Natura electromagnetică a luminii este dualismul particule-undă. Ce este dualitatea undă-particulă? Experiment cu dublă fantă

Dualitatea undă-particulă a luminii înseamnă că lumina are simultan proprietățile undelor electromagnetice continue și proprietățile fotonilor discreti. Această concluzie fundamentală a fost făcută de fizicieni în secolul al XX-lea și a rezultat din ideile anterioare despre lumină. Newton credea că lumina este un flux de corpusculi, adică un flux de particule de materie care zboară în linie dreaptă. Această teorie a explicat bine propagarea rectilinie a luminii. Dar au apărut dificultăți în explicarea legilor reflexiei și refracției, iar fenomenele de difracție și interferență nu au putut fi explicate deloc prin teoria corpusculară. Prin urmare, a apărut teoria ondulatorie a luminii. Această teorie a explicat difracția și interferența, dar a avut dificultăți în a explica lumina dreaptă. Abia în secolul al XIX-lea, J. Fresnel, folosind descoperirile altor fizicieni, a reușit să combine principiile deja derivate într-o singură teorie, conform căreia lumina este o undă mecanică transversală. Mai târziu, Maxwell a descoperit că lumina este un tip de radiație electromagnetică. Dar la începutul secolului al XX-lea, datorită descoperirilor lui Einstein, ideile despre lumină s-au schimbat din nou. Lumina a ajuns să fie înțeleasă ca un flux de fotoni. Dar anumite proprietăți ale luminii au fost explicate perfect de teoria undelor. Lumina are proprietăți atât corpusculare, cât și ondulatorii. În acest caz, există următoarele regularități: cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât apar proprietățile corpusculare mai luminoase; cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât apar proprietățile undei mai strălucitoare.

Potrivit lui de Broglie, fiecare microobiect este asociat, pe de o parte, cu caracteristici corpusculare - energia E și impulsul p, iar pe de altă parte, cu caracteristicile undei - frecvența și lungimea de undă.

În 1924, fizicianul francez L. de Broglie a avansat o ipoteză îndrăzneață: dualitatea undă-particulă are un caracter universal, adică. toate particulele care au un impuls finit P au proprietăți de undă. Așa a apărut celebra formulă de Broglie în fizică, unde m este masa particulei, V este viteza acesteia, h este constanta lui Planck.

Asa de, proprietățile corpusculare și ondulatorii ale unui micro-obiect sunt incompatibile în ceea ce privește manifestarea lor simultană, cu toate acestea, ele caracterizează în mod egal obiectul, i.e. se completează reciproc. Această idee a fost exprimată de N. Bohr și a stat la baza celui mai important principiu metodologic al științei moderne, care acoperă în prezent nu numai științele fizice, ci și toate știința naturii - principiul complementarității (1927). Esenta Principiul complementarității conform lui N. Bohr se rezumă la următoarele: indiferent cât de mult depășesc fenomenele de explicația fizică clasică, toate datele experimentale trebuie descrise folosind concepte clasice. Pentru a descrie pe deplin fenomenele mecanice cuantice, este necesar să se utilizeze două seturi (suplimentare) de concepte clasice care se exclud reciproc, a căror combinație oferă cele mai complete informații despre aceste fenomene în ansamblu.

Principiul complementarității, ca principiu general al cunoașterii, poate fi formulat astfel: orice fenomen natural adevărat nu poate fi definit fără ambiguitate folosind cuvintele limbajului nostru și necesită pentru definirea sa cel puțin două concepte suplimentare care se exclud reciproc. Astfel de fenomene includ, de exemplu, fenomenele cuantice, viața, psihicul etc. Bohr, în special, a văzut necesitatea aplicării principiului complementarității în biologie, care se datorează structurii și funcțiilor extrem de complexe ale organismelor vii, care le asigură. cu capacităţi ascunse aproape inepuizabile.

În ultima sută de ani, știința a făcut progrese mari în studierea structurii lumii noastre atât la nivel microscopic, cât și la nivel macroscopic. Descoperirile uimitoare aduse nouă de teoriile speciale și generale ale relativității și mecanicii cuantice încă entuziasmează mintea publicului. Cu toate acestea, orice persoană educată trebuie să înțeleagă cel puțin elementele de bază ale realizărilor științifice moderne. Unul dintre cele mai impresionante și importante puncte este dualitatea undă-particulă. Aceasta este o descoperire paradoxală, a cărei înțelegere este dincolo de atingerea percepției cotidiene intuitive.

Corpusculi și valuri

Dualismul a fost descoperit pentru prima dată în studiul luminii, care s-a comportat complet diferit în funcție de condiții. Pe de o parte, s-a dovedit că lumina este o undă electromagnetică optică. Pe de altă parte, există o particulă discretă (acțiunea chimică a luminii). Inițial, oamenii de știință credeau că aceste două idei se exclud reciproc. Cu toate acestea, numeroase experimente au arătat că nu este cazul. Treptat, realitatea unui astfel de concept precum dualitatea undă-particulă a devenit obișnuită. Acest concept oferă baza studierii comportamentului obiectelor cuantice complexe care nu sunt nici unde, nici particule, ci doar dobândesc proprietățile acestora din urmă sau ale primei în funcție de anumite condiții.

