Електромагнітна природа світла корпускулярно хвильовий дуалізм. Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм? Досвід із двома щілинами

Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла означає, що світло одночасно має властивості безперервних електромагнітних хвиль та властивості дискретних фотонів. Цей фундаментальний висновок був зроблений фізиками у XX столітті і випливав із попередніх уявлень про світло. Ньютон вважав, що світло - потік корпускул, тобто потік частинок речовини, що прямолінійно летять. Така теорія добре пояснювала прямолінійне поширення світла. Але виникали труднощі при поясненні законів відображення та заломлення, а явища дифракції та інтерференції зовсім не могли бути пояснені корпускулярною теорією. Тому виникла хвильова теорія світла. Ця теорія пояснювала дифракцію та інтерференцію, але виникали труднощі з поясненням прямолінійного світла. Лише у ХІХ столітті Ж. Френель, використовуючи відкриття інших фізиків, зумів об'єднати вже виведені принципи у одну теорію, за якою світло - поперечна механічна хвиля. Надалі Максвелл відкрив, що світло - один із видів електромагнітного випромінювання. Але на початку XX століття завдяки відкриттям Ейнштейна уявлення про світло знову змінилися. Світло почало розумітися як потік фотонів. Але певні властивості світла чудово пояснювалися і хвильовою теорією. Світло має як корпускулярні, так і хвильові властивості. У цьому існують такі закономірності: що коротше довжина хвилі, то яскравіше проявляються корпускулярні властивості, що більше довжина хвилі, то яскравіше виявляються хвильові властивості.

Згідно з де Бройлем, з кожним мікрооб'єктом зв'язуються, з одного боку, корпускулярні характеристики - енергія E та імпульс p, а з іншого боку - хвильові характеристики - частота та довжина хвилі.

У 1924 р. французький фізик Л. де Бройль висунув сміливу гіпотезу: корпускулярно-хвильовий дуалізм має універсальний характер, тобто. всі частинки, що мають кінцевий імпульс Р, мають хвильові властивості. Так у фізиці з'явилася знаменита формула де Бройля де m – маса частинки, V – її швидкість, h – постійна Планка.

Отже, корпускулярні та хвильові властивості мікрооб'єкта є несумісними щодо їх одночасного прояву, проте вони однаково характеризують об'єкт, тобто. доповнюють один одного. Ця ідея була висловлена ​​Н. Бором і покладена ним в основу найважливішого методологічного принципу сучасної науки, що охоплює в даний час не тільки фізичні науки, але і все природознавство. принципу додатковості (1927). Сутьпринципу додатковості за М. Бором зводиться до наступного: як би далеко не виходили явища за межі класичного фізичного пояснення, всі досвідчені дані повинні описуватися за допомогою класичних понять.Для повного опису квантово-механічних явищ необхідно застосовувати два взаємовиключні (додаткові) набори класичних понять, сукупність яких дає найбільш повну інформацію про ці явища як цілісні.

Принцип додатковості, як загальний принцип пізнання може бути сформульований так: будь-яке істинне явище природи не може бути визначено однозначно за допомогою слів нашої мови і вимагає для свого визначення, принаймні, двох взаємовиключних додаткових понять. До таких явищ відносяться, наприклад, квантові явища, життя, психіка та ін. Бор, зокрема, бачив необхідність застосування принципу додатковості в біології, що обумовлено надзвичайно складною будовою та функціями живих організмів, які забезпечують їм практично невичерпні приховані можливості.

За останні сто років наука зробила крок далеко вперед у вивченні устрою нашого світу як на мікроскопічному, так і на макроскопічному рівні. Приголомшливі відкриття, принесені нам спеціальною і загальною теоріями відносності, квантовою механікою, досі хвилюють громадськість. Проте будь-якій освіченій людині необхідно розібратися хоча б в засадах сучасних досягнень науки. Одним із найбільш вражаючих та важливих моментів є корпускулярно-хвильовий дуалізм. Це парадоксальне відкриття, розуміння якого непідвладне інтуїтивному побутовому сприйняттю.

