A natureza eletromagnética da luz é o dualismo partícula-onda. O que é dualidade onda-partícula? Experiência de fenda dupla

A dualidade onda-partícula da luz significa que a luz tem simultaneamente as propriedades de ondas eletromagnéticas contínuas e as propriedades de fótons discretos. Esta conclusão fundamental foi feita por físicos no século 20 e seguiu ideias anteriores sobre a luz. Newton acreditava que a luz era um fluxo de corpúsculos, isto é, um fluxo de partículas de matéria voando em linha reta. Esta teoria explicou bem a propagação retilínea da luz. Mas surgiram dificuldades na explicação das leis da reflexão e da refração, e os fenômenos da difração e da interferência não puderam ser explicados de forma alguma pela teoria corpuscular. Portanto, surgiu a teoria ondulatória da luz. Esta teoria explicava a difração e a interferência, mas tinha dificuldade em explicar a luz direta. Somente no século XIX, J. Fresnel, valendo-se das descobertas de outros físicos, conseguiu combinar os princípios já derivados em uma teoria, segundo a qual a luz é uma onda mecânica transversal. Mais tarde, Maxwell descobriu que a luz é um tipo de radiação eletromagnética. Mas no início do século XX, graças às descobertas de Einstein, as ideias sobre a luz mudaram novamente. A luz passou a ser entendida como um fluxo de fótons. Mas certas propriedades da luz foram perfeitamente explicadas pela teoria das ondas. A luz tem propriedades corpusculares e ondulatórias. Neste caso, existem as seguintes regularidades: quanto mais curto o comprimento de onda, mais brilhantes aparecem as propriedades corpusculares; quanto maior o comprimento de onda, mais brilhantes aparecem as propriedades da onda.

Segundo de Broglie, cada microobjeto está associado, por um lado, a características corpusculares - energia E e momento p, e por outro lado, a características de onda - frequência e comprimento de onda.

Em 1924, o físico francês L. de Broglie apresentou uma hipótese ousada: a dualidade onda-partícula tem um caráter universal, ou seja, todas as partículas com momento finito P têm propriedades de onda. Foi assim que surgiu na física a famosa fórmula de de Broglie onde m é a massa da partícula, V é a sua velocidade, h é a constante de Planck.

Então, as propriedades corpusculares e ondulatórias de um microobjeto são incompatíveis no que diz respeito à sua manifestação simultânea, porém, caracterizam igualmente o objeto, ou seja, se completam. Esta ideia foi expressa por N. Bohr e formou a base do princípio metodológico mais importante da ciência moderna, que atualmente abrange não apenas as ciências físicas, mas também todas as ciências naturais - princípio da complementaridade (1927). A essência O princípio da complementaridade segundo N. Bohr se resume ao seguinte: não importa o quanto os fenômenos vão além da explicação física clássica, todos os dados experimentais devem ser descritos usando conceitos clássicos. Para descrever completamente os fenômenos da mecânica quântica, é necessário usar dois conjuntos mutuamente exclusivos (adicionais) de conceitos clássicos, cuja combinação fornece as informações mais completas sobre esses fenômenos como um todo.

O princípio da complementaridade, como princípio geral de conhecimento, pode ser formulado da seguinte forma: todo fenômeno natural verdadeiro não pode ser definido inequivocamente usando as palavras da nossa linguagem e requer para sua definição pelo menos dois conceitos adicionais mutuamente exclusivos. Tais fenômenos incluem, por exemplo, fenômenos quânticos, vida, psique, etc. Bohr, em particular, viu a necessidade de aplicar o princípio da complementaridade na biologia, que se deve à estrutura e funções extremamente complexas dos organismos vivos, que os fornecem com capacidades ocultas quase inesgotáveis.

Nos últimos cem anos, a ciência fez grandes progressos no estudo da estrutura do nosso mundo, tanto a nível microscópico como macroscópico. As surpreendentes descobertas que nos foram trazidas pelas teorias especial e geral da relatividade e da mecânica quântica ainda entusiasmam as mentes do público. No entanto, qualquer pessoa instruída precisa compreender pelo menos os fundamentos das conquistas científicas modernas. Um dos pontos mais impressionantes e importantes é a dualidade onda-partícula. Esta é uma descoberta paradoxal, cuja compreensão está além do alcance da percepção intuitiva cotidiana.

Corpúsculos e ondas

O dualismo foi descoberto pela primeira vez no estudo da luz, que se comportava de maneira completamente diferente dependendo das condições. Por um lado, descobriu-se que a luz é uma onda eletromagnética óptica. Por outro lado, existe uma partícula discreta (a ação química da luz). Inicialmente, os cientistas acreditavam que estas duas ideias eram mutuamente exclusivas. No entanto, numerosos experimentos mostraram que este não é o caso. Gradualmente, a realidade de um conceito como a dualidade onda-partícula tornou-se comum. Este conceito fornece a base para o estudo do comportamento de objetos quânticos complexos que não são ondas nem partículas, mas apenas adquirem as propriedades destas últimas ou das primeiras dependendo de certas condições.