Experiment cu dublă fantă

Difracția fotonului este o demonstrație clară a dualismului. Detectorul de particule încărcate este o placă fotografică sau un ecran fluorescent. Fiecare foton individual a fost marcat de iluminare sau de un flash spot. Combinația de astfel de semne a dat un model de interferență - alternarea dungilor slab și puternic iluminate, care este o caracteristică a difracției undelor. Acest lucru este explicat printr-un astfel de concept precum dualitatea undă-particulă. Celebrul fizician și laureat al Nobel Richard Feynman a spus că materia se comportă la scară mică în așa fel încât este imposibil să simți „naturalitatea” comportamentului cuantic.

Dualism universal

Cu toate acestea, această experiență este valabilă nu numai pentru fotoni. S-a dovedit că dualismul este o proprietate a întregii materie și este universal. Heisenberg a susținut că materia există alternativ sub ambele forme. Astăzi s-a dovedit absolut că ambele proprietăți apar complet simultan.

Unda corpusculară

Cum putem explica acest comportament al materiei? Unda care este inerentă corpusculilor (particulelor) se numește val de Broglie, numită după tânărul om de știință aristocratic care a propus o soluție la această problemă. Este în general acceptat că ecuațiile lui de Broglie descriu o funcție de undă, care, la pătrat, determină doar probabilitatea ca o particulă să se afle în diferite puncte ale spațiului în momente diferite. Pur și simplu, valul de Broglie este o probabilitate. Astfel, s-a stabilit egalitatea între conceptul matematic (probabilitatea) și procesul real.

Câmp cuantic

Ce sunt corpusculii materiei? În mare, acestea sunt cuante de câmpuri de undă. Un foton este un cuantum al unui câmp electromagnetic, un pozitron și un electron sunt un câmp electron-pozitron, un mezon este un cuantum al unui câmp mezon și așa mai departe. Interacțiunea dintre câmpurile de undă se explică prin schimbul anumitor particule intermediare între ele, de exemplu, în timpul interacțiunii electromagnetice are loc un schimb de fotoni. De aici rezultă direct o altă confirmare că procesele ondulatorii descrise de de Broglie sunt fenomene fizice absolut reale. Și dualismul particule-undă nu acționează ca o „proprietate ascunsă misterioasă” care caracterizează capacitatea particulelor de a se „reîncarna”. Demonstrează clar două acțiuni interdependente - mișcarea unui obiect și procesul ondulatoriu asociat cu acesta.

Efect de tunel

Dualitatea undă-particulă a luminii este asociată cu multe alte fenomene interesante. Direcția de acțiune a undei de Broglie apare în timpul așa-numitului efect de tunel, adică atunci când fotonii pătrund prin bariera energetică. Acest fenomen este cauzat de impulsul particulei care depășește valoarea medie în momentul antinodului undei. Tunnelarea a făcut posibilă dezvoltarea multor dispozitive electronice.

Interferența cuantelor de lumină

Știința modernă vorbește despre interferența fotonilor în același mod misterios ca și despre interferența electronilor. Se pare că un foton, care este o particulă indivizibilă, poate trece simultan de-a lungul oricărei căi deschise pentru sine și poate interfera cu el însuși. Dacă luăm în considerare că dualitatea undă-particulă a proprietăților materiei și fotonului este o undă care acoperă multe elemente structurale, atunci divizibilitatea sa nu este exclusă. Acest lucru contrazice vederile anterioare ale particulei ca o formațiune elementară indivizibilă. Posedând o anumită masă de mișcare, fotonul formează o undă longitudinală asociată cu această mișcare, care precede particula însăși, deoarece viteza undei longitudinale este mai mare decât cea a undei electromagnetice transversale. Prin urmare, există două explicații pentru interferența unui foton cu el însuși: particula este împărțită în două componente, care interferează una cu cealaltă; Unda de fotoni se deplasează pe două căi și formează un model de interferență. S-a descoperit experimental că un model de interferență este, de asemenea, creat atunci când particulele-fotonii unice încărcate sunt trecuți pe rând prin interferometru. Acest lucru confirmă teza că fiecare foton individual interferează cu el însuși. Acest lucru se vede mai ales clar când se ține cont de faptul că lumina (nici coerentă, nici monocromatică) este o colecție de fotoni care sunt emiși de atomi în procese interconectate și aleatorii.

Ce este lumina?

O undă luminoasă este un câmp electromagnetic nelocalizat care este distribuit în spațiu. Câmpul electromagnetic al unei unde are o densitate volumetrică de energie care este proporțională cu pătratul amplitudinii. Aceasta înseamnă că densitatea de energie se poate modifica cu orice cantitate, adică este continuă. Pe de o parte, lumina este un flux de cuante și fotoni (corpusculi), care, datorită universalității unui astfel de fenomen precum dualitatea particule-undă, reprezintă proprietățile unei unde electromagnetice. De exemplu, în fenomenele de interferență și difracție și scale, lumina prezintă în mod clar caracteristicile unei unde. De exemplu, un singur foton, așa cum este descris mai sus, care trece printr-o fantă dublă creează un model de interferență. Cu ajutorul experimentelor, s-a dovedit că un singur foton nu este un impuls electromagnetic. Nu poate fi împărțit în grinzi cu separatoare de fascicule, așa cum au arătat fizicienii francezi Aspe, Roger și Grangier.