Корпускули та хвилі

Вперше дуалізм виявили при дослідженні світла, яке поводилося залежно від умов зовсім по-різному. З одного боку, виходило, що світло – це оптична електромагнітна хвиля. З іншого боку – дискретна частка (хімічна дія світла). Спочатку вчені вважали, що ці два уявлення взаємно виключають одне одного. Проте численні досліди показали, що це негаразд. Поступово реальність такого поняття, як корпускулярно-хвильовий дуалізм стала повсякденною. Ця концепція є основою вивчення поведінки складних квантових об'єктів, які є ні хвилями, ні частинками, лише набувають властивості других чи перших залежно від певних умов.

Досвід із двома щілинами

Дифракція фотонів – наочна демонстрація дуалізму. Детектором заряджених частинок є фотопластинка або люмінесцентний екран. Кожен окремий фотон відзначався засвіткою або точковим спалахом. Сукупність таких позначок давала інтерференційну картину - чергування слабо і засвічених смужок, що є характеристикою дифракції хвилі. Це пояснюється таким поняттям, як корпускулярно-хвильовий дуалізм. Знаменитий фізик і Нобелівський лауреат Річард Фейнман говорив, що речовина поводиться в малих масштабах так, що відчути «природність» поведінки квантів неможливо.

Універсальний дуалізм

Однак цей досвід справедливий не лише для фотонів. Виявилося, що дуалізм - це властивість усієї речовини, і він універсальний. Гейзенберг стверджував, що матерія існує у обох випадках поперемінно. На сьогоднішній день абсолютно доведено, що обидві властивості виявляються абсолютно одночасно.

Корпускулярна хвиля

А як пояснити таку поведінку матерії? Хвилю, яка властива корпускулам (частинкам), називають хвилею де Бройля, на ім'я молодого аристократа-вченого, який запропонував вирішення цієї проблеми. Вважають, що рівняння де Бройля описують хвильову функцію, що у квадраті визначає лише ймовірність те, що частка перебуває у різний час у різних точках у просторі. Простіше кажучи, дебройлівська хвиля – це ймовірність. Таким чином встановили рівність між математичним поняттям (імовірністю) та реальним процесом.

Квантове поле

Що таке корпускули речовини? За великим рахунком це кванти хвильових полів. Фотон – квант електромагнітного поля, позитрон та електрон – електронно-позитронного, мезон – квант мезонного поля і так далі. Взаємодія між хвильовими полями пояснюється обміном з-поміж них деякими проміжними частинками, наприклад, при електромагнітному взаємодії йде обмін фотонами. Із цього прямо випливає ще одне підтвердження того, що хвильові процеси, описані де Бройлем, – це абсолютно реальні фізичні явища. А корпускулярно-хвильовий дуалізм виступає не як «таємниче приховане властивість», яке характеризує здатність частинок до «перевтілення». Він наочно демонструє дві взаємопов'язані дії - рух об'єкта та пов'язаний з ним хвильовий процес.

Тунельний ефект

Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла пов'язаний із багатьма іншими цікавими явищами. Напрямок дії хвилі де Бройля проявляється за так званого тунельного ефекту, тобто при проникненні фотонів через енергетичний бар'єр. Це зумовлено перевищенням середнього значення імпульсом частки на момент пучності хвилі. За допомогою тунелювання виявилася можливою розробка багатьох електронних приладів.

Інтерференція квантів світла

Сучасна наука говорить про інтерференцію фотонів так само загадково, як і про інтерференцію електронів. Виходить, що фотон, який є неподільною частинкою, одночасно може пройти будь-яким відкритим для себе шляхом і інтерферувати сам із собою. Якщо врахувати, що корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей речовини і фотон являють собою хвилю, що охоплює багато структурних елементів, його ділимість не виключається. Це суперечить попереднім поглядам на частку як на елементарне неподільне утворення. Маючи певну масу руху, фотон формує пов'язану з цим рухом поздовжню хвилю, яка передує самій частинці, оскільки швидкість поздовжньої хвилі більша, ніж поперечної електромагнітної. Тому є два пояснення інтерференції фотона самого з собою: частка розщеплюється на дві складові, які інтерферують один з одним; хвиля фотона проходить двома шляхами і формує інтерференційну картину. Досвідченим шляхом було виявлено, що інтерференційна картина створюється при пропусканні крізь інтерферометр по черзі одиничних заряджених частинок-фотонів. Цим підтверджується теза у тому, кожен окремий фотон інтерферує сам із собою. Особливо чітко це видно з огляду на те, що світло (не когерентне і не монохроматичне) - це зібрання фотонів, які випромінюються атомами у взаємопов'язаних і випадкових процесах.