Experiência de fenda dupla

A difração de fótons é uma demonstração clara de dualismo. O detector de partículas carregadas é uma chapa fotográfica ou uma tela fluorescente. Cada fóton individual foi marcado por iluminação ou flash pontual. A combinação de tais marcas deu um padrão de interferência - alternância de listras fracamente e fortemente iluminadas, que é uma característica da difração de ondas. Isso é explicado por um conceito como dualidade onda-partícula. O famoso físico e ganhador do Nobel Richard Feynman disse que a matéria se comporta em pequenas escalas de tal forma que é impossível sentir a “naturalidade” do comportamento quântico.

Dualismo universal

No entanto, esta experiência não é válida apenas para fótons. Descobriu-se que o dualismo é uma propriedade de toda matéria e é universal. Heisenberg argumentou que a matéria existe alternadamente em ambas as formas. Hoje está absolutamente comprovado que ambas as propriedades aparecem de forma completamente simultânea.

Onda corpuscular

Como podemos explicar esse comportamento da matéria? A onda inerente aos corpúsculos (partículas) é chamada de onda de Broglie, em homenagem ao jovem cientista aristocrático que propôs uma solução para este problema. É geralmente aceito que as equações de De Broglie descrevem uma função de onda que, ao quadrado, determina apenas a probabilidade de uma partícula estar em diferentes pontos do espaço em momentos diferentes. Simplificando, a onda de De Broglie é uma probabilidade. Assim, estabeleceu-se a igualdade entre o conceito matemático (probabilidade) e o processo real.

Campo quântico

O que são corpúsculos de matéria? Em geral, estes são quanta de campos de ondas. Um fóton é um quantum de um campo eletromagnético, um pósitron e um elétron são um campo elétron-pósitron, um méson é um quantum de um campo méson e assim por diante. A interação entre campos de ondas é explicada pela troca de certas partículas intermediárias entre eles, por exemplo, durante a interação eletromagnética ocorre uma troca de fótons. Disto segue diretamente outra confirmação de que os processos ondulatórios descritos por de Broglie são fenômenos físicos absolutamente reais. E o dualismo partícula-onda não atua como uma “misteriosa propriedade oculta” que caracteriza a capacidade das partículas de “reencarnar”. Ele demonstra claramente duas ações inter-relacionadas - o movimento de um objeto e o processo ondulatório associado a ele.

Efeito túnel

A dualidade onda-partícula da luz está associada a muitos outros fenômenos interessantes. A direção de ação da onda de Broglie surge durante o chamado efeito túnel, ou seja, quando os fótons penetram na barreira de energia. Este fenômeno é causado pelo momento da partícula excedendo o valor médio no momento do antinodo da onda. O tunelamento tornou possível o desenvolvimento de muitos dispositivos eletrônicos.

Interferência de quanta de luz

A ciência moderna fala sobre a interferência dos fótons da mesma forma misteriosa que fala sobre a interferência dos elétrons. Acontece que um fóton, que é uma partícula indivisível, pode passar simultaneamente por qualquer caminho aberto para si mesmo e interferir consigo mesmo. Se levarmos em conta que a dualidade onda-partícula das propriedades da matéria e do fóton é uma onda que cobre muitos elementos estruturais, então sua divisibilidade não está excluída. Isto contradiz as visões anteriores da partícula como uma formação elementar indivisível. Possuindo certa massa de movimento, o fóton forma uma onda longitudinal associada a esse movimento, que antecede a própria partícula, pois a velocidade da onda longitudinal é maior que a da onda eletromagnética transversal. Portanto, existem duas explicações para a interferência de um fóton consigo mesmo: a partícula é dividida em dois componentes, que interferem entre si; A onda do fóton viaja ao longo de dois caminhos e forma um padrão de interferência. Foi descoberto experimentalmente que um padrão de interferência também é criado quando partículas-fótons com carga única passam através do interferômetro. Isto confirma a tese de que cada fóton individual interfere consigo mesmo. Isto é especialmente visto quando se leva em conta o fato de que a luz (nem coerente nem monocromática) é uma coleção de fótons que são emitidos por átomos em processos interconectados e aleatórios.

O que é luz?

Uma onda de luz é um campo eletromagnético não localizado que se distribui por todo o espaço. O campo eletromagnético de uma onda tem uma densidade de energia volumétrica proporcional ao quadrado da amplitude. Isso significa que a densidade de energia pode variar em qualquer valor, ou seja, é contínua. Por um lado, a luz é um fluxo de quanta e fótons (corpúsculos), que, graças à universalidade de um fenômeno como a dualidade partícula-onda, representam as propriedades de uma onda eletromagnética. Por exemplo, nos fenômenos de interferência e difração e escalas, a luz exibe claramente as características de uma onda. Por exemplo, um único fóton, conforme descrito acima, passando por uma fenda dupla cria um padrão de interferência. Com a ajuda de experimentos, foi comprovado que um único fóton não é um pulso eletromagnético. Não pode ser dividido em feixes com divisores de feixe, como mostraram os físicos franceses Aspe, Roger e Grangier.