Lumina are și proprietăți corpusculare, care se manifestă prin efectul Compton și efectul fotoelectric. Un foton se poate comporta ca o particulă care este absorbită în întregime de obiecte ale căror dimensiuni sunt mult mai mici decât lungimea de undă (de exemplu, un nucleu atomic). În unele cazuri, fotonii pot fi considerați în general obiecte punctuale. Nu are nicio diferență față de poziția în care considerăm proprietățile luminii. În domeniul viziunii în culori, un flux de lumină poate acționa atât ca undă, cât și ca particule-foton ca cuantum de energie. Un punct focalizat pe un fotoreceptor retinian, cum ar fi membrana conului, poate permite ochiului să formeze propria sa valoare filtrată ca principalele raze spectrale de lumină și să le trimită în lungimi de undă. Conform valorilor energiei cuantice, în creier punctul obiect va fi tradus într-o senzație de culoare (imagine optică focalizată).

Dacă credeai că ne-am scufundat în uitare cu subiectele noastre uluitoare, atunci ne grăbim să te dezamăgim și să te bucurăm: te-ai înșelat! De fapt, în tot acest timp am încercat să găsim o metodă acceptabilă de prezentare a subiectelor nebunești legate de paradoxurile cuantice. Am scris mai multe ciorne, dar toate au fost aruncate în frig. Pentru că atunci când vine vorba de explicarea glumelor cuantice, noi înșine suntem confuzi și admitem că nu înțelegem multe (și, în general, puțini oameni înțeleg această chestiune, inclusiv oamenii de știință cool din lume). Din păcate, lumea cuantică este atât de străină de viziunea filistină asupra lumii, încât nu este deloc păcat să vă recunoașteți neînțelegerea și să încercați puțin împreună să înțelegeți măcar elementele de bază.

Și deși, ca de obicei, vom încerca să vorbim cât mai clar cu imagini de la Google, cititorul neexperimentat va avea nevoie de o pregătire inițială, așa că vă recomandăm să vă uitați prin subiectele noastre anterioare, în special despre cuante și materie.
Mai ales pentru umaniști și alți oameni interesați - paradoxuri cuantice. Partea 1.

În acest subiect vom vorbi despre cel mai comun mister al lumii cuantice - dualitatea undă-particulă. Când spunem „cel mai obișnuit”, ne referim la faptul că fizicienii s-au săturat atât de mult, încât nici nu pare un mister. Dar asta se datorează faptului că alte paradoxuri cuantice sunt și mai greu de acceptat pentru mintea obișnuită.

Și a fost așa. Pe vremurile bune, undeva la mijlocul secolului al XVII-lea, Newton și Huygens nu erau de acord cu privire la existența luminii: Newton a declarat fără rușine că lumina este un flux de particule, iar bătrânul Huygens a încercat să demonstreze că lumina este un val. Dar Newton era mai autoritar, așa că afirmația sa despre natura luminii a fost acceptată ca adevărată, iar Huygens a fost râs de râs. Și timp de două sute de ani lumina a fost considerată un flux de particule necunoscute, a căror natură sperau să o descopere într-o zi.

La începutul secolului al XIX-lea, un orientalist pe nume Thomas Young s-a amestecat cu instrumente optice - ca urmare, a luat și a efectuat un experiment care se numește acum experimentul lui Young și fiecare fizician consideră acest experiment sacru.

Thomas Young tocmai a direcționat un fascicul de lumină (de aceeași culoare, astfel încât frecvența să fie aproximativ aceeași) prin două fante din placă și a plasat o altă placă de ecran în spatele ei. Și a arătat rezultatul colegilor săi. Dacă lumina ar fi un flux de particule, atunci am vedea două dungi luminoase în fundal.
Dar, din nefericire pentru întreaga lume științifică, pe ecranul plăcii au apărut o serie de dungi întunecate și luminoase. Un fenomen comun numit interferență este suprapunerea a două (sau mai multe valuri) una peste alta.

Apropo, datorită interferenței observăm nuanțe de curcubeu pe o pată de ulei sau pe un balon de săpun.

Cu alte cuvinte, Thomas Young a demonstrat experimental că lumina sunt unde. Lumea științifică nu a vrut să-l creadă mult timp pe Jung și la un moment dat a fost atât de criticat încât chiar și-a abandonat ideile despre teoria valurilor. Dar încrederea în dreptatea lor încă a câștigat, iar oamenii de știință au început să considere lumina ca un val. Adevărat, un val de ce - a fost un mister.
Iată, în imagine, vechiul experiment Jung.