Що таке світло?

Світлова хвиля – це електромагнітне нелокалізоване поле, яке розподіляється по простору. Електромагнітне поле хвилі має об'ємну щільність енергії, яка пропорційна квадрату амплітуди. Це означає, що щільність енергії може змінюватись на будь-яку величину, тобто це безперервно. З одного боку, світло - це потік квантів і фотонів (корпускул), які завдяки універсальності такого явища, як корпускулярно-хвильовий дуалізм, є властивостями електромагнітної хвилі. Наприклад, у явищах інтерференції та дифракції та у масштабах світло явно демонструє характеристики хвилі. Наприклад, одиночний фотон, як було описано вище, проходячи через подвійну щілину, створює інтерференційну картинку. За допомогою експериментів було доведено, що окремий фотон - це не електромагнітний імпульс. Його не можна розділити на пучки з дільниками променів, що показали французькі фізики Аспе, Роже та Гранжье.

Світло має і корпускулярні властивості, які проявляються при ефекті Комптону і при фотоефекті. Фотон може поводитися як частка, яка поглинається об'єктами цілком, розміри яких набагато менші за довжину його хвилі (наприклад, атомним ядром). У деяких випадках фотони взагалі можна вважати точковими об'єктами. Немає різниці, з якої позиції розглядати властивості світла. У сфері кольорового зору потік світла може виконувати функції хвилі, і частки-фотона як кванта енергії. Предметна точка, сфокусована на фоторецепторі сітківки, наприклад, мембрані колбочки, може дозволити оку сформувати власне відфільтроване значення як основні спектральні промені світла і відсортувати їх по довжинах хвиль. Відповідно до значень енергії квантів, у мозку предметну точку буде переведено на відчуття кольору (сфокусоване оптичне зображення).

Якщо ви вважали, що ми канули в лету зі своїми мозковими темами, що повертають, то поспішаємо вас засмутити порадувати: ви помилялися! Насправді весь цей час ми намагалися знайти прийнятну методику викладу божевільних тем пов'язаних із квантовими парадоксами. Ми написали кілька варіантів чернеток, але всі вони були викинуті на мороз. Бо коли йдеться про пояснення квантових приколів, то ми й самі плутаємось і визнаємо, що багато чого не розуміємо (та й взагалі мало хто розуміє у цій справі, включаючи крутих світових учених). На жаль, квантовий світ настільки чужий для обивательського світогляду, що зовсім не соромно зізнатися у своєму нерозумінні і намагатися потроху разом розібратися хоча б в основах.

І хоча ми, як завжди, постараємося розповідати гранично доступно з картинками з гугла, недосвідченому читачеві знадобиться деяка початкова підготовка, тому рекомендуємо переглянути наші попередні теми, особливо про кванти та матерію.
Спеціально для гуманітаріїв та інших, хто цікавиться - квантові парадокси. Частина 1.

У цій темі ми поговоримо про повсякденну загадку квантового світу - корпускулярно-хвильовому дуалізмі. Коли ми говоримо "найзвичайніша" ми маємо на увазі, що фізикам вона вже приїлася настільки, що начебто і не здається загадкою. Але це все тому, що решта квантових парадокси обивательському розуму прийняти ще складніше.

А справа була така. У старі добрі часи десь у середині 17 століття Ньютон і Гюйгенс розійшлися на думці, що є світло: Ньютон без сорому совісті заявив, що світло це потік частинок, а старовина Гюйгенс намагався довести, що світло це хвиля. Але Ньютон був авторитетнішим, тому його заява про природу світла була прийнята як істинна, а над Гюйгенсом посміялися. І двісті років світло вважали потоком якихось невідомих частинок, природу яких якось сподівалися відкрити.

