A fény elektromágneses természete a részecske-hullám dualizmus. Mi a hullám-részecske kettősség? Kettős rés kísérlet

A fény hullám-részecske kettőssége azt jelenti, hogy a fény egyszerre rendelkezik a folytonos elektromágneses hullámok és a diszkrét fotonok tulajdonságaival. Ezt az alapvető következtetést a fizikusok tették le a 20. században, és a fénnyel kapcsolatos korábbi elképzelésekből következtek. Newton úgy vélte, hogy a fény részecskék folyama, vagyis anyagrészecskék egyenes vonalban repülő folyama. Ez az elmélet jól megmagyarázta a fény egyenes vonalú terjedését. De nehézségek merültek fel a visszaverődés és a fénytörés törvényeinek magyarázata során, és a diffrakció és az interferencia jelenségei egyáltalán nem magyarázhatók a korpuszkuláris elmélettel. Ezért született meg a fény hullámelmélete. Ez az elmélet megmagyarázta a diffrakciót és az interferenciát, de nehézséget okozott az egyenes fény magyarázata. Csak a 19. században tudta J. Fresnel más fizikusok felfedezéseit felhasználva egyetlen elméletté egyesíteni a már levezetett elveket, mely szerint a fény egy keresztirányú mechanikai hullám. Később Maxwell felfedezte, hogy a fény az elektromágneses sugárzás egy fajtája. De a 20. század elején Einstein felfedezésének köszönhetően a fényről alkotott elképzelések ismét megváltoztak. A fényt fotonfolyamként kezdték érteni. De a fény bizonyos tulajdonságait tökéletesen megmagyarázta a hullámelmélet. A fénynek korpuszkuláris és hullámtulajdonságai is vannak. Ebben az esetben a következő törvényszerűségek állnak fenn: minél rövidebb a hullámhossz, annál világosabbak a korpuszkuláris tulajdonságok, minél hosszabb a hullámhossz, annál világosabbak a hullámtulajdonságok.

De Broglie szerint minden mikroobjektum egyrészt a korpuszkuláris jellemzőkkel – az E energiával és a p impulzussal –, másrészt a hullámjellemzőkkel – a frekvenciával és a hullámhosszal – kapcsolódik.

1924-ben L. de Broglie francia fizikus merész hipotézist terjesztett elő: a hullám-részecske kettősség univerzális jellegű, i.e. minden véges P impulzusú részecske hullámtulajdonságokkal rendelkezik. Így jelent meg a fizikában a híres de Broglie-képlet, ahol m a részecske tömege, V a sebessége, h a Planck-állandó.

Így, a mikroobjektum korpuszkuláris és hullámtulajdonságai az egyidejű megnyilvánulásuk tekintetében összeegyeztethetetlenek, ugyanakkor egyformán jellemzik az objektumot, azaz. kiegészítik egymást. Ezt a gondolatot fogalmazta meg N. Bohr, és ő képezte az alapját a modern tudomány legfontosabb módszertani elvének, amely jelenleg nemcsak a fizikai tudományokra, hanem az egész természettudományra is kiterjed - a komplementaritás elve (1927). A lényeg A komplementaritás elve N. Bohr szerint a következőkre vezethető vissza: bármennyire is túlmutatnak a jelenségek a klasszikus fizikai magyarázaton, minden kísérleti adatot klasszikus fogalmak segítségével kell leírni. A kvantummechanikai jelenségek teljes leírásához két, egymást kizáró (kiegészítő) klasszikus fogalomkészletet kell használni, amelyek kombinációja a legteljesebb információt nyújtja ezekről a jelenségekről összességében.

A komplementaritás elve, mint a tudás általános elve a következőképpen fogalmazható meg: minden valódi természeti jelenség nem határozható meg egyértelműen nyelvünk szavaival, és annak meghatározásához legalább két, egymást kizáró kiegészítő fogalom szükséges. Ilyen jelenségek például a kvantumjelenségek, az élet, a psziché stb. Bohr különösen szükségesnek látta a komplementaritás elvének alkalmazását a biológiában, ami az őket biztosító élő szervezetek rendkívül összetett szerkezetének és funkcióinak köszönhető. szinte kimeríthetetlen rejtett képességekkel.

Az elmúlt száz évben a tudomány nagy előrelépést tett világunk szerkezetének tanulmányozásában mind mikroszkopikus, mind makroszkopikus szinten. A különleges és általános relativitáselméletek és a kvantummechanika által hozott csodálatos felfedezések még mindig izgatják a közvéleményt. Azonban minden művelt embernek meg kell értenie legalább a modern tudományos vívmányok alapjait. Az egyik leglenyűgözőbb és legfontosabb pont a hullám-részecske kettősség. Paradox felfedezésről van szó, amelynek megértése túlmutat az intuitív mindennapi érzékelés hatókörén.

Testtestek és hullámok

A dualizmust először a fény tanulmányozásában fedezték fel, amely a körülményektől függően teljesen eltérően viselkedett. Egyrészt kiderült, hogy a fény egy optikai elektromágneses hullám. Másrészt van egy diszkrét részecske (a fény kémiai hatása). Kezdetben a tudósok úgy vélték, hogy ez a két ötlet kizárja egymást. Számos kísérlet azonban kimutatta, hogy ez nem így van. Fokozatosan általánossá vált egy olyan koncepció, mint a hullám-részecske kettősség. Ez a koncepció adja az alapot az olyan összetett kvantumobjektumok viselkedésének tanulmányozásához, amelyek sem nem hullámok, sem nem részecskék, hanem csak az utóbbiak vagy az előbbiek tulajdonságait sajátítják el bizonyos feltételek függvényében.

Kettős rés kísérlet

A foton diffrakció a dualizmus egyértelmű demonstrációja. A töltött részecskék detektora egy fényképező lemez vagy egy fluoreszkáló képernyő. Minden egyes fotont megvilágítás vagy foltvillanás jelölt meg. Az ilyen jelek kombinációja interferenciamintát adott - gyengén és erősen megvilágított csíkok váltakozását, ami a hullámdiffrakció jellemzője. Ezt egy olyan fogalom magyarázza, mint a hullám-részecske kettősség. A híres fizikus és Nobel-díjas Richard Feynman azt mondta, hogy az anyag kis léptékben úgy viselkedik, hogy a kvantumviselkedés „természetességét” nem lehet érezni.

Univerzális dualizmus

Ez a tapasztalat azonban nem csak a fotonokra érvényes. Kiderült, hogy a dualizmus minden anyag sajátja, és egyetemes. Heisenberg azzal érvelt, hogy az anyag felváltva mindkét formában létezik. Ma már teljesen bebizonyosodott, hogy mindkét tulajdonság teljesen egyidejűleg jelenik meg.

Corpuscularis hullám

Mivel magyarázhatjuk az anyagnak ezt a viselkedését? A testekben (részecskékben) rejlő hullámot de Broglie-hullámnak nevezik, nevét arról a fiatal arisztokrata tudósról kapta, aki megoldást javasolt erre a problémára. Általánosan elfogadott, hogy a de Broglie-egyenletek egy hullámfüggvényt írnak le, amely négyzetbe vonva csak annak valószínűségét határozza meg, hogy egy részecske különböző időpontokban a tér különböző pontjain van. Egyszerűen fogalmazva, a de Broglie hullám egy valószínűség. Így létrejött az egyenlőség a matematikai fogalom (valószínűség) és a valós folyamat között.

Kvantum mező

Mik azok az anyagtestek? Nagyjából ezek a hullámmezők kvantumai. A foton az elektromágneses tér kvantuma, a pozitron és az elektron az elektron-pozitron mező, a mezon a mezonmező kvantuma, és így tovább. A hullámterek közötti kölcsönhatást bizonyos köztes részecskék közötti cseréje magyarázza, például az elektromágneses kölcsönhatás során fotoncsere történik. Ebből közvetlenül következik egy újabb megerősítés, hogy a de Broglie által leírt hullámfolyamatok abszolút valós fizikai jelenségek. És a részecske-hullám dualizmus nem „titokzatos rejtett tulajdonságként” működik, amely a részecskék „reinkarnálódási” képességét jellemzi. Világosan szemlélteti két egymással összefüggő cselekvést - egy tárgy mozgását és a hozzá kapcsolódó hullámfolyamatot.

Alagút hatás

A fény hullám-részecske kettőssége sok más érdekes jelenséghez kapcsolódik. A de Broglie-hullám hatásiránya az úgynevezett alagúteffektus során jelenik meg, vagyis amikor a fotonok áthatolnak az energiagáton. Ezt a jelenséget az okozza, hogy a részecske impulzusa meghaladja az átlagos értéket a hullám antinódus pillanatában. Az alagútépítés számos elektronikus eszköz kifejlesztését tette lehetővé.

A fénykvantumok interferenciája

A modern tudomány a fotonok interferenciájáról ugyanúgy titokzatos módon beszél, mint az elektronok interferenciájáról. Kiderült, hogy egy foton, amely egy oszthatatlan részecske, egyidejűleg áthaladhat bármely önmaga számára nyitott úton, és interferálhat önmagával. Ha figyelembe vesszük, hogy az anyag és a foton tulajdonságainak hullám-részecske kettőssége egy sok szerkezeti elemet lefedő hullám, akkor az oszthatósága sem kizárt. Ez ellentmond a részecskére mint elemi oszthatatlan képződményre vonatkozó korábbi nézeteknek. A foton bizonyos mozgástömeggel a mozgáshoz kapcsolódó hosszanti hullámot képez, amely megelőzi magát a részecskét, mivel a hosszanti hullám sebessége nagyobb, mint a keresztirányú elektromágneses hullámé. Ezért két magyarázat létezik a foton önmagával való interferenciájára: a részecske két komponensre hasad, amelyek interferálnak egymással; A fotonhullám két úton halad, és interferenciamintázatot alkot. Kísérletileg felfedezték, hogy interferencia-mintázat jön létre akkor is, ha egyszeresen töltött részecskéket-fotonokat vezetnek át az interferométeren. Ez megerősíti azt a tézist, hogy minden egyes foton interferál önmagával. Ez különösen jól látható, ha figyelembe vesszük azt a tényt, hogy a fény (sem nem koherens, sem nem monokromatikus) fotonok gyűjteménye, amelyeket az atomok egymással összekapcsolt és véletlenszerű folyamatok során bocsátanak ki.

Mi a fény?

A fényhullám egy elektromágneses, nem lokalizált mező, amely az egész térben eloszlik. A hullám elektromágneses mezejének térfogati energiasűrűsége arányos az amplitúdó négyzetével. Ez azt jelenti, hogy az energiasűrűség tetszőleges mértékben változhat, azaz folyamatos. Egyrészt a fény kvantumok és fotonok (testek) folyama, amely egy olyan jelenség egyetemességének köszönhetően, mint a részecske-hullám kettőssége, az elektromágneses hullám tulajdonságait képviseli. Például az interferencia, a diffrakció és a skála jelenségeiben a fény egyértelműen a hullám jellemzőit mutatja. Például, a fent leírtak szerint egyetlen foton, amely áthalad egy kettős résen, interferencia-mintázatot hoz létre. Kísérletek segítségével bebizonyosodott, hogy egyetlen foton nem elektromágneses impulzus. Nem osztható gerendákra sugárosztókkal, ahogy azt Aspe, Roger és Grangier francia fizikusok mutatták.

A fénynek korpuszkuláris tulajdonságai is vannak, amelyek a Compton-effektusban és a fotoelektromos effektusban nyilvánulnak meg. A foton úgy viselkedhet, mint egy részecske, amelyet teljesen elnyelnek olyan tárgyak, amelyek mérete jóval kisebb, mint a hullámhossza (például egy atommag). Egyes esetekben a fotonok általában pontobjektumoknak tekinthetők. Nem mindegy, hogy milyen helyzetben tekintjük a fény tulajdonságait. A színlátás területén a fényáram hullámként és részecske-fotonként energiakvantumként is működhet. A retina fotoreceptorára fókuszált folt, például a kúpmembrán, lehetővé teszi a szem számára, hogy a fő spektrális fénysugarakként saját szűrt értéket alakítson ki, és hullámhosszok szerint rendezze azokat. A kvantumenergia értékek szerint az agyban a tárgypont színérzékeléssé (fókuszált optikai kép) alakul át.

Ha azt gondoltad, hogy feledésbe merültünk észbontó témáinkkal, akkor sietünk csalódást okozni és boldoggá tenni: tévedtél! Valójában egész idő alatt próbáltunk elfogadható módszert találni a kvantumparadoxonokkal kapcsolatos őrült témák bemutatására. Több tervezetet is írtunk, de mindegyiket kidobtuk a hidegbe. Mert amikor a kvantumviccek magyarázatáról van szó, mi magunk is összezavarodunk, és bevalljuk, hogy nem sok mindent értünk (és általában kevesen értik ezt a dolgot, beleértve a világ menő tudósait is). Jaj, a kvantumvilág annyira idegen a filiszter világnézettől, hogy egyáltalán nem szégyen beismerni félreértésedet, és egy kicsit együtt próbálkozni, hogy legalább az alapokat megértsük.

És bár szokás szerint igyekszünk a Google képeivel a lehető legvilágosabban beszélni, a tapasztalatlan olvasónak némi kezdeti előkészületre lesz szüksége, ezért javasoljuk, hogy nézze át korábbi témáinkat, különös tekintettel a kvantumokra és az anyagra.
Főleg humanistáknak és más érdeklődőknek – kvantumparadoxonok. 1. rész.

Ebben a témában a kvantumvilág leggyakoribb rejtélyéről, a hullám-részecske kettősségről fogunk beszélni. Amikor azt mondjuk, hogy „a leghétköznapibb”, arra gondolunk, hogy a fizikusok annyira belefáradtak, hogy nem is tűnik rejtélynek. De mindez azért van, mert más kvantumparadoxonokat az átlagos elme még nehezebben fogad el.

És ez így volt. A régi szép időkben, valahol a 17. század közepén Newton és Huygens nem értett egyet a fény létezésével kapcsolatban: Newton szemérmetlenül kijelentette, hogy a fény részecskék folyama, a régi Huygens pedig megpróbálta bebizonyítani, hogy a fény hullám. De Newton tekintélyesebb volt, így a fény természetére vonatkozó kijelentését igaznak fogadták el, Huygenst pedig kinevették. A fényt pedig kétszáz évig ismeretlen részecskék folyamának tekintették, amelynek természetét egy napon felfedezni remélték.

A 19. század elején egy Thomas Young nevű orientalista optikai műszerekkel foglalkozott – ennek eredményeként fogott és hajtott végre egy kísérletet, amelyet ma Young kísérletének neveznek, és ezt a kísérletet minden fizikus szentnek tartja.

Thomas Young éppen egy fénysugarat (azonos színű, így a frekvencia megközelítőleg azonos volt) irányított a lemez két résén keresztül, és egy másik képernyőlemezt helyezett mögé. Az eredményt pedig megmutatta kollégáinak. Ha a fény részecskék folyama lenne, akkor két világos csíkot látnánk a háttérben.
De sajnos az egész tudományos világ számára egy sor sötét és világos csík jelent meg a lemez képernyőjén. Az interferenciának nevezett gyakori jelenség két (vagy több) hullám egymásra helyeződése.

Egyébként az interferenciának köszönhető, hogy egy olajfolton vagy egy szappanbuborékon szivárványos árnyalatokat figyelhetünk meg.

Más szóval, Thomas Young kísérletileg bebizonyította, hogy a fény hullám. A tudományos világ sokáig nem akart hinni Jungnak, és egy időben annyira kritizálták, hogy még a hullámelméletről alkotott elképzeléseit is feladta. De az igazukba vetett bizalom továbbra is győzött, és a tudósok a fényt hullámnak kezdték tekinteni. Igaz, egy hullám, hogy mi - ez rejtély volt.
Íme, a képen a jó öreg Jung-kísérlet.

Azt kell mondanunk, hogy a fény hullámtermészete nem befolyásolta nagymértékben a klasszikus fizikát. A tudósok átírták a képleteket, és elkezdték azt hinni, hogy hamarosan az egész világ a lábuk elé fog borulni mindenre egyetlen univerzális képlet alatt.
De már sejtette, hogy Einstein, mint mindig, mindent tönkretett. A baj a másik oldalról kúszott fel - a tudósok először összezavarodtak a hőhullámok energiájának kiszámításában, és felfedezték a kvantum fogalmát (erről feltétlenül olvassa el a megfelelő témánkban ""). És akkor ugyanezen kvantumok segítségével Einstein csapást mért a fizikára, megmagyarázva a fotoelektromos hatás jelenségét.

Röviden: a fotoelektromos hatás (amelynek egyik következménye a filmfelvétel) az elektronok kiütése bizonyos anyagok felületéről a fény hatására. Technikailag ez a kiütés úgy történik, mintha a fény egy részecske lenne. Einstein a fényrészecskét fénykvantumnak nevezte, majd később a foton nevet kapta.

1920-ban a fény hullámellenes elméletéhez hozzáadták az elképesztő Compton-effektust: amikor egy elektront fotonokkal bombáznak, a foton energiavesztéssel lepattan le az elektronról (kékben „lövünk”, de a piros repül). off), mint egy biliárdlabda egy másiktól. Compton ezért kapott Nobel-díjat.

Ezúttal a fizikusok óvakodtak attól, hogy egyszerűen feladják a fény hullámtermészetét, ehelyett keményen gondolkodtak. A tudomány félelmetes rejtéllyel áll szemben: a fény hullám vagy részecske?

A fénynek, mint minden hullámnak, van frekvenciája - és ezt könnyű ellenőrizni. Különböző színeket látunk, mert minden szín egyszerűen egy elektromágneses (fény) hullám más-más frekvenciája: a piros alacsony frekvenciájú, a lila pedig a magas frekvenciája.
De elképesztő: a látható fény hullámhossza ötezerszer akkora, mint egy atom - hogyan illeszkedik egy ilyen „dolog” egy atomba, amikor az atom elnyeli ezt a hullámot? Ha csak a foton egy atomhoz hasonló méretű részecske. A foton egyszerre nagy és kicsi?

Ráadásul a fotoelektromos effektus és a Compton-effektus egyértelműen bizonyítja, hogy a fény még mindig részecskék áramlása: nem lehet megmagyarázni, hogy a hullám hogyan ad át energiát a térben lokalizált elektronoknak - ha a fény hullám lenne, akkor néhány elektron később kiütne. mint mások, és a jelenség Nem figyelnénk meg a fotoelektromos hatást. Ám áramlás esetén egyetlen foton ütközik egyetlen elektronnal, és bizonyos körülmények között kiüti az atomból.

Ennek eredményeként eldőlt: a fény hullám és részecske is egyben. Illetve nem is az egyik, sem a másik, hanem az anyag létezésének egy új, korábban ismeretlen formája: az általunk megfigyelt jelenségek csak vetületei vagy árnyékai a dolgok valós állapotának, attól függően, hogy hogyan nézzük a történéseket. Ha egy henger egyik oldaláról megvilágított árnyékát nézzük, egy kört látunk, a másik oldalról pedig egy téglalap alakú árnyékot látunk. Így van ez a fény részecskehullámos ábrázolásával is.

De még itt sem minden egyszerű. Nem mondhatjuk, hogy a fényt akár hullámnak, akár részecskefolyamnak tekintjük. Kinézni az ablakon. Hirtelen még a tisztára mosott üvegben is meglátjuk saját tükörképünket, bár homályosan. Mi a fogás? Ha a fény hullám, akkor könnyű megmagyarázni az ablakban való visszaverődést – hasonló hatásokat látunk a vízen, amikor egy hullám visszaverődik egy akadályról. De ha a fény részecskék áramlása, akkor a visszaverődést nem lehet ilyen könnyen megmagyarázni. Végül is minden foton egyforma. Ha azonban mindegyik egyforma, akkor az ablaküveg formájú akadálynak ugyanolyan hatást kell gyakorolnia rájuk. Vagy mindegyik áthalad az üvegen, vagy mind visszaverődik. De a zord valóságban a fotonok egy része átrepül az üvegen, és látjuk a szomszéd házat, és azonnal látjuk a tükörképünket.

És az egyetlen magyarázat, ami eszembe jut: a fotonok önmagukban vannak. Lehetetlen száz százalékos valószínűséggel megjósolni, hogy egy adott foton hogyan fog viselkedni – részecskeként vagy hullámként ütközik-e az üveggel. Ez a kvantumfizika alapja - az anyag teljesen, abszolút véletlenszerű viselkedése mikroszinten minden ok nélkül (és a nagy mennyiségek világában tapasztalatból tudjuk, hogy mindennek oka van). Ez egy tökéletes véletlenszám-generátor, ellentétben az érmefeldobással.

A ragyogó Einstein, aki felfedezte a fotont, élete végéig meg volt győződve arról, hogy a kvantumfizika téved, és mindenkit biztosított arról, hogy „Isten nem kockáztat”. De a modern tudomány egyre inkább megerősíti, hogy igenis játszik.

Így vagy úgy, a tudósok egy napon úgy döntöttek, hogy véget vetnek a „hullám vagy részecske” vitának, és a 20. század technológiáinak figyelembevételével reprodukálják Jung tapasztalatait. Ekkor már megtanultak egyenként fotonokat lőni (a lakosság körében „lézerként” ismert kvantumgenerátorok), ezért úgy döntöttek, hogy megnézik, mi történik a képernyőn, ha egy részecskét két résbe lőnek: végre kiderül, mi az anyag ellenőrzött kísérleti körülmények között.

És hirtelen - egyetlen fénykvantum (foton) interferenciamintát mutatott, vagyis a részecske egyszerre repült át mindkét résen, a foton interferált önmagával (tudományos értelemben). Tisztázzuk a technikai szempontot – valójában az interferenciaképet nem egy foton, hanem egy részecskén 10 másodpercenkénti felvételek sorozata mutatta – idővel megjelentek a Young-féle szegélyek, amelyeket 1801 óta minden C tanuló ismerhetett. A képernyőn.

A hullám szempontjából ez logikus - a hullám áthalad a repedéseken, és most két új hullám koncentrikus körökben eltér egymástól, átfedve egymást.
De korpuszkuláris szempontból kiderül, hogy a foton egyszerre két helyen van, amikor áthalad a réseken, majd áthaladása után önmagával keveredik. Ez általában normális, mi?
Kiderült, hogy ez normális. Sőt, mivel a foton egyszerre két résben van, ez azt jelenti, hogy egyszerre van mindenhol a rések előtt és azokon való átrepülés után is. És általában, a kvantumfizika szempontjából a kezdet és a cél között felszabaduló foton egyszerre van „mindenhol és egyszerre”. A fizikusok „mindenhol egyszerre” szuperpozíciónak nevezik a részecske ilyen megállapítását - egy szörnyű szó, amely korábban matematikai kényeztetés volt, mára fizikai valósággá vált.

Egy bizonyos E. Schrödinger, a kvantumfizika ismert ellenfele, ekkor már valahol előásott egy képletet, amely az anyag, például a víz hullámtulajdonságait írja le. És miután kicsit bütykölgettem rajta, rémületemre levezettem az úgynevezett hullámfüggvényt. Ez a függvény megmutatta annak valószínűségét, hogy egy adott helyen fotont találunk. Vegye figyelembe, hogy ez egy valószínűség, nem pedig egy pontos hely. Ez a valószínűség pedig az adott helyen lévő kvantumhullám-hegy magasságának négyzetétől függött (ha valakit érdekelnek a részletek).

Külön fejezetet szentelünk a részecskék helymeghatározásának kérdésköreinek.

További felfedezések azt mutatták, hogy a dualizmussal kapcsolatos dolgok még rosszabbak és titokzatosabbak.
1924-ben egy bizonyos Louis de Broglie azt mondta, hogy a fény hullámkorpuszkuláris tulajdonságai a jéghegy csúcsa. És minden elemi részecske rendelkezik ezzel a felfoghatatlan tulajdonsággal.
Vagyis egy részecske és egy hullám egyszerre nemcsak az elektromágneses tér részecskéi (fotonok), hanem valódi részecskék is, például elektronok, protonok stb. Mikroszkopikus szinten körülöttünk minden anyag hullám(és részecskék is).

És néhány évvel később ezt még kísérletileg is megerősítették – az amerikaiak katódsugárcsövekben vezették az elektronokat (amit a mai öreg fingok „kinescope” néven ismernek) – és így az elektronok visszaverődésével kapcsolatos megfigyelések megerősítették, hogy egy elektron is hullám (a könnyebb érthetőség kedvéért mondhatjuk, hogy az elektron útjába helyeztek egy lemezt két réssel, és úgy látták az elektron interferenciáját).

A mai napig a kísérletek felfedezték, hogy az atomoknak is vannak hullámtulajdonságai, sőt egyes speciális molekulák (az úgynevezett „fullerének”) is hullámként nyilvánulnak meg.

Az olvasó érdeklődő elméje, akit még nem kábult el történetünk, felteszi a kérdést: ha az anyag hullám, akkor például egy repülő golyó miért nem kenődik el a térben hullám formájában? Miért nem hasonlít egy sugárhajtású repülőgép egyáltalán egy hullámhoz, de nagyon hasonlít egy sugárhajtású repülőgéphez?

De Broglie, az ördög itt mindent elmagyarázott: igen, egy repülő labda vagy egy Boeing is hullám, de ennek a hullámnak a hossza rövidebb, annál nagyobb az impulzus. A lendület a tömeg szorzata a sebesség. Vagyis minél nagyobb az anyag tömege, annál rövidebb a hullámhossza. A 150 km/h sebességgel repülő labda hullámhossza körülbelül 0,00 méter lesz. Ezért nem tudjuk észrevenni, hogy a labda hullámként szétterül a térben. Számunkra ez szilárd anyag.
Az elektron nagyon könnyű részecske, és 6000 km/s-os sebességgel repülve észrevehető hullámhossza 0,0000000001 méter.

Egyébként azonnal válaszoljunk arra a kérdésre, hogy miért nem olyan „hullámszerű” az atommag. Bár az atom közepén helyezkedik el, amely körül az elektron őrülten repül, és egyben elkenődik, de megfelelő lendülettel rendelkezik a protonok és neutronok tömegéhez, valamint a nagyfrekvenciás oszcillációhoz (sebességhez). a részecskék állandó cseréjének létezésére az atommag belsejében erős kölcsönhatás (olvasd el a témát). Ezért a mag inkább az általunk ismert szilárd anyaghoz hasonlít. Úgy tűnik, hogy az elektron az egyetlen tömegű részecske, amelynek egyértelműen kifejezett hullámtulajdonságai vannak, ezért mindenki örömmel tanulmányozza.

Térjünk vissza a részecskéinkhez. Így kiderül: az atom körül forgó elektron egyszerre részecske és hullám. Vagyis a részecske forog, ugyanakkor az elektron mint hullám egy bizonyos alakú héjat képvisel az atommag körül - hogyan értheti ezt egyáltalán az emberi agy?

Fentebb már kiszámoltuk, hogy egy repülő elektronnak meglehetősen hatalmas (mikrokozmoszhoz képest) hullámhossza van, és ahhoz, hogy egy atommag körül elférjen, egy ilyen hullámnak méltatlanul nagy térre van szüksége. Pontosan ez magyarázza az atommaghoz képest ilyen nagy méretű atomokat. Az elektron hullámhossza határozza meg az atom méretét. Az atommag és az atom felszíne közötti üres teret az elektron hullámhosszának (és egyben részecskéjének) „akkomodációja” tölti ki. Ez egy nagyon durva és helytelen magyarázat - kérlek bocsáss meg - a valóságban minden sokkal bonyolultabb, de a célunk az, hogy a tudomány gránitjából legalább egy darabot leharapjanak az érdeklődők.

Tisztázzuk újra! Miután néhány megjegyzést tettünk a cikkhez [a YP-ben], rájöttünk, milyen fontos pont hiányzott ebből a cikkből. Figyelem! Az általunk leírt anyagforma sem nem hullám, sem nem részecske. Csak (egyidejűleg) rendelkezik a hullám és a részecskék tulajdonságaival. Nem mondható el, hogy az elektromágneses hullám vagy az elektronhullám olyan, mint a tenger hullámai vagy a hanghullámok. Az általunk ismert hullámok a zavarok terjedését reprezentálják valamilyen anyaggal töltött térben.
A fotonok, elektronok és a mikrokozmosz egyéb példányai, amikor a térben mozognak, hullámegyenletekkel írhatók le, viselkedésük csak hullámhoz hasonló, de semmi esetre sem hullám. Hasonló a helyzet az anyag korpuszkuláris szerkezetével: egy részecske viselkedése hasonló a kis pontgömbök repüléséhez, de ezek soha nem golyók.
Ezt meg kell érteni és el kell fogadni, különben minden gondolatunk végső soron a makrokozmoszban való analógok kereséséhez vezet, és ezzel véget ér a kvantumfizika megértése, és elkezdődik a friarizmus vagy a sarlatán filozófia, mint például a kvantummágia és az anyagiság. a gondolatok.

Jung korszerűsített kísérletének fennmaradó rémisztő következtetéseit és következményeit a következő részben fogjuk átgondolni - Heisenberg bizonytalansága, Schrödinger macskája, a Pauli-féle kizárási elv és a kvantumösszefonódás várja a türelmes és átgondolt olvasót, aki nemegyszer újraolvassa cikkeinket és turkál. az interneten keresztül további információk után kutatva.

Köszönöm mindenkinek a figyelmet. Boldog álmatlanságot vagy kognitív rémálmokat mindenkinek!

Megjegyzés: Szorgalmasan emlékeztetünk arra, hogy minden kép a Google-tól származik (képek szerinti keresés) - a szerzőséget ott határozzák meg.
Az illegális szövegmásolást üldözik, elnyomják, hát tudod...

Hullám-részecske kettősség– bármely mikrorészecske azon tulajdonsága, hogy észleli a részecske (testtest) és a hullám jeleit. A hullám-részecske kettősség legvilágosabban az elemi részecskékben nyilvánul meg. Az elektron, a neutron, a foton bizonyos körülmények között jól lokalizált anyagi objektumok (részecskék)ként viselkedik a térben, bizonyos energiákkal és impulzusokkal a klasszikus pályákon mozogva, másokban pedig hullámként, ami abban nyilvánul meg, hogy interferencia és diffrakció. Így egy elektromágneses hullám, amely a szabad elektronokon szóródik, úgy viselkedik, mint az egyes részecskék - fotonok - áramlata, amelyek az elektromágneses mező kvantumai (Compton-effektus), és a foton impulzusát a p = h/λ képlet adja meg, ahol λ az elektromágneses hullám hossza, h pedig Planck-állandó. Ez a képlet önmagában is a dualizmus bizonyítéka. Ebben a bal oldalon egy egyedi részecske (foton) impulzusa, a jobb oldalon pedig a foton hullámhossza látható. Az elektronok kettőssége, amelyet részecskéknek szoktunk tekinteni, abban nyilvánul meg, hogy az egykristály felületéről visszaverve diffrakciós mintázat figyelhető meg, ami az elektronok hullámtulajdonságának megnyilvánulása. Az elektron korpuszkuláris és hullámkarakterisztikája között ugyanaz a mennyiségi kapcsolat, mint a fotonnál: р = h/λ (р az elektron impulzusa, λ pedig de Broglie hullámhossza). A hullám-részecske kettősség a kvantumfizika alapja.

A hullám (bunda) egy olyan folyamat, amely mindig egy anyagi környezethez kapcsolódik, amely egy bizonyos térfogatot foglal el a térben.

64. De Broglie hullámok. Elektrondiffrakció Mikrorészecskék hullámtulajdonságai.

A mikrorészecskék mozgásának hullámtermészetére vonatkozó hipotézisben kapott elképzelések kialakulása az anyag korpuszkuláris-hullámos tulajdonságairól. Louis de Broglie az anyag- és fényrészecskék természeti szimmetriájának gondolata alapján bármely mikrorészecskének egy bizonyos belső periodikus folyamatot tulajdonított (1924). Az E = hν és E = mc 2 képleteket kombinálva olyan összefüggést kapott, amely azt mutatja, hogy bármely részecskének megvan a sajátja. hullámhossz : λ B = h/mv = h/p, ahol p a hullámrészecske impulzusa. Például egy 10 eV energiájú elektronnál a de Broglie hullámhossz 0,388 nm. Ezt követően kimutatták, hogy a mikrorészecske állapota a kvantummechanikában egy bizonyos komplexszel írható le. hullámfüggvény koordináták Ψ(q), és ennek a függvénynek a modulusa |Ψ| A 2. ábra a koordinátaértékek valószínűségi eloszlását határozza meg. Ezt a függvényt először Schrödinger vezette be a kvantummechanikába 1926-ban. Így a de Broglie-hullám nem hordoz energiát, hanem csak valamilyen valószínűségi periodikus folyamat „fáziseloszlását” tükrözi a térben. Ebből következően a mikrovilág objektumok állapotának leírása az valószínűségi természet, ellentétben a makrovilág tárgyaival, amelyeket a klasszikus mechanika törvényei írnak le.

A német fizikus, Elsasser a mikrorészecskék hullámtermészetére vonatkozó de Broglie elképzelésének bizonyítására azt javasolta, hogy kristályokat használjanak az elektrondiffrakció megfigyelésére (1925). Az USA-ban K. Davisson és L. Germer felfedezte a diffrakció jelenségét, amikor egy elektronsugár áthalad egy nikkelkristály lemezen (1927). Tőlük függetlenül a fémfólián áthaladó elektronok diffrakcióját J.P. Thomson fedezte fel Angliában és P.S. Tartakovszkij a Szovjetunióban. Így kísérleti megerősítést nyert de Broglie elképzelése az anyag hullámtulajdonságairól. Ezt követően diffrakciós, és így hullámtulajdonságokat fedeztek fel az atom- és molekuláris nyalábokban. Nemcsak a fotonoknak és elektronoknak, hanem minden mikrorészecskének is van részecskehullám tulajdonsága.

A mikrorészecskék hullámtulajdonságainak felfedezése azt mutatta, hogy a klasszikus fizika szempontjából minőségileg eltérőnek tekintett anyagformák, mint a mező (folyamatos) és az anyag (diszkrét), bizonyos körülmények között mindkét formában rejlő tulajdonságokat mutathatnak. Ez az anyag ezen formáinak egységéről beszél. Tulajdonságaik teljes leírása csak ellentétes, de egymást kiegészítő elképzelések alapján lehetséges.

Bevezetés

Szinte egyidejűleg két fényelméletet terjesztettek elő: Newton korpuszkuláris elméletét és Huygens hullámelméletét.

A 17. század végén Newton által előadott korpuszkuláris elmélet vagy a kiáramlás elmélete szerint a világító testek apró részecskéket (testek) bocsátanak ki, amelyek minden irányban egyenesen repülnek, és amikor a szembe jutnak, fényérzetet keltenek. .

A hullámelmélet szerint egy világító test a teljes kozmikus teret kitöltő speciális közegben - a világéterben - rugalmas rezgéseket okoz, amelyek az éterben hanghullámokként terjednek a levegőben.

Newton és Huygens idejében a legtöbb tudós ragaszkodott Newton korpuszkuláris elméletéhez, amely meglehetősen kielégítően magyarázott minden akkoriban ismert fényjelenséget. A fény visszaverődését hasonlóan magyarázták, mint a rugalmas testek visszaverődését síkkal való ütközéskor. A fénytörést azzal magyarázták, hogy sűrűbb közegből nagy vonzó erők hatnak a testrészekre. Ezeknek az erőknek a hatására, amelyek Newton elmélete szerint megnyilvánulnak, amikor egy sűrűbb közeghez közelednek, a fénytestek ennek a közegnek a határára merőlegesen gyorsulást kaptak, aminek következtében megváltoztatták a mozgás irányát és a ugyanakkor növelték a sebességüket. Más fényjelenségeket is hasonlóan magyaráztak.

Ezt követően a megjelent új megfigyelések nem fértek bele ennek az elméletnek a keretébe. Ennek az elméletnek a következetlenségét különösen akkor fedezték fel, amikor a fény vízben terjedési sebességét mérték. Kiderült, hogy nem több, hanem kevesebb, mint a levegőben.

A 19. század elején Huygens hullámelméletét, amelyet kortársai nem ismertek fel, Young és Fresnel fejlesztette ki és fejlesztette tovább, és egyetemes elismerést kapott. A múlt század 60-as éveiben, miután Maxwell kidolgozta az elektromágneses tér elméletét, kiderült, hogy a fény elektromágneses hullámok. Így a fény hullámmechanikai elméletét felváltotta a hullámelektromágneses elmélet. A fényhullámok (látható spektrum) az elektromágneses hullámskálán a 0,4–0,7 µm tartományt foglalják el. Maxwell fényhullámelmélete, amely a sugárzást folyamatos folyamatként kezeli, nem tudta megmagyarázni az újonnan felfedezett optikai jelenségek egy részét. Ezt egészítette ki a fény kvantumelmélete, amely szerint a fényhullám energiája nem folyamatosan, hanem bizonyos részekben - fénykvantumokban, vagy fotonokban - bocsátódik ki, oszlik el és nyelődik el, amelyek csak a fényhullám hosszától függenek. Így a modern fogalmak szerint a fénynek hullám- és korpuszkuláris tulajdonságai is vannak.

A fény interferencia

Koherensnek nevezzük azokat a hullámokat, amelyek a tér minden pontjában oszcillációt hoznak létre, amelynek fáziskülönbsége idővel nem változik. A fáziskülönbségnek ebben az esetben állandó, de általánosságban véve eltérő értéke van a tér különböző pontjaira. Nyilvánvaló, hogy csak azonos frekvenciájú hullámok lehetnek koherensek.

Ha több koherens hullám terjed a térben, akkor ezek a hullámok által keltett rezgések egyes pontokon erősítik, máshol gyengítik. Ezt a jelenséget hulláminterferenciának nevezik. Bármilyen fizikai természetű hullámok zavarhatják. Megvizsgáljuk a fényhullámok interferenciáját.

A koherens hullámok forrásait koherensnek is nevezik. Ha egy bizonyos felületet több koherens fényforrás világít meg, általában váltakozó világos és sötét csíkok jelennek meg ezen a felületen.

Két független fényforrás, például két elektromos lámpa, nem koherens. Az általuk kibocsátott fényhullámok az egyes atomok által kibocsátott nagyszámú hullám összeadásának az eredménye. Az atomok által kibocsátott hullámok véletlenszerűen jönnek létre, ezért a két forrás által kibocsátott hullámok fázisai között nincs állandó kapcsolat.

Ha a felületet inkoherens források világítják meg, az interferenciára jellemző, váltakozó világos és sötét csíkok mintázata nem jelenik meg. A megvilágítás minden ponton egyenlő az egyes források által külön-külön létrehozott megvilágítás összegével.

Koherens hullámokat úgy állítanak elő, hogy az egyik forrásból származó fénysugarat két vagy több különálló sugárnyalábra osztják.

Fény interferencia figyelhető meg, ha változó vastagságú átlátszó lemezt, különösen ék alakú lemezt monokromatikus (egyszínű) sugarakkal világítunk meg. A megfigyelő szeme a lemez elülső és hátsó felületéről visszaverődő hullámokat fogadja. Az interferencia eredményét ezen és más hullámok fázisainak különbsége határozza meg, amely a vastagság változásával fokozatosan változik

Ha egy síkkal párhuzamos lemezt párhuzamos sugárral világítunk meg, az elülső és a hátsó felületéről visszaverődő fényhullámok fáziskülönbsége minden ponton azonos – a lemez egyenletesen megvilágítottnak tűnik.

Az enyhén domború üveg és a lapos üveg érintkezési pontja körül monokromatikus fénnyel megvilágítva sötét és világos gyűrűk láthatók - az úgynevezett Newton-gyűrűk. Itt a két üveg között lévő legvékonyabb levegőréteg egy fényvisszaverő film szerepét tölti be, amelynek vastagsága koncentrikus körök mentén állandó.

A fény diffrakciója.

A fényhullám nem változtatja meg a front geometriai alakját, ha homogén közegben terjed. Ha azonban a fény inhomogén közegben terjed, amelyben például vannak átlátszatlan ernyők, viszonylag éles törésmutató-változású térterületek stb., akkor a hullámfront torzulása figyelhető meg. Ebben az esetben a fényhullám intenzitásának újraeloszlása ​​következik be a térben. Ha például átlátszatlan képernyőket világítunk meg pontszerű fényforrással az árnyék határán, ahol a geometriai optika törvényei szerint hirtelen átmenetnek kell lennie az árnyékból a fénybe, számos sötét és világos csík jelenik meg. megfigyelhető; a fény egy része behatol a geometriai árnyék tartományába. Ezek a jelenségek a fény diffrakciójával kapcsolatosak.

Tehát a fény diffrakciója szűk értelemben az a jelenség, amikor a fény meghajlik az átlátszatlan testek kontúrja körül, és a fény belép egy geometriai árnyék tartományába; tág értelemben a fény terjedésének bármely eltérése a geometriai optika törvényeitől.

Sommerfeld definíciója: a fény diffrakciója alatt az egyenes vonalú terjedéstől való minden eltérést értünk, ha az nem magyarázható a fénysugarak visszaverődésének, törésének vagy meghajlásának eredményeként folyamatosan változó törésmutatójú közegben.

Ha a közeg apró részecskéket (köd) tartalmaz, vagy a törésmutató észrevehetően változik a hullámhosszúság nagyságrendjében, akkor ezekben az esetekben fényszórásról beszélünk, és nem használjuk a „diffrakció” kifejezést.

A fényelhajlásnak két típusa van. Az akadálytól véges távolságra lévő megfigyelési pont diffrakciós mintázatának vizsgálatával Fresnel-diffrakcióval van dolgunk. Ha a megfigyelési pont és a fényforrás olyan távol helyezkedik el az akadálytól, hogy az akadályra beeső és a megfigyelési pontba menő sugarak párhuzamos nyaláboknak tekinthetők, akkor párhuzamos sugarakban diffrakcióról beszélünk - Fraunhofer diffrakció.

A diffrakcióelmélet a hullámfolyamatokat olyan esetekben veszi figyelembe, amikor a hullámterjedés útjában bármilyen akadály van.

A diffrakció elméletét felhasználva olyan problémákat, mint az akusztikus képernyőkkel történő zajvédelem, a rádióhullámok terjedése a Föld felszínén, az optikai műszerek működése (mivel a lencse által adott kép mindig diffrakciós mintázat), felületminőségi mérések, az anyag szerkezetének tanulmányozása és sok más megoldás.

A fény polarizációja

Az interferencia és diffrakció jelenségei, amelyek a fény hullámtermészetének igazolására szolgáltak, még nem adnak teljes képet a fényhullámok természetéről. Új vonásokat tár elénk a fény kristályokon, különösen a turmalinon keresztül történő áteresztése.

Vegyünk két egyforma téglalap alakú turmalinlemezt, amelyeket úgy vágunk, hogy a téglalap egyik oldala egybeessen a kristály belsejében lévő bizonyos iránnyal, amelyet optikai tengelynek nevezünk. Tegyük az egyik tányért a másikra úgy, hogy tengelyük egybeessen, és egy lámpásból vagy a napból egy keskeny fénysugarat engedjünk át az összehajtott lemezpáron. Mivel a turmalin barna-zöld kristály, az átvitt sugár nyoma sötétzöld foltként jelenik meg a képernyőn. Kezdjük el forgatni az egyik lemezt a gerenda körül, a másodikat hagyjuk mozdulatlanul. Azt fogjuk tapasztalni, hogy a sugár nyoma gyengébb lesz, és ha a lemezt 90 0 -kal elforgatjuk, teljesen eltűnik. A lemez további forgásával a tompított fény ismét erősödni kezd, és akkor éri el korábbi intenzitását, amikor a lemez elfordul 180 0, azaz. amikor a lemezek optikai tengelyei ismét párhuzamosak. A turmalin további forgásával a sugár ismét gyengül.

Minden megfigyelt jelenség megmagyarázható, ha levonjuk a következő következtetéseket.

1) A sugárban a fényrezgés a fény terjedési vonalára merőlegesen irányul (a fényhullámok keresztirányúak).

2) A turmalin csak akkor képes fényrezgések továbbítására, ha azok a tengelyéhez képest meghatározott módon irányulnak.

3) Egy lámpás (a nap) fényében tetszőleges irányú keresztirányú rezgések jelennek meg, ráadásul ugyanolyan arányban, hogy egyetlen irány se legyen túlsúlyban.