A luz também possui propriedades corpusculares, que se manifestam no efeito Compton e no efeito fotoelétrico. Um fóton pode se comportar como uma partícula que é inteiramente absorvida por objetos cujas dimensões são muito menores que seu comprimento de onda (por exemplo, um núcleo atômico). Em alguns casos, os fótons geralmente podem ser considerados objetos pontuais. Não faz diferença a partir de que posição consideramos as propriedades da luz. No campo da visão colorida, um fluxo de luz pode atuar tanto como uma onda quanto como uma partícula-fóton como um quantum de energia. Um ponto focado em um fotorreceptor da retina, como a membrana do cone, pode permitir que o olho forme seu próprio valor filtrado como os principais raios espectrais de luz e os classifique em comprimentos de onda. De acordo com os valores da energia quântica, no cérebro o ponto objeto será traduzido em uma sensação de cor (imagem óptica focada).

Se você pensava que havíamos caído no esquecimento com nossos temas alucinantes, então nos apressamos em decepcioná-lo e fazê-lo feliz: você se enganou! Na verdade, durante todo esse tempo tentamos encontrar um método aceitável de apresentar tópicos malucos relacionados aos paradoxos quânticos. Escrevemos vários rascunhos, mas todos foram jogados no frio. Porque quando se trata de explicar piadas quânticas, nós mesmos ficamos confusos e admitimos que não entendemos muito (e, em geral, poucas pessoas entendem esse assunto, incluindo os cientistas mais legais do mundo). Infelizmente, o mundo quântico é tão estranho à visão de mundo filistina que não é uma vergonha admitir seu mal-entendido e tentar um pouco juntos entender pelo menos o básico.

E embora, como sempre, tentemos falar da forma mais clara possível com as imagens do Google, o leitor inexperiente precisará de alguma preparação inicial, por isso recomendamos que você dê uma olhada em nossos tópicos anteriores, especialmente sobre quanta e matéria.
Especialmente para humanistas e outras pessoas interessadas - paradoxos quânticos. Parte 1.

Neste tópico falaremos sobre o mistério mais comum do mundo quântico – a dualidade onda-partícula. Quando dizemos “o mais comum”, queremos dizer que os físicos ficaram tão cansados ​​disso que nem parece um mistério. Mas tudo isso ocorre porque outros paradoxos quânticos são ainda mais difíceis de serem aceitos pela mente comum.

E foi assim. Nos bons velhos tempos, em meados do século XVII, Newton e Huygens discordavam sobre a existência da luz: Newton declarou descaradamente que a luz é um fluxo de partículas, e o velho Huygens tentou provar que a luz é uma onda. Mas Newton era mais autoritário, então sua afirmação sobre a natureza da luz foi aceita como verdadeira, e Huygens foi ridicularizado. E durante duzentos anos a luz foi considerada um fluxo de algumas partículas desconhecidas, cuja natureza eles esperavam descobrir um dia.

No início do século 19, um orientalista chamado Thomas Young se interessou por instrumentos ópticos - como resultado, ele pegou e realizou um experimento que hoje é chamado de experimento de Young, e todo físico considera esse experimento sagrado.

Thomas Young apenas direcionou um feixe (da mesma cor, de modo que a frequência fosse aproximadamente a mesma) de luz através de duas fendas na placa e colocou outra placa de tela atrás dela. E mostrou o resultado aos colegas. Se a luz fosse um fluxo de partículas, veríamos duas faixas claras no fundo.
Mas, infelizmente para todo o mundo científico, uma série de listras claras e escuras apareceu na tela da placa. Um fenômeno comum chamado interferência é a superposição de duas (ou mais ondas) uma sobre a outra.

Aliás, é graças à interferência que observamos tons de arco-íris em uma mancha de óleo ou em uma bolha de sabão.

Em outras palavras, Thomas Young provou experimentalmente que a luz são ondas. O mundo científico por muito tempo não quis acreditar em Jung, e certa vez ele foi tão criticado que até abandonou suas idéias sobre a teoria das ondas. Mas a confiança na sua justeza ainda venceu, e os cientistas começaram a considerar a luz como uma onda. É verdade que uma onda de quê era um mistério.
Aqui, na foto, está o bom e velho experimento de Jung.

Deve ser dito que a natureza ondulatória da luz não influenciou muito a física clássica. Os cientistas reescreveram as fórmulas e começaram a acreditar que em breve o mundo inteiro cairia a seus pés sob uma única fórmula universal para tudo.
Mas você já adivinhou que Einstein, como sempre, estragou tudo. O problema surgiu do outro lado - a princípio os cientistas ficaram confusos no cálculo da energia das ondas térmicas e descobriram o conceito de quanta (não deixe de ler sobre isso em nosso tópico correspondente ""). E então, com a ajuda desses mesmos quanta, Einstein desferiu um golpe na física, explicando o fenômeno do efeito fotoelétrico.

Resumidamente: o efeito fotoelétrico (cuja consequência é a exposição ao filme) é a eliminação de elétrons da superfície de certos materiais pela luz. Tecnicamente, esta eliminação ocorre como se a luz fosse uma partícula. Einstein chamou uma partícula de luz de quantum de luz e mais tarde recebeu um nome - fóton.