На початку 19 століття один сходознавець на ім'я Томас Юнг балувався з оптичними приладами - в результаті він взяв і провів експеримент, який зараз називають досвідом Юнга, і кожен фізик вважає цей досвід священним.

Томас Юнг лише направив промінь (одного кольору, щоб частота була приблизно однакова) світла через два прорізи в пластині, а позаду поставив ще одну пластину-екран. І показав результат своїм колегам. Якби світло було потоком частинок, то ми побачили б на задньому фоні дві світлі смуги.
Але, на жаль всього наукового світу, на екрані-пластині з'явилася низка темних і світлих смуг. Звичайне явище, яке називається інтерференцією - накладання двох (і більше хвиль) одна на одну.

До речі, саме завдяки інтерференції ми спостерігаємо райдужні переливи на плямі олії чи мильному міхурі.

Інакше висловлюючись, Томас Юнг експериментально довів, що це хвилі. Вчений світ довго не хотів вірити Юнгу, і в свій час його так закрикували, що той навіть відмовився від своїх ідей хвильової теорії. Але впевненість у своїй правоті таки перемогла, і вчені почали вважати світло хвилею. Щоправда, хвилею чогось – це було загадкою.
Ось на малюнку старий добрий досвід Юнга.

Слід сказати, хвильова природа світла не сильно вплинула на класичну фізику. Вчені переписали формули і стали вважати, що незабаром увесь світ впаде до їхніх ніг під єдиною універсальною формулою всього.
Але ви вже здогадалися, що Ейнштейн, як завжди, все зіпсував. Біда підкралася з іншого боку - спочатку вчені заморочилися розрахунком енергії теплових хвиль і відкрили поняття квантів (обов'язково почитайте нашу відповідну тему " " ). А потім за допомогою цих квантів Ейнштейн завдав удару з фізики, пояснивши явище фотоефекту.

Коротко: фотоефект (одне із наслідків якого є засвічування плівки) це вибивання світлом електронів із деяких матеріалів. Технічно це вибивання відбувається так, наче світло це частка. Частинку світла Ейнштейн назвав квантом світла, а потім їй надали ім'я - фотон.

У 1920 році до антихвильової теорії світла додався дивовижний ефект Комптона: коли електрон обстрілюють фотонами, то фотон відскакує від електрона зі втратою енергії ("стріляємо" синім кольором, а відлітає вже червона), як більярдна куля від іншого. Комптон за це схопив нобелівську премію.

Цього разу фізики застерегли ось так запросто відмовлятися від хвильової природи світла, а натомість міцно замислилися. Наука постала перед жахливою загадкою: так все ж таки світло це хвиля чи частка?

У світла, як і будь-якої хвилі, є частота - і це легко перевірити. Ми бачимо різні кольори, тому що кожен колір це просто різні частоти електромагнітної (світлової) хвилі: червоний – маленька частота, фіолетовий – велика частота.
Але дивно: довжина хвилі видимого світла в п'ять тисяч разів більша за розмір атома - як така "штука" влазить в атом, коли атом поглинає цю хвилю? Якщо тільки фотон це частка, можна порівняти за розмірами з атомом. Фотон одночасно і великий та маленький?

До того ж фотоефект і ефект Комптона однозначно доводять, що світло це все-таки потік частинок: не можна пояснити, яким чином хвиля передає енергію локалізованим у просторі електронам - якби світло було хвилею, то деякі електрони були б вибиті пізніше, ніж інші, і явище фотоефекту ми б не спостерігали. Але у разі потоку окремо взятий фотон стикається з окремо взятим електроном і за певних умов вибиває його з атома.