Trebuie spus că natura ondulatorie a luminii nu a influențat foarte mult fizica clasică. Oamenii de știință au rescris formulele și au început să creadă că în curând întreaga lume va cădea la picioarele lor sub o singură formulă universală pentru orice.
Dar ai ghicit deja că Einstein, ca întotdeauna, a distrus totul. Problema s-a strecurat din cealaltă parte - la început oamenii de știință s-au încurcat în calcularea energiei undelor termice și au descoperit conceptul de cuante (asigurați-vă că citiți despre acest lucru în subiectul nostru corespunzător „”). Și apoi, cu ajutorul acestor cuante, Einstein a dat o lovitură fizicii, explicând fenomenul efectului fotoelectric.

Pe scurt: efectul fotoelectric (una dintre consecințele căruia este expunerea filmului) este eliminarea electronilor de pe suprafața anumitor materiale de către lumină. Din punct de vedere tehnic, această eliminare are loc ca și cum lumina ar fi o particule. Einstein a numit o particulă de lumină cuantum de lumină, iar mai târziu i s-a dat un nume - foton.

În 1920, uimitorul efect Compton a fost adăugat teoriei anti-undă a luminii: atunci când un electron este bombardat cu fotoni, fotonul sare de pe electron cu o pierdere de energie (noi „tragem” în albastru, dar cel roșu zboară off), ca o minge de biliard de la alta. Compton a câștigat Premiul Nobel pentru asta.

De data aceasta, fizicienii s-au ferit să abandoneze pur și simplu natura ondulatorie a luminii, dar s-au gândit din greu. Știința se confruntă cu un mister terifiant: este lumina o undă sau o particulă?

Lumina, ca orice val, are o frecvență - și aceasta este ușor de verificat. Vedem culori diferite, deoarece fiecare culoare este pur și simplu o frecvență diferită a unei unde electromagnetice (luminoase): roșu este o frecvență joasă, violet este o frecvență înaltă.
Dar este uimitor: lungimea de undă a luminii vizibile este de cinci mii de ori mai mare decât un atom - cum se potrivește un astfel de „lucru” într-un atom când atomul absoarbe această undă? Dacă fotonul este o particulă comparabilă ca mărime cu un atom. Este un foton și mare și mic în același timp?

În plus, efectul fotoelectric și efectul Compton demonstrează în mod clar că lumina este încă un flux de particule: nu se poate explica modul în care o undă transferă energie către electronii localizați în spațiu - dacă lumina ar fi o undă, atunci unii electroni ar fi eliminati mai târziu. decât altele, iar fenomenul Nu am observa efectul fotoelectric. Dar în cazul unui flux, un singur foton se ciocnește cu un singur electron și, în anumite condiții, îl scoate din atom.

Drept urmare, s-a decis: lumina este atât o undă, cât și o particulă. Sau, mai degrabă, nici una, nici alta, ci o nouă formă de existență a materiei până acum necunoscută: fenomenele pe care le observăm sunt doar proiecții sau umbre ale stării reale de lucruri, în funcție de modul în care privești ceea ce se întâmplă. Când privim umbra unui cilindru iluminat dintr-o parte, vedem un cerc, iar când este iluminat din cealaltă parte, vedem o umbră dreptunghiulară. Așa este și cu reprezentarea particulelor-undă a luminii.

Dar nici aici totul nu este ușor. Nu putem spune că considerăm lumina ca fiind fie o undă, fie un flux de particule. Uita-te pe fereastra. Dintr-o dată, chiar și în paharul spălat curat, ne vedem propria noastră reflexie, deși neclară. Care e siretlicul? Dacă lumina este un val, atunci este ușor de explicat reflexia într-o fereastră - vedem efecte similare asupra apei atunci când un val este reflectat de un obstacol. Dar dacă lumina este un flux de particule, atunci reflexia nu poate fi explicată atât de ușor. La urma urmei, toți fotonii sunt la fel. Cu toate acestea, dacă toate sunt la fel, atunci bariera sub formă de sticlă ar trebui să aibă același efect asupra lor. Fie trec toate prin sticlă, fie sunt toate reflectate. Dar în realitatea dură, unii dintre fotoni zboară prin sticlă, iar noi vedem casa vecină și ne vedem imediat reflexia.

Și singura explicație care îmi vine în minte: fotonii sunt singuri. Este imposibil de prezis cu o probabilitate sută la sută cum se va comporta un anumit foton - dacă se va ciocni cu sticla ca particulă sau ca undă. Aceasta este baza fizicii cuantice - comportamentul complet, absolut aleatoriu al materiei la nivel micro fără niciun motiv (și în lumea noastră de cantități mari, știm din experiență că totul are un motiv). Acesta este un generator de numere aleatoare perfect, spre deosebire de aruncarea unei monede.

Genialul Einstein, care a descoperit fotonul, a fost convins până la sfârșitul vieții că fizica cuantică este greșită și a asigurat pe toată lumea că „Dumnezeu nu joacă zaruri”. Dar știința modernă confirmă din ce în ce mai mult că joacă.