Em 1920, o incrível efeito Compton foi adicionado à teoria anti-onda da luz: quando um elétron é bombardeado com fótons, o fóton ricocheteia no elétron com perda de energia (nós “atiramos” em azul, mas o vermelho voa desligado), como uma bola de bilhar de outra. Compton ganhou o Prêmio Nobel por isso.

Desta vez, os físicos estavam cautelosos em simplesmente abandonar a natureza ondulatória da luz, mas em vez disso pensaram bastante. A ciência enfrenta um mistério terrível: a luz é uma onda ou uma partícula?

A luz, como qualquer onda, tem uma frequência – e isso é fácil de verificar. Vemos cores diferentes porque cada cor é simplesmente uma frequência diferente de uma onda eletromagnética (de luz): o vermelho é uma frequência baixa, o roxo é uma frequência alta.
Mas é incrível: o comprimento de onda da luz visível é cinco mil vezes maior que o tamanho de um átomo - como essa “coisa” cabe em um átomo quando o átomo absorve essa onda? Se ao menos o fóton fosse uma partícula comparável em tamanho a um átomo. Um fóton é grande e pequeno ao mesmo tempo?

Além disso, o efeito fotoelétrico e o efeito Compton provam claramente que a luz ainda é um fluxo de partículas: não pode ser explicado como uma onda transfere energia para elétrons localizados no espaço - se a luz fosse uma onda, alguns elétrons seriam eliminados mais tarde do que outros, e o fenômeno não observaríamos o efeito fotoelétrico. Mas no caso de um fluxo, um único fóton colide com um único elétron e, sob certas condições, o expulsa do átomo.

Como resultado, foi decidido: a luz é ao mesmo tempo uma onda e uma partícula. Ou melhor, nem um nem outro, mas uma nova forma de existência da matéria até então desconhecida: os fenômenos que observamos são apenas projeções ou sombras do estado real das coisas, dependendo de como você olha o que está acontecendo. Quando olhamos para a sombra de um cilindro iluminado por um lado, vemos um círculo, e quando iluminado pelo outro lado, vemos uma sombra retangular. O mesmo acontece com a representação partícula-onda da luz.

Mas mesmo aqui nem tudo é fácil. Não podemos dizer que consideramos a luz uma onda ou um fluxo de partículas. Olhe pela janela. De repente, mesmo em vidros bem lavados, vemos nosso próprio reflexo, ainda que embaçado. Qual é o problema? Se a luz é uma onda, então é fácil explicar a reflexão numa janela - vemos efeitos semelhantes na água quando uma onda é refletida por um obstáculo. Mas se a luz é um fluxo de partículas, então a reflexão não pode ser explicada tão facilmente. Afinal, todos os fótons são iguais. No entanto, se forem todos iguais, a barreira em forma de vidro de janela deverá ter o mesmo efeito sobre eles. Ou todos passam pelo vidro ou são todos refletidos. Mas na dura realidade, alguns fótons voam através do vidro, e vemos a casa vizinha e imediatamente vemos nosso reflexo.

E a única explicação que me vem à mente: os fótons existem por conta própria. É impossível prever com cem por cento de probabilidade como um determinado fóton se comportará - se ele colidirá com o vidro como uma partícula ou como uma onda. Esta é a base da física quântica - comportamento completamente aleatório da matéria no nível micro, sem qualquer razão (e em nosso mundo de grandes quantidades, sabemos por experiência que tudo tem uma razão). Este é um gerador de números aleatórios perfeito, ao contrário do sorteio.

O brilhante Einstein, que descobriu o fóton, esteve convencido até o fim da vida de que a física quântica estava errada e garantiu a todos que “Deus não joga dados”. Mas a ciência moderna confirma cada vez mais que isso funciona.

De uma forma ou de outra, um dia os cientistas decidiram pôr fim ao debate “onda ou partícula” e reproduzir a experiência de Jung tendo em conta as tecnologias do século XX. A essa altura, eles já haviam aprendido a disparar fótons um de cada vez (geradores quânticos, conhecidos pela população como “lasers”) e, portanto, decidiram verificar o que aconteceria na tela se alguém disparasse uma partícula em duas fendas: finalmente ficará claro o que é matéria sob condições experimentais controladas.

E de repente - um único quantum de luz (fóton) mostrou um padrão de interferência, ou seja, a partícula voou pelas duas fendas ao mesmo tempo, o fóton interferiu consigo mesmo (em termos científicos). Vamos esclarecer o ponto técnico - na verdade, a imagem de interferência foi mostrada não por um fóton, mas por uma série de disparos de uma partícula em intervalos de 10 segundos - com o tempo, as franjas de Young, familiares a qualquer aluno C desde 1801, apareceram em a tela.

Do ponto de vista da onda, isso é lógico - a onda passa pelas fendas e agora duas novas ondas divergem em círculos concêntricos, sobrepondo-se.
Mas do ponto de vista corpuscular, verifica-se que o fóton está em dois lugares ao mesmo tempo quando passa pelas fendas e, depois de passar, se mistura consigo mesmo. Isso geralmente é normal, hein?
Acontece que era normal. Além disso, como o fóton está em duas fendas ao mesmo tempo, isso significa que ele está simultaneamente em todos os lugares, tanto antes das fendas quanto depois de voar através delas. E, em geral, do ponto de vista da física quântica, o fóton liberado entre o início e o fim está simultaneamente “em todos os lugares e ao mesmo tempo”. Os físicos chamam essa descoberta de superposição de uma partícula “em todos os lugares ao mesmo tempo” - uma palavra terrível, que costumava ser um mimo matemático, agora se tornou uma realidade física.

Um certo E. Schrödinger, um conhecido oponente da física quântica, já havia desenterrado em algum lugar uma fórmula que descrevia as propriedades ondulatórias da matéria, como a água. E depois de mexer um pouco nisso, para meu horror, deduzi a chamada função de onda. Esta função mostrava a probabilidade de encontrar um fóton em um determinado local. Observe que esta é uma probabilidade, não uma localização exata. E essa probabilidade dependia do quadrado da altura da crista da onda quântica em um determinado local (se alguém estiver interessado nos detalhes).

Dedicaremos um capítulo separado às questões de medição da localização das partículas.

Outras descobertas mostraram que as coisas com o dualismo são ainda piores e mais misteriosas.
Em 1924, um certo Louis de Broglie disse que as propriedades ondulatórias-corpusculares da luz são a ponta do iceberg. E todas as partículas elementares têm esta propriedade incompreensível.
Ou seja, uma partícula e uma onda ao mesmo tempo não são apenas partículas do campo eletromagnético (fótons), mas também partículas reais como elétrons, prótons, etc. Toda a matéria ao nosso redor no nível microscópico são ondas(e partículas ao mesmo tempo).

E alguns anos depois, isso foi até confirmado experimentalmente - os americanos dirigiram elétrons em tubos de raios catódicos (que são conhecidos pelos velhos peidos de hoje sob o nome de "cinescópio") - e assim observações relacionadas à reflexão de elétrons confirmaram que um elétron também é uma onda (para facilitar o entendimento, podemos dizer que colocaram uma placa com duas fendas no caminho do elétron e viram a interferência do elétron como ela é).

Até à data, experiências descobriram que os átomos também têm propriedades ondulatórias, e até mesmo alguns tipos especiais de moléculas (os chamados “fulerenos”) manifestam-se como ondas.

A mente curiosa do leitor, que ainda não ficou impressionado com a nossa história, perguntará: se a matéria é uma onda, então por que, por exemplo, uma bola voadora não está espalhada no espaço na forma de uma onda? Por que um avião a jato não se parece em nada com uma onda, mas é muito parecido com um avião a jato?

De Broglie, o diabo, explicou tudo aqui: sim, uma bola voadora ou um Boeing também é uma onda, mas quanto menor o comprimento dessa onda, maior o impulso. Momentum é massa vezes velocidade. Ou seja, quanto maior a massa da matéria, menor será o seu comprimento de onda. O comprimento de onda de uma bola voando a uma velocidade de 150 km/h será de aproximadamente 0,00 metros. Portanto, não conseguimos perceber como a bola se espalha pelo espaço como uma onda. Para nós é matéria sólida.
Um elétron é uma partícula muito leve e, voando a uma velocidade de 6.000 km/s, terá um comprimento de onda perceptível de 0,0000000001 metros.

A propósito, vamos responder imediatamente à questão de por que o núcleo atômico não é tão “ondulado”. Embora esteja localizado no centro do átomo, em torno do qual o elétron voa loucamente e ao mesmo tempo se espalha, ele tem um momento decente associado à massa de prótons e nêutrons, bem como oscilação (velocidade) de alta frequência devido à existência de uma troca constante de partículas dentro do núcleo, forte interação (leia o tópico). Portanto, o núcleo é mais parecido com a matéria sólida com a qual estamos familiarizados. O elétron, aparentemente, é a única partícula com massa que expressa claramente as propriedades de onda, então todos o estudam com prazer.

Voltemos às nossas partículas. Acontece que um elétron girando em torno de um átomo é uma partícula e uma onda. Ou seja, a partícula gira e, ao mesmo tempo, o elétron, como onda, representa uma concha de determinado formato ao redor do núcleo - como isso pode ser entendido pelo cérebro humano?

Já calculamos acima que um elétron voador tem um comprimento de onda bastante grande (para um microcosmo) e, para caber em torno do núcleo de um átomo, tal onda precisa de uma quantidade indecentemente grande de espaço. Isto é precisamente o que explica tamanhos tão grandes de átomos em comparação com o núcleo. Os comprimentos de onda do elétron determinam o tamanho do átomo. O espaço vazio entre o núcleo e a superfície do átomo é preenchido pela “acomodação” do comprimento de onda (e ao mesmo tempo da partícula) do elétron. Esta é uma explicação muito grosseira e incorreta - por favor, perdoem-nos - na realidade tudo é muito mais complicado, mas nosso objetivo é pelo menos permitir que as pessoas interessadas em tudo isso roam um pedaço do granito da ciência.

Vamos ser claros novamente! Depois de alguns comentários sobre o artigo [no YP], percebemos que faltava um ponto importante neste artigo. Atenção! A forma da matéria que descrevemos não é uma onda nem uma partícula. Possui apenas (simultaneamente) as propriedades de uma onda e as propriedades de partículas. Não se pode dizer que uma onda eletromagnética ou uma onda eletrônica seja como as ondas do mar ou as ondas sonoras. As ondas que conhecemos representam a propagação de perturbações no espaço preenchido com alguma substância.
Fótons, elétrons e outras instâncias do microcosmo, quando se movem no espaço, podem ser descritos por equações de onda; seu comportamento é apenas SEMELHANTE a uma onda, mas em nenhum caso são uma onda. O mesmo acontece com a estrutura corpuscular da matéria: o comportamento de uma partícula é semelhante ao voo de pequenas bolas pontiagudas, mas estas nunca são bolas.
Isto deve ser entendido e aceito, caso contrário, todos os nossos pensamentos acabarão por levar a uma busca por análogos no macrocosmo e, assim, a compreensão da física quântica chegará ao fim, e o friarismo ou a filosofia charlatã começarão, como a magia quântica e a materialidade. de pensamentos.

Consideraremos as conclusões e consequências terríveis restantes do experimento modernizado de Jung mais adiante na próxima parte - a incerteza de Heisenberg, o gato de Schrödinger, o princípio de exclusão de Pauli e o emaranhado quântico aguardam o leitor paciente e atencioso que relê nossos artigos mais de uma vez e vasculha pela Internet em busca de informações adicionais.

Obrigado a todos pela atenção. Boa insônia ou pesadelos cognitivos para todos!

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Dualidade onda-partícula– a propriedade de qualquer micropartícula de detectar sinais de uma partícula (corpúsculo) e de uma onda. A dualidade onda-partícula se manifesta mais claramente nas partículas elementares. Um elétron, um nêutron, um fóton, sob algumas condições, se comportam como objetos materiais (partículas) bem localizados no espaço, movendo-se com certas energias e impulsos ao longo de trajetórias clássicas, e em outras, como ondas, o que se manifesta em sua capacidade de interferir e difração. Assim, uma onda eletromagnética, espalhada em elétrons livres, se comporta como um fluxo de partículas individuais - fótons, que são quanta do campo eletromagnético (efeito Compton), e o momento do fóton é dado pela fórmula p = h/λ, onde λ é o comprimento da onda eletromagnética e h é a constante de Planck. Esta fórmula em si é evidência de dualismo. Nele, à esquerda está o momento de uma partícula individual (fóton) e à direita está o comprimento de onda do fóton. A dualidade dos elétrons, que estamos acostumados a considerar como partículas, se manifesta no fato de que, quando refletidos na superfície de um único cristal, é observado um padrão de difração, que é uma manifestação das propriedades ondulatórias dos elétrons. A relação quantitativa entre as características corpusculares e de onda de um elétron é a mesma que para um fóton: р = h/λ (р é o momento do elétron e λ é seu comprimento de onda de de Broglie). A dualidade onda-partícula é a base da física quântica.

Onda (pele) é um processo sempre associado a um ambiente material que ocupa determinado volume no espaço.

64. De Broglie acena. Difração de elétrons Propriedades de onda de micropartículas.

O desenvolvimento de ideias sobre as propriedades das ondas corpusculares da matéria recebidas na hipótese sobre a natureza ondulatória do movimento das micropartículas. Louis de Broglie, a partir da ideia de simetria na natureza para partículas de matéria e luz, atribuiu a qualquer micropartícula um determinado processo periódico interno (1924). Combinando as fórmulas E = hν e E = mc 2, ele obteve uma relação mostrando que qualquer partícula tem seu próprio Comprimento de onda : λ B = h/mv = h/p, onde p é o momento da onda-partícula. Por exemplo, para um elétron com energia de 10 eV, o comprimento de onda de de Broglie é 0,388 nm. Posteriormente, foi demonstrado que o estado de uma micropartícula na mecânica quântica pode ser descrito por um certo complexo função de onda coordenadas Ψ(q), e o módulo quadrático desta função |Ψ| 2 define a distribuição de probabilidade dos valores das coordenadas. Esta função foi introduzida pela primeira vez na mecânica quântica por Schrödinger em 1926. Assim, a onda de Broglie não carrega energia, mas apenas reflete a “distribuição de fase” de algum processo periódico probabilístico no espaço. Consequentemente, a descrição do estado dos objetos do micromundo é natureza probabilística, em contraste com os objetos do macromundo, que são descritos pelas leis da mecânica clássica.

Para provar a ideia de de Broglie sobre a natureza ondulatória das micropartículas, o físico alemão Elsasser propôs o uso de cristais para observar a difração de elétrons (1925). Nos EUA, K. Davisson e L. Germer descobriram o fenômeno da difração quando um feixe de elétrons passa através de uma placa de cristal de níquel (1927). Independentemente deles, a difração de elétrons que passam através de folhas metálicas foi descoberta por J.P. Thomson na Inglaterra e P.S. Tartakovsky na URSS. Assim, a ideia de de Broglie sobre as propriedades ondulatórias da matéria encontrou confirmação experimental. Posteriormente, propriedades de difração e, portanto, de onda foram descobertas em feixes atômicos e moleculares. Não apenas fótons e elétrons, mas também todas as micropartículas possuem propriedades de onda de partícula.

A descoberta das propriedades ondulatórias das micropartículas mostrou que formas de matéria como campo (contínua) e matéria (discreta), que do ponto de vista da física clássica eram consideradas qualitativamente diferentes, sob certas condições podem exibir propriedades inerentes a ambas as formas. Isso fala da unidade dessas formas de matéria. Uma descrição completa de suas propriedades só é possível com base em ideias opostas, mas complementares.

Introdução

Quase simultaneamente, duas teorias da luz foram apresentadas: a teoria corpuscular de Newton e a teoria das ondas de Huygens.

Segundo a teoria corpuscular, ou teoria do fluxo, apresentada por Newton no final do século XVII, os corpos luminosos emitem minúsculas partículas (corpúsculos) que voam direto em todas as direções e, ao entrarem no olho, causam sensação de luz .

De acordo com a teoria das ondas, um corpo luminoso provoca vibrações elásticas em um meio especial que preenche todo o espaço cósmico - o éter mundial - que se propagam no éter como ondas sonoras no ar.

Na época de Newton e Huygens, a maioria dos cientistas aderiu à teoria corpuscular de Newton, que explicava de forma bastante satisfatória todos os fenômenos luminosos conhecidos na época. A reflexão da luz foi explicada de forma semelhante à reflexão de corpos elásticos no impacto com um plano. A refração da luz foi explicada pela ação de grandes forças de atração sobre os corpúsculos de um meio mais denso. Sob a influência dessas forças, que se manifestam, segundo a teoria de Newton, ao se aproximarem de um meio mais denso, os corpúsculos leves receberam aceleração direcionada perpendicularmente ao limite desse meio, com o que mudaram a direção do movimento e no ao mesmo tempo aumentaram sua velocidade. Outros fenômenos luminosos foram explicados de forma semelhante.

Posteriormente, novas observações que surgiram não se enquadravam no quadro desta teoria. Em particular, a inconsistência desta teoria foi descoberta quando a velocidade de propagação da luz na água foi medida. Acabou não sendo mais, mas menos do que no ar.

No início do século XIX, a teoria das ondas de Huygens, não reconhecida pelos seus contemporâneos, foi desenvolvida e melhorada por Young e Fresnel e recebeu reconhecimento universal. Na década de 60 do século passado, depois que Maxwell desenvolveu a teoria do campo eletromagnético, descobriu-se que a luz são ondas eletromagnéticas. Assim, a teoria ondulatória da luz foi substituída pela teoria ondulatória eletromagnética. As ondas de luz (espectro visível) ocupam a faixa de 0,4–0,7 µm na escala de ondas eletromagnéticas. A teoria ondulatória da luz de Maxwell, que trata a radiação como um processo contínuo, foi incapaz de explicar alguns dos fenômenos ópticos recém-descobertos. Foi complementado pela teoria quântica da luz, segundo a qual a energia de uma onda de luz é emitida, distribuída e absorvida não continuamente, mas em certas porções - quanta de luz, ou fótons - que dependem apenas do comprimento da onda de luz. Assim, de acordo com os conceitos modernos, a luz possui propriedades ondulatórias e corpusculares.

Interferência de luz

Ondas que criam oscilações em todos os pontos do espaço com uma diferença de fase que não muda com o tempo são chamadas de coerentes. A diferença de fase, neste caso, tem um valor constante, mas, em geral, diferente para diferentes pontos do espaço. É óbvio que apenas ondas da mesma frequência podem ser coerentes.

Quando várias ondas coerentes se propagam no espaço, as oscilações geradas por essas ondas fortalecem-se mutuamente em alguns pontos e enfraquecem-se em outros. Este fenômeno é chamado de interferência de ondas. Ondas de qualquer natureza física podem interferir. Veremos a interferência das ondas de luz.

Fontes de ondas coerentes também são chamadas de coerentes. Quando uma determinada superfície é iluminada por diversas fontes de luz coerentes, geralmente aparecem faixas alternadas de luz e escuridão nesta superfície.

Duas fontes de luz independentes, por exemplo duas lâmpadas elétricas, não são coerentes. As ondas de luz que emitem são o resultado da adição de um grande número de ondas emitidas por átomos individuais. A emissão de ondas pelos átomos ocorre aleatoriamente e, portanto, não existem relações constantes entre as fases das ondas emitidas por duas fontes.

Quando a superfície é iluminada por fontes incoerentes, o padrão de alternância de listras claras e escuras característico da interferência não aparece. A iluminação em cada ponto é igual à soma da iluminação criada por cada uma das fontes separadamente.

Ondas coerentes são produzidas pela divisão de um feixe de luz de uma fonte em dois ou mais feixes separados.

A interferência da luz pode ser observada ao iluminar uma placa transparente de espessura variável, em particular uma placa em forma de cunha, com raios monocromáticos (de uma cor). O olho do observador receberá ondas refletidas nas superfícies frontal e posterior da placa. O resultado da interferência é determinado pela diferença nas fases dessas e de outras ondas, que muda gradativamente com as mudanças na espessura

Quando uma placa plana paralela é iluminada por um feixe paralelo, a diferença de fase das ondas de luz refletidas em suas superfícies frontal e traseira é a mesma em todos os pontos - a placa aparecerá uniformemente iluminada.

Em torno do ponto de contato de um vidro levemente convexo com um plano, quando iluminado com luz monocromática, observam-se anéis escuros e claros - os chamados anéis de Newton. Aqui, a camada mais fina de ar entre os dois vidros desempenha o papel de um filme reflexivo, tendo espessura constante ao longo de círculos concêntricos.

Difração da luz.

Uma onda de luz não altera a forma geométrica da frente ao se propagar em um meio homogêneo. Porém, se a luz se propaga em um meio não homogêneo, no qual, por exemplo, existem telas opacas, áreas do espaço com uma mudança relativamente acentuada no índice de refração, etc., então é observada uma distorção da frente de onda. Nesse caso, ocorre uma redistribuição da intensidade da onda de luz no espaço. Ao iluminar, por exemplo, telas opacas com uma fonte pontual de luz no limite da sombra, onde, de acordo com as leis da óptica geométrica, deveria haver uma transição abrupta da sombra para a luz, uma série de listras escuras e claras são observado; parte da luz penetra na região da sombra geométrica. Esses fenômenos estão relacionados à difração da luz.

Assim, a difração da luz no sentido estrito é o fenômeno da curvatura da luz ao redor do contorno de corpos opacos e da luz que entra na região de uma sombra geométrica; em sentido amplo, qualquer desvio na propagação da luz das leis da óptica geométrica.

Definição de Sommerfeld: a difração da luz é entendida como qualquer desvio da propagação retilínea se não puder ser explicado como resultado da reflexão, refração ou curvatura dos raios de luz em meios com um índice de refração em constante mudança.

Se o meio contém partículas minúsculas (névoa) ou o índice de refração muda visivelmente em distâncias da ordem do comprimento de onda, então nestes casos falamos de dispersão de luz e o termo “difração” não é usado.

Existem dois tipos de difração de luz. Ao estudar o padrão de difração em um ponto de observação localizado a uma distância finita de um obstáculo, estamos lidando com a difração de Fresnel. Se o ponto de observação e a fonte de luz estiverem tão distantes do obstáculo que os raios incidentes no obstáculo e os raios que vão para o ponto de observação possam ser considerados feixes paralelos, então falamos de difração em raios paralelos - difração de Fraunhofer.

A teoria da difração considera os processos ondulatórios nos casos em que existem obstáculos no caminho de propagação das ondas.

Utilizando a teoria da difração, problemas como a proteção contra ruído por meio de telas acústicas, a propagação de ondas de rádio sobre a superfície da Terra, o funcionamento de instrumentos ópticos (já que a imagem dada por uma lente é sempre um padrão de difração), medições de qualidade de superfície, o estudo da estrutura da matéria, e muitos outros são resolvidos.

Polarização da luz

Os fenômenos de interferência e difração, que serviram para fundamentar a natureza ondulatória da luz, ainda não fornecem um quadro completo da natureza das ondas de luz. Novas características nos são reveladas pela experiência de passar a luz pelos cristais, em particular pela turmalina.

Tomemos duas placas retangulares idênticas de turmalina, cortadas de forma que um dos lados do retângulo coincida com uma determinada direção dentro do cristal, chamada eixo óptico. Vamos colocar uma placa em cima da outra para que seus eixos coincidam na direção e passar um estreito feixe de luz de uma lanterna ou do sol através do par de placas dobradas. Como a turmalina é um cristal marrom-esverdeado, o traço do feixe transmitido aparecerá na tela como uma mancha verde escura. Vamos começar a girar uma das placas ao redor da viga, deixando a segunda imóvel. Descobriremos que o traço do feixe fica mais fraco e quando a placa é girada 90 0, ele desaparece completamente. Com mais rotação da placa, o feixe de cruzamento começará a se intensificar novamente e atingirá sua intensidade anterior quando a placa girar 180 0, ou seja, quando os eixos ópticos das placas estão novamente paralelos. Com mais rotação da turmalina, o feixe enfraquece novamente.

Todos os fenômenos observados podem ser explicados se as seguintes conclusões forem tiradas.

1) As vibrações da luz no feixe são direcionadas perpendicularmente à linha de propagação da luz (as ondas de luz são transversais).

2) A turmalina é capaz de transmitir vibrações leves somente quando elas são direcionadas de uma determinada maneira em relação ao seu eixo.

3) À luz de uma lanterna (o sol), apresentam-se vibrações transversais de qualquer direção e, além disso, na mesma proporção, de modo que nenhuma direção seja predominante.