У результаті було вирішено: світло це водночас і хвиля та частка. Точніше, і ні те й ні інше, а нова невідома раніше форма існування матерії: явища, які ми спостерігаємо, це лише проекції або тіні реального стану справ, залежно від того, як дивитися на те, що відбувається. Коли ми дивимося на тінь циліндра, освітленого з одного боку, бачимо коло, а при освітленні з іншого боку - прямокутна тінь. Так і з корпускулярно-хвильовим уявленням світла.

Але тут все непросто. Не можна говорити, що ми вважаємо світло або хвилею, або потоком частинок. Подивіться у вікно. Несподівано навіть у чисто вимитому склі ми бачимо своє, нехай нечітке, але відображення. У чому каверза? Якщо світло – це хвиля, то пояснити відображення у вікні просто – подібні ефекти ми бачимо на воді, коли хвиля відбивається від перешкоди. Але якщо світло – це потік частинок, то пояснити відображення так просто не вийде. Адже всі фотони однакові. Однак якщо всі вони однакові, то і перешкода у вигляді шибки повинна однаково на них впливати. Або всі вони проходять крізь скло, або всі відбиваються. А в суворій реальності частина фотонів пролітає через скло, і ми бачимо сусідній будинок і спостерігаємо своє відображення.

І єдине пояснення, яке спадає на думку: фотони самі собі на думці. Не можна зі стовідсотковою ймовірністю передбачити, як поведеться конкретний фотон - зіткнеться зі склом як частка або хвиля. Це основа квантової фізики – абсолютно, абсолютно випадкова поведінка матерії на мікрорівні без будь-якої причини (а у своєму світі великих величин ми з досвіду знаємо, що все має причину). Це ідеальний генератор випадкових чисел на відміну від монетки, що підкидається.

Геніальний Ейнштейн, який відкрив фотон, до кінця життя був упевнений, що квантова фізика помиляється, і запевняв усіх, що Бог не грає в кістки. Але сучасна наука дедалі підтверджує: таки грає.

Так чи інакше, але одного разу вчені вирішили поставити жирну крапку в суперечці "хвиля або частка" і відтворити досвід Юнга з урахуванням технологій XX століття. До цього часу вони навчилися куляти фотонами по одному (квантові генератори, відомі серед населення під ім'ям "лазери"), і тому було задумано перевірити, що буде на екрані у разі, якщо вистрілити двома щілинами однією часткою: ось і стане зрозуміло, нарешті , чим є матерія при контрольованих умовах експерименту.

І раптово - одиночний квант світла (фотон) показав інтерференційну картинку, тобто частка пролітала через обидві щілини одночасно, фотон інтерферував сам із собою (якщо говорити вченою мовою). Уточнимо технічний момент - насправді інтерференційну картинку показав не один фотон, а серія пострілів по одній частинці з інтервалами в 10 секунд - згодом на екрані проявилися юнгівські смуги, знайомі будь-якому трієчнику з 1801 року.

З погляду хвилі це логічно – хвиля проходить через щілини, і тепер дві нові хвилі розходяться концентричними колами, накладаючись одна на одну.
Але з корпускулярної точки зору виходить, що фотон знаходиться у двох місцях одночасно, коли проходить через щілини, а після проходження поєднується сам із собою. Це взагалі нормально, га?
Виявилось, що нормально. Більше того, раз фотон знаходиться відразу в двох щілинах, значить він одночасно знаходиться скрізь і до щілин і після прольоту через них. І взагалі з погляду квантової фізики випущений фотон між стартом і фінішем знаходиться одночасно "скрізь і одразу". Таке знаходження частки "відразу скрізь" фізики називають суперпозицією - страшне слово, яке раніше було математичним пустощом, тепер стало фізичною реальністю.

Якийсь Е. Шредінгер, відомий противник квантової фізики, на той час нарив десь формулу, яка описувала хвильові властивості матерії, типу води. І трохи над нею почаклувавши, на свій жах вивів так звану хвильову функцію. Ця функція показувала можливість знаходження фотона в певному місці. Зауважте, саме ймовірність, а не точне місцезнаходження. І ця можливість залежала від квадрата висоти гребеня квантової хвилі в заданому місці (якщо комусь цікаві деталі).

Питанням виміру місцезнаходження частинок ми присвятимо окрему главу.

Подальші відкриття показали, що відносини з дуалізмом ще гірші та загадковіші.
У 1924 році Луї де Бройль узяв і заявив, що корпускулярно-хвильові властивості світла це верхівка айсберга. А такою незрозумілою властивістю мають усі елементарні частинки.
Тобто частинкою та хвилею одночасно є не лише частинки електромагнітного поля (фотони), а й речові частинки типу електронів, протонів тощо. Вся матерія навколо нас на мікроскопічному рівні є хвилями(і частинками одночасно).

І через кілька років це навіть підтвердили експериментально - американці ганяли електрони в електронно-променевих трубках (які відомі нинішнім старперам під назвою "кінескоп") - отож спостереження, пов'язані з відображенням електронів, підтвердили, що електрон це теж хвиля (для простоти розуміння можна сказати, що на шляху електрона поставили платівку з двома щілинами і бачили інтерференцію електрона як вона є).

На даний час у дослідах виявлено, що і атоми мають хвильові властивості і навіть деякі спеціальні види молекул (так звані "фулерени") виявляють себе як хвиля.

Допитливий розум читача, який ще не очманів від нашої розповіді, запитає: якщо матерія це хвиля, то чому, наприклад, м'ячик, що летить, не розмазаний у просторі у вигляді хвилі? Чому реактивний літак ніяк не схожий на хвилю, а дуже схожий на реактивний літак?

Де Бройль, чортяка, і тут все пояснив: таки-так, м'ячик, що летить, або "боїнг" це теж хвиля, але довжина цієї хвилі тим менша, чим більший імпульс. Імпульс це маса, помножена на швидкість. Тобто чим більше маса матерії, тим менша довжина її хвилі. Довжина хвилі м'яча, що летить зі швидкістю 150 км/год, буде приблизно дорівнює 0,00 метра. Тому ми не можемо помітити, як м'ячик розмазаний по простору як хвиля. Для нас це тверда матерія.
Електрон дуже легка частка і, що летить зі швидкістю 6000 км/сек, він матиме помітну довжину хвилі в 0,0000000001 метра.

До речі, одразу відповімо на запитання, чому ядро ​​атома не настільки "хвильове". Хоч воно і знаходиться в центрі атома, навколо якого, очманівши, літає і в той же час розмазується електрон, воно має пристойний імпульс, пов'язаний з масою протонів і нейтронів, а також високочастотним коливанням (швидкістю) через існування всередині ядра постійного обміну частинками сильної взаємодії (читайте тему). Тому ядро ​​більше схоже на звичну нам тверду матерію. Електрон же, мабуть, є єдиною часткою з масою, у якої яскраво виражені хвильові властивості, ось його всі із захопленням і вивчають.

Повернемося до наших частинок. Так що виходить: електрон, що обертається навколо атома, це одночасно і частка і хвиля. Тобто обертається частка, і в той же час електрон як хвиля являє собою оболонку певної форми навколо ядра - як це взагалі можна зрозуміти людським мозком?

Вище ми вже підрахували, що електрон, що літає, має досить величезну (для мікросвіту) довжину хвилі і щоб розміститися навколо ядра атома такій хвилі потрібно непристойно багато місця. Ось саме цим і пояснюються такі великі розміри атомів у порівнянні з ядром. Довжини хвиль електрона визначають розміри атома. Порожнє місце між ядром і поверхнею атома заповнене "розміщенням" довжини хвилі (і водночас частки) електрона. Це дуже грубе і некоректне пояснення – просимо нас пробачити – насправді все набагато складніше, але наша мета – хоч би дозволити відгризти шматочок граніту науки людям, яким все це цікаво.

Давайте ще раз прояснимо!Після деяких коментарів до статті [на ЯП] ми зрозуміли, якого важливого зауваження не вистачає цій статті. Увага! Описувана нами форма матерії перестав бути ні хвилею ні частинкою. Вона лише (одночасно) має властивості хвилі та властивості частинок. Не можна говорити, що електромагнітна хвиля або електронна хвиля подібні до морських або звукових хвиль. Звичні нам хвилі є поширенням обурень у просторі заповненим будь-якою речовиною.
Фотони, електрони та інші екземпляри мікросвіту при русі в просторі можна описати хвильовими рівняннями, вони за поведінкою лише схожі на хвилю, але в жодному разі хвилею не є. Аналогічно і з корпускулярною стрункою матерії: поведінка частки схоже на політ маленьких точкових кульок, але це жодного разу не кульки.
Це потрібно зрозуміти і прийняти, інакше всі наші роздуми будуть зрештою призводити до пошуку аналогів у макросвіті і тим самим розумінню квантової фізики настане кінець, і почнеться фрицтво або шарлатанська філософія на кшталт квантової магії та матеріальності думок.

Решту жахливих висновків і наслідків модернізованого досвіду Юнга ми розглянемо пізніше в наступній частині - невизначеність Гейзенберга, кішка Шредінгера, принцип заборони Паулі і квантова заплутаність чекають терплячого і вдумливого читача, який ще не раз перечитає наші статті і покопається в інтернеті в пошуках.

Всім дякую за увагу. Приємною всім безсоння чи пізнавальних кошмарів!

NB: Ретельно нагадуємо, що всі зображення взяті з гугла (пошук за картинками) – авторство визначається там же.
Незаконне копіювання тексту переслідується, припиняється, ну і самі знаєте...

Корпускулярно-хвильовий дуалізм– властивість будь-якої мікрочастинки виявляти ознаки частки (корпускули) та хвилі. Найбільш яскраво корпускулярно-хвильовий дуалізм проявляється у елементарних частинок. Електрон, нейтрон, фотон в одних умовах поводяться як добре локалізовані в просторі матеріальні об'єкти (частки), що рухаються з певними енергіями та імпульсами за класичними траєкторіями, а в інших – як хвилі, що проявляється в їхній здатності до інтерференції та дифракції. Так електромагнітна хвиля, розсіюючись на вільних електронах, поводиться як потік окремих частинок – фотонів, які є квантами електромагнітного поля (Комптон ефект), причому імпульс фотона дається формулою р = h/λ, де λ – довжина електромагнітної хвилі, а h – постійна Планка . Ця формула як така – свідчення дуалізму. У ній ліворуч – імпульс окремої частки (фотону), а праворуч – довжина хвилі фотона. Дуалізм електронів, які ми звикли вважати частинками, проявляється в тому, що при відображенні поверхні монокристала спостерігається дифракційна картина, що є проявом хвильових властивостей електронів. Кількісний зв'язок між корпускулярними і хвильовими характеристиками електрона той самий, як і фотона: р = h/λ (р – імпульс електрона, а λ – його довжина хвилі де Бройля). Корпускулярно-хвильовий дуалізм є основою квантової фізики.

Хвиля (хутро) - процес, завжди пов'язаний з будь-яким матеріальним середовищем, що займає певний обсяг у просторі.

64. Хвилі де Бройля. Дифракція електронів Хвильові властивості мікрочастинок.

Розвиток уявлень про корпускулярно-хвильові властивості матерії набуло гіпотези про хвильовому характері руху мікрочастинок. Луї де Бройль з ідеї симетрії в природі для частинок речовини та світла приписав будь-якій мікрочастинці певний внутрішній періодичний процес (1924). Об'єднавши формули E = hν і E = mc 2 він отримав співвідношення, що показує, що будь-якій частинці відповідає своя довжина хвилі : λ Б = h/mv = h/p, де p-імпульс хвилі-частинки. Наприклад, для електрона, має енергію 10 эВ, довжина хвилі де Бройля становить 0,388 нм. Надалі було показано, що стан мікрочастинки в квантовій механіці може бути описаний певною комплексною хвильовою функцією координат Ψ(q), причому квадрат модуля цієї функції |Ψ| 2 визначає розподіл ймовірностей значень координат. Ця функція була введена в квантову механіку Шредінгером в 1926 р. Отже, хвиля де Бройля несе енергію, лише відображає “розподіл фаз” якогось ймовірнісного періