакъв вероятностен периодичен процес в пространството. Следователно описанието на състоянието на обектите от микросвета е вероятностен характер, за разлика от обектите на макросвета, които се описват от законите на класическата механика.

За да докаже идеята на де Бройл за вълновата природа на микрочастиците, немският физик Елзасер предлага използването на кристали за наблюдение на електронна дифракция (1925 г.). В САЩ К. Дейвисън и Л. Гермер откриват явлението дифракция, когато електронен лъч преминава през пластина от никелов кристал (1927 г.). Независимо от тях, дифракцията на електрони, преминаващи през метално фолио, е открита от J.P.Thomson в Англия и P.S. Тартаковски в СССР. Така идеята на де Бройл за вълновите свойства на материята намери експериментално потвърждение. Впоследствие дифракционните и следователно вълновите свойства са открити в атомните и молекулярните лъчи. Не само фотоните и електроните, но и всички микрочастици имат свойства на частици-вълни.

Откриването на вълновите свойства на микрочастиците показа, че такива форми на материята като поле (непрекъснато) и материя (дискретно), които от гледна точка на класическата физика се считат за качествено различни, при определени условия могат да проявяват свойства, присъщи и на двете форми. Това говори за единството на тези форми на материята. Пълното описание на техните свойства е възможно само въз основа на противоположни, но допълващи се идеи.

Въведение

Почти едновременно бяха представени две теории за светлината: корпускулярната теория на Нютон и вълновата теория на Хюйгенс.

Според корпускулярната теория или теорията за изтичането, представена от Нютон в края на 17 век, светещите тела излъчват малки частици (корпускули), които летят право във всички посоки и когато влязат в окото, предизвикват усещане за светлина .

Според вълновата теория, светещото тяло предизвиква еластични вибрации в специална среда, изпълваща цялото космическо пространство - световния етер, които се разпространяват в етера подобно на звуковите вълни във въздуха.

По времето на Нютон и Хюйгенс повечето учени се придържаха към корпускулярната теория на Нютон, която доста задоволително обясняваше всички светлинни явления, известни по това време. Отражението на светлината беше обяснено подобно на отражението на еластични тела при удар с равнина. Пречупването на светлината се обяснява с действието на големи сили на привличане върху корпускулите от по-плътна среда. Под въздействието на тези сили, които се проявяват според теорията на Нютон при доближаване до по-плътна среда, светлинните корпускули получават ускорение, насочено перпендикулярно на границата на тази среда, в резултат на което променят посоката на движение и при в същото време увеличиха скоростта си. Други светлинни явления бяха обяснени по подобен начин.

Впоследствие появилите се нови наблюдения не се вписват в рамките на тази теория. По-специално, непоследователността на тази теория беше открита, когато беше измерена скоростта на разпространение на светлината във водата. Оказа се не повече, а по-малко, отколкото във въздуха.

В началото на 19 век вълновата теория на Хюйгенс, непризната от неговите съвременници, е развита и усъвършенствана от Йънг и Френел и получава всеобщо признание. През 60-те години на миналия век, след като Максуел развива теорията за електромагнитното поле, се оказва, че светлината е електромагнитни вълни. Така вълновата механистична теория на светлината беше заменена от вълновата електромагнитна теория. Светлинните вълни (видим спектър) заемат диапазона от 0,4–0,7 µm по скалата на електромагнитните вълни. Вълновата теория на светлината на Максуел, която разглежда радиацията като непрекъснат процес, не успя да обясни някои от новооткритите оптични явления. Тя беше допълнена от квантовата теория на светлината, според която енергията на светлинната вълна се излъчва, разпределя и поглъща не непрекъснато, а на определени порции - светлинни кванти или фотони - които зависят само от дължината на светлинната вълна. Така, според съвременните концепции, светлината има както вълнови, така и корпускулярни свойства.

Интерференция на светлината

Вълни, които създават трептения във всяка точка на пространството с фазова разлика, която не се променя във времето, се наричат ​​кохерентни. Фазовата разлика в този случай има постоянна, но най-общо казано различна стойност за различните точки в пространството. Очевидно е, че само вълни с еднаква честота могат да бъдат кохерентни.

Когато няколко кохерентни вълни се разпространяват в пространството, трептенията, генерирани от тези вълни, се засилват взаимно в някои точки и се отслабват взаимно в други. Това явление се нарича вълнова интерференция. Вълни от всякакво физическо естество могат да пречат. Ще разгледаме интерференцията на светлинните вълни.

Източниците на кохерентни вълни се наричат ​​още кохерентни. Когато дадена повърхност е осветена от няколко кохерентни източника на светлина, на тази повърхност обикновено се появяват редуващи се светли и тъмни ивици.

Два независими източника на светлина, например две електрически лампи, не са кохерентни. Светлинните вълни, които излъчват, са резултат от добавянето на голям брой вълни, излъчвани от отделни атоми. Излъчването на вълни от атоми се случва случайно и следователно няма постоянни връзки между фазите на вълните, излъчвани от два източника.

Когато повърхността е осветена от некохерентни източници, моделът на редуващи се светли и тъмни ивици, характерни за интерференция, не се появява. Осветеността във всяка точка се оказва равна на сумата от осветеността, създадена от всеки от източниците поотделно.

Кохерентните вълни се получават чрез разделяне на лъч светлина от един източник на два или повече отделни лъча.

Интерференция на светлина може да се наблюдава при осветяване на прозрачна плоча с различна дебелина, по-специално клиновидна плоча, с монохроматични (едноцветни) лъчи. Окото на наблюдателя ще получи вълни, отразени както от предната, така и от задната повърхност на плочата. Резултатът от интерференцията се определя от разликата във фазите на тези и други вълни, която постепенно се променя с промени в дебелината

Когато плоскопаралелна плоча е осветена от паралелен лъч, фазовата разлика на светлинните вълни, отразени от предната и задната й повърхност, е еднаква във всички точки - плочата ще изглежда равномерно осветена.

Около точката на контакт на леко изпъкнало стъкло с плоско, при осветяване с монохроматична светлина се наблюдават тъмни и светли пръстени - така наречените пръстени на Нютон. Тук най-тънкият слой въздух между двете стъкла играе ролята на отразяващ филм с постоянна дебелина по концентрични кръгове.

Дифракция на светлината.

Светлинната вълна не променя геометричната форма на фронта, когато се разпространява в хомогенна среда. Ако обаче светлината се разпространява в нехомогенна среда, в която например има непрозрачни екрани, области от пространството с относително рязко изменение на показателя на пречупване и т.н., тогава се наблюдава изкривяване на фронта на вълната. В този случай се получава преразпределение на интензитета на светлинната вълна в пространството. При осветяване например на непрозрачни екрани с точков източник на светлина на границата на сянката, където според законите на геометричната оптика трябва да има рязък преход от сянка към светлина, се появяват множество тъмни и светли ивици част от светлината прониква в областта на геометричната сянка. Тези явления са свързани с дифракцията на светлината.

И така, дифракцията на светлината в тесния смисъл на думата е феноменът на огъване на светлината около контура на непрозрачни тела и навлизане на светлина в областта на геометрична сянка; в широк смисъл, всяко отклонение в разпространението на светлината от законите на геометричната оптика.

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

Ако средата съдържа малки частици (мъгла) или индексът на пречупване се променя забележимо на разстояния от порядъка на дължината на вълната, тогава в тези случаи говорим за разсейване на светлината и терминът „дифракция” не се използва.

Има два вида дифракция на светлината. Чрез изучаване на дифракционната картина в точка на наблюдение, разположена на ограничено разстояние от препятствие, ние имаме работа с дифракция на Френел. Ако точката на наблюдение и източникът на светлина са разположени толкова далеч от препятствието, че падащите върху препятствието лъчи и лъчите, отиващи към точката на наблюдение, могат да се считат за успоредни лъчи, тогава говорим за дифракция в успоредни лъчи - дифракция на Фраунхофер.

Теорията на дифракцията разглежда вълновите процеси в случаите, когато има някакви препятствия по пътя на разпространение на вълната.

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

Поляризация на светлината

Явленията интерференция и дифракция, които послужиха за обосноваване на вълновата природа на светлината, все още не дават пълна картина на природата на светлинните вълни. Нови характеристики ни се разкриват от опита на преминаване на светлина през кристали, по-специално през турмалин.

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

Всички наблюдавани явления могат да бъдат обяснени, ако се направят следните заключения.

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

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

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