Într-un fel sau altul, oamenii de știință au decis într-o zi să pună capăt dezbaterii „undă sau particule” și să reproducă experiența lui Jung, ținând cont de tehnologiile secolului al XX-lea. Până atunci, ei învățaseră să tragă fotoni pe rând (generatoare cuantice, cunoscute în rândul populației ca „lasere”) și, prin urmare, s-a decis să se verifice ce s-ar întâmpla pe ecran dacă cineva trage o particulă în două fante: va deveni în sfârșit clar ce este materia în condiții experimentale controlate.

Și dintr-o dată - un singur cuantum de lumină (foton) a arătat un model de interferență, adică particula a zburat prin ambele fante în același timp, fotonul a interferat cu el însuși (în termeni științifici). Să clarificăm punctul tehnic - de fapt, imaginea de interferență a fost arătată nu de un foton, ci de o serie de fotografii la o particulă la intervale de 10 secunde - de-a lungul timpului, franjurile lui Young, familiare oricărui student C încă din 1801, au apărut pe Monitorul.

Din punctul de vedere al valului, acest lucru este logic - valul trece prin fisuri, iar acum două valuri noi diverg în cercuri concentrice, suprapunându-se.
Dar din punct de vedere corpuscular, se dovedește că fotonul se află în două locuri în același timp când trece prin fante, iar după ce trece prin el se amestecă cu el însuși. Acest lucru este în general normal, nu?
S-a dovedit că era normal. Mai mult, deoarece fotonul este în două fante deodată, înseamnă că este simultan peste tot atât înainte de fante, cât și după ce a zburat prin ele. Și, în general, din punctul de vedere al fizicii cuantice, fotonul eliberat între început și sfârșit este simultan „pretutindeni și deodată”. Fizicienii numesc o astfel de descoperire a unei particule „pretutindeni odată” suprapunere - un cuvânt groaznic, care obișnuia să fie un răsfăț matematic, a devenit acum o realitate fizică.

Un anume E. Schrödinger, un oponent binecunoscut al fizicii cuantice, dezgropase până atunci undeva o formulă care descria proprietățile undei ale materiei, cum ar fi apa. Și după ce m-am chinuit puțin, spre groaza mea, am dedus așa-numita funcție de undă. Această funcție a arătat probabilitatea de a găsi un foton într-o anumită locație. Rețineți că aceasta este o probabilitate, nu o locație exactă. Și această probabilitate depindea de pătratul înălțimii crestei undei cuantice la o anumită locație (dacă cineva este interesat de detalii).

Vom dedica un capitol separat problemelor de măsurare a locației particulelor.

Descoperirile ulterioare au arătat că lucrurile cu dualism sunt și mai rele și mai misterioase.
În 1924, un anume Louis de Broglie spunea că proprietățile ondulatorii-corpusculare ale luminii sunt vârful aisbergului. Și toate particulele elementare au această proprietate de neînțeles.
Adică, o particulă și o undă în același timp nu sunt doar particule ale câmpului electromagnetic (fotoni), ci și particule reale, cum ar fi electroni, protoni etc. Toată materia din jurul nostru la nivel microscopic este valuri(și particule în același timp).

Și câțiva ani mai târziu, acest lucru a fost chiar confirmat experimental - americanii au condus electroni în tuburile cu raze catodice (care sunt cunoscute de bărții de astăzi sub numele de „kinescop”) - și astfel, observațiile legate de reflectarea electronilor au confirmat că un electron este, de asemenea, o undă (pentru ușurință de înțelegere, puteți spune că au plasat o placă cu două fante în calea electronului și au văzut interferența electronului așa cum este).

Până în prezent, experimentele au descoperit că atomii au și proprietăți de undă și chiar și unele tipuri speciale de molecule (așa-numitele „fulerene”) se manifestă ca unde.

Mintea iscoditoare a cititorului, care nu a fost încă uluit de povestea noastră, se va întreba: dacă materia este un val, atunci de ce, de exemplu, o minge zburătoare nu este mânjită în spațiu sub forma unui val? De ce un avion cu reacție nu seamănă deloc cu un val, dar este foarte asemănător cu un avion cu reacție?

De Broglie, diavolul, a explicat totul aici: da, o minge zburătoare sau un Boeing este și un val, dar lungimea acestui val este mai mică, cu atât impulsul este mai mare. Momentul este masa înmulțită cu viteza. Adică, cu cât masa materiei este mai mare, cu atât lungimea de undă a acesteia este mai mică. Lungimea de undă a unei mingi care zboară cu o viteză de 150 km/h va fi de aproximativ 0,00 metri. Prin urmare, nu putem observa cum mingea este răspândită în spațiu ca un val. Pentru noi este o materie solidă.
Un electron este o particulă foarte ușoară și, zburând cu o viteză de 6000 km/sec, va avea o lungime de undă vizibilă de 0,0000000001 metri.

Apropo, să răspundem imediat la întrebarea de ce nucleul atomic nu este atât de „undă”. Deși este situat în centrul atomului, în jurul căruia electronul zboară nebunește și în același timp este mânjit, are un impuls decent asociat cu masa de protoni și neutroni, precum și cu oscilația (viteza) de înaltă frecvență datorată la existența unui schimb constant de particule în interiorul nucleului interacțiune puternică (citiți subiectul). Prin urmare, miezul seamănă mai mult cu materia solidă cu care suntem familiarizați. Electronul, aparent, este singura particulă cu masă care și-a exprimat clar proprietățile undei, așa că toată lumea o studiază cu încântare.

Să ne întoarcem la particulele noastre. Deci, se dovedește: un electron care se rotește în jurul unui atom este atât o particulă, cât și o undă. Adică, particula se rotește și, în același timp, electronul ca undă reprezintă o înveliș cu o anumită formă în jurul nucleului - cum poate fi înțeles acest lucru chiar și de creierul uman?

Am calculat deja mai sus că un electron zburător are o lungime de undă destul de mare (pentru un microcosmos) și, pentru a se potrivi în jurul nucleului unui atom, o astfel de undă are nevoie de o cantitate indecent de mare de spațiu. Acesta este exact ceea ce explică dimensiuni atât de mari ale atomilor în comparație cu nucleul. Lungimile de undă ale electronului determină dimensiunea atomului. Spațiul gol dintre nucleu și suprafața atomului este umplut de „acomodarea” lungimii de undă (și în același timp particulei) electronului. Aceasta este o explicație foarte grosolană și incorectă - vă rugăm să ne iertați - în realitate totul este mult mai complicat, dar scopul nostru este să permitem cel puțin oamenilor care sunt interesați de toate acestea să roadă o bucată din granitul științei.

Să fim din nou clari! După câteva comentarii la articol [în YP], ne-am dat seama ce punct important lipsea acestui articol. Atenţie! Forma materiei pe care o descriem nu este nici o undă, nici o particulă. Numai (simultan) are proprietățile unei unde și proprietățile particulelor. Nu se poate spune că o undă electromagnetică sau o undă de electroni este ca undele mării sau undele sonore. Undele cu care suntem familiarizați reprezintă propagarea perturbațiilor în spațiul plin cu o anumită substanță.
Fotonii, electronii și alte instanțe ale microcosmosului, atunci când se mișcă în spațiu, pot fi descrise prin ecuații de undă; comportamentul lor este doar ASEMĂNĂ cu o undă, dar în niciun caz nu sunt o undă. Este similar cu structura corpusculară a materiei: comportamentul unei particule este similar cu zborul bilelor mici, dar acestea nu sunt niciodată bile.
Acest lucru trebuie înțeles și acceptat, altfel toate gândurile noastre vor duce în cele din urmă la căutarea analogilor în macrocosmos și astfel înțelegerea fizicii cuantice se va sfârși și va începe friarismul sau filozofia șarlatană, cum ar fi magia cuantică și materialitatea. de gânduri.

Vom lua în considerare concluziile și consecințele terifiante rămase ale experimentului modernizat al lui Jung mai târziu în partea următoare - incertitudinea lui Heisenberg, pisica lui Schrödinger, principiul de excludere a lui Pauli și încurcarea cuantică așteaptă cititorul pacient și atent care va reciti articolele noastre de mai multe ori și va scotoci. prin Internet în căutarea de informații suplimentare.

Vă mulțumesc tuturor pentru atenție. Insomnie fericită sau coșmaruri cognitive tuturor!

NB: Vă reamintim cu sârguință că toate imaginile sunt preluate de pe Google (căutare după imagini) - autoritatea este stabilită acolo.
Copierea ilegală a textului este urmărită, suprimată, ei bine, știi...

Dualitate undă-particulă– proprietatea oricărei microparticule de a detecta semne ale unei particule (corpuscul) și ale unei unde. Dualitatea undă-particulă se manifestă cel mai clar în particulele elementare. Un electron, un neutron, un foton, în anumite condiții, se comportă ca obiecte materiale (particule) bine localizate în spațiu, mișcându-se cu anumite energii și impulsuri de-a lungul traiectoriilor clasice, iar în altele, ca undele, care se manifestă în capacitatea lor de a interferență și difracție. Astfel, o undă electromagnetică, care se împrăștie pe electroni liberi, se comportă ca un flux de particule individuale - fotoni, care sunt cuante ale câmpului electromagnetic (efectul Compton), iar impulsul fotonului este dat de formula p = h/λ, unde λ este lungimea undei electromagnetice, iar h este constanta lui Planck. Această formulă în sine este o dovadă a dualismului. În ea, în stânga este impulsul unei particule individuale (foton), iar în dreapta este lungimea de undă a fotonului. Dualitatea electronilor, pe care suntem obișnuiți să o considerăm particule, se manifestă prin faptul că atunci când sunt reflectate de pe suprafața unui singur cristal, se observă un model de difracție, care este o manifestare a proprietăților undei electronilor. Relația cantitativă dintre caracteristicile corpusculare și de undă ale unui electron este aceeași ca și pentru un foton: р = h/λ (р este impulsul electronului, iar λ este lungimea sa de undă de Broglie). Dualitatea undă-particulă este baza fizicii cuantice.

Valul (blana) este un proces asociat întotdeauna cu un mediu material care ocupă un anumit volum în spațiu.

64. De Broglie valuri. Difracția electronilor Proprietățile undei ale microparticulelor.

Dezvoltarea ideilor despre proprietățile corpusculare ale materiei primite în ipoteza despre natura ondulatorie a mișcării microparticulelor. Louis de Broglie, de la ideea de simetrie în natură pentru particulele de materie și lumină, a atribuit oricărei microparticule un anumit proces periodic intern (1924). Combinând formulele E = hν și E = mc 2, a obținut o relație care arată că orice particulă are propria sa lungime de undă : λ B = h/mv = h/p, unde p este impulsul particulei-undă. De exemplu, pentru un electron cu o energie de 10 eV, lungimea de undă de Broglie este de 0,388 nm. Ulterior, s-a demonstrat că starea unei microparticule în mecanica cuantică poate fi descrisă de un anumit complex funcția de undă coordonatele Ψ(q), și modulul pătrat al acestei funcții |Ψ| 2 definește distribuția de probabilitate a valorilor coordonatelor. Această funcție a fost introdusă pentru prima dată în mecanica cuantică de către Schrödinger în 1926. Astfel, unda de Broglie nu transportă energie, ci doar reflectă „distribuția de fază” a unui proces periodic probabilistic în spațiu. În consecință, descrierea stării obiectelor din microlume este caracter probabilistic, spre deosebire de obiectele macrolumii, care sunt descrise de legile mecanicii clasice.

Pentru a demonstra ideea lui de Broglie despre natura ondulatorie a microparticulelor, fizicianul german Elsasser a propus utilizarea cristalelor pentru a observa difracția electronilor (1925). În SUA, K. Davisson și L. Germer au descoperit fenomenul de difracție atunci când un fascicul de electroni trece printr-o placă de cristal de nichel (1927). Independent de ei, difracția electronilor care trec prin folia metalică a fost descoperită de J.P.Thomson în Anglia și P.S. Tartakovsky în URSS. Astfel, ideea lui de Broglie despre proprietățile undei ale materiei a găsit confirmare experimentală. Ulterior, proprietățile de difracție și, prin urmare, de undă au fost descoperite în fasciculele atomice și moleculare. Nu numai fotonii și electronii, ci și toate microparticulele au proprietăți de unde de particule.

Descoperirea proprietăților de undă ale microparticulelor a arătat că forme de materie precum câmpul (continuu) și materia (discretă), care din punctul de vedere al fizicii clasice erau considerate calitativ diferite, în anumite condiții pot prezenta proprietăți inerente ambelor forme. Aceasta vorbește despre unitatea acestor forme de materie. O descriere completă a proprietăților lor este posibilă numai pe baza unor idei opuse, dar complementare.

Introducere

Aproape simultan, au fost prezentate două teorii ale luminii: teoria corpusculară a lui Newton și teoria undelor a lui Huygens.

Conform teoriei corpusculare, sau teoria fluxului de ieșire, prezentată de Newton la sfârșitul secolului al XVII-lea, corpurile luminoase emit particule minuscule (corpuscule) care zboară drept în toate direcțiile și, atunci când intră în ochi, provoacă o senzație de lumină. .

Conform teoriei undelor, un corp luminos provoacă vibrații elastice într-un mediu special care umple întreg spațiul cosmic - eterul mondial - care se propagă în eter ca undele sonore din aer.

Pe vremea lui Newton și Huygens, majoritatea oamenilor de știință au aderat la teoria corpusculară a lui Newton, care a explicat destul de satisfăcător toate fenomenele luminoase cunoscute la acea vreme. Reflexia luminii a fost explicată în mod similar cu reflexia corpurilor elastice la impactul cu un avion. Refracția luminii a fost explicată prin acțiunea unor forțe de atracție mari asupra corpusculilor dintr-un mediu mai dens. Sub influența acestor forțe, care se manifestă, conform teoriei lui Newton, la apropierea unui mediu mai dens, corpusculii de lumină au primit o accelerație direcționată perpendicular pe limita acestui mediu, în urma căreia au schimbat direcția de mișcare și la nivelul în același timp și-au crescut viteza. Alte fenomene luminoase au fost explicate în mod similar.

Ulterior, noile observații care au apărut nu s-au încadrat în cadrul acestei teorii. În special, inconsistența acestei teorii a fost descoperită atunci când a fost măsurată viteza de propagare a luminii în apă. S-a dovedit a fi nu mai mult, ci mai puțin decât în ​​aer.

La începutul secolului al XIX-lea, teoria valurilor a lui Huygens, nerecunoscută de contemporanii săi, a fost dezvoltată și îmbunătățită de Young și Fresnel și a primit recunoaștere universală. În anii 60 ai secolului trecut, după ce Maxwell a dezvoltat teoria câmpului electromagnetic, s-a dovedit că lumina sunt unde electromagnetice. Astfel, teoria ondulatorie a luminii a fost înlocuită cu teoria undelor electromagnetice. Undele luminoase (spectrul vizibil) ocupă intervalul de 0,4–0,7 µm pe scara undelor electromagnetice. Teoria undelor luminii a lui Maxwell, care tratează radiația ca pe un proces continuu, nu a putut explica unele dintre fenomenele optice nou descoperite. A fost completată de teoria cuantică a luminii, conform căreia energia unei unde luminoase este emisă, distribuită și absorbită nu în mod continuu, ci în anumite porțiuni - cuante de lumină, sau fotoni - care depind doar de lungimea undei luminoase. Astfel, conform conceptelor moderne, lumina are atât proprietăți ondulatorii, cât și proprietăți corpusculare.

Interferența luminii

Undele care creează oscilații în fiecare punct al spațiului cu o diferență de fază care nu se modifică în timp sunt numite coerente. Diferența de fază în acest caz are o valoare constantă, dar, în general, diferită pentru diferite puncte din spațiu. Este evident că numai undele de aceeași frecvență pot fi coerente.

Când mai multe unde coerente se propagă în spațiu, oscilațiile generate de aceste unde se întăresc reciproc în unele puncte și se slăbesc reciproc în altele. Acest fenomen se numește interferență de unde. Valurile de orice natură fizică pot interfera. Ne vom uita la interferența undelor luminoase.

Sursele de unde coerente sunt numite și coerente. Când o anumită suprafață este iluminată de mai multe surse de lumină coerente, pe această suprafață apar, în general, dungi alternante de lumină și întuneric.

Două surse de lumină independente, de exemplu două lămpi electrice, nu sunt coerente. Undele luminoase pe care le emit sunt rezultatul adunării unui număr mare de unde emise de atomi individuali. Emisia undelor de către atomi are loc aleatoriu și, prin urmare, nu există relații constante între fazele undelor emise de două surse.

Când suprafața este iluminată de surse incoerente, modelul de dungi alternante luminoase și întunecate caracteristice interferenței nu apare. Iluminarea în fiecare punct se dovedește a fi egală cu suma iluminării create de fiecare dintre surse separat.

Undele coerente sunt produse prin împărțirea unui fascicul de lumină de la o sursă în două sau mai multe fascicule separate.

Interferența luminii poate fi observată la iluminarea unei plăci transparente de grosime variabilă, în special a unei plăci în formă de pană, cu raze monocromatice (unicolore). Ochiul observatorului va primi unde reflectate atât de pe suprafața din față, cât și din spate a plăcii. Rezultatul interferenței este determinat de diferența dintre fazele acestor unde și ale altor unde, care se modifică treptat odată cu modificările grosimii

Când o placă plan-paralelă este iluminată de un fascicul paralel, diferența de fază a undelor de lumină reflectate de suprafețele sale frontale și posterioare este aceeași în toate punctele - placa va apărea uniform iluminată.

În jurul punctului de contact al unui geam ușor convex cu unul plat, atunci când este iluminat cu lumină monocromatică, se observă inele întunecate și deschise - așa-numitele inele lui Newton. Aici, cel mai subțire strat de aer dintre ambele pahare joacă rolul unei pelicule reflectorizante, având o grosime constantă de-a lungul cercurilor concentrice.

Difracția luminii.

O undă luminoasă nu schimbă forma geometrică a frontului atunci când se propagă într-un mediu omogen. Cu toate acestea, dacă lumina se propagă într-un mediu neomogen, în care, de exemplu, există ecrane opace, zone de spațiu cu o modificare relativ bruscă a indicelui de refracție etc., atunci se observă o distorsiune a frontului de undă. În acest caz, în spațiu are loc o redistribuire a intensității undei luminoase. Când se iluminează, de exemplu, ecrane opace cu o sursă punctiformă de lumină la limita umbrei, unde, conform legilor opticii geometrice, ar trebui să existe o tranziție bruscă de la umbră la lumină, o serie de dungi întunecate și luminoase. observat; o parte din lumină pătrunde în regiunea umbrei geometrice. Aceste fenomene sunt legate de difracția luminii.

Deci, difracția luminii în sens restrâns este fenomenul de îndoire a luminii în jurul conturului corpurilor opace și a luminii care intră în regiunea unei umbre geometrice; în sens larg, orice abatere în propagarea luminii de la legile opticii geometrice.

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

Dacă mediul conține particule minuscule (ceață) sau indicele de refracție se modifică vizibil pe distanțe de ordinul lungimii de undă, atunci în aceste cazuri vorbim despre împrăștierea luminii și nu se folosește termenul „difracție”.

Există două tipuri de difracție a luminii. Studiind modelul de difracție la un punct de observație situat la o distanță finită de un obstacol, avem de-a face cu difracția Fresnel. Dacă punctul de observație și sursa de lumină sunt situate atât de departe de obstacol încât razele care intră pe obstacol și razele care merg spre punctul de observare pot fi considerate fascicule paralele, atunci vorbim despre difracția în raze paralele - difracția Fraunhofer.

Teoria difracției ia în considerare procesele undelor în cazurile în care există obstacole în calea de propagare a undelor.

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

Polarizarea luminii

Fenomenele de interferență și difracție, care au servit la fundamentarea naturii ondulatorii a luminii, nu oferă încă o imagine completă a naturii undelor luminoase. Noi caracteristici ne sunt dezvăluite prin experiența trecerii luminii prin cristale, în special prin turmalină.

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

Toate fenomenele observate pot fi explicate dacă se trag următoarele concluzii.

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

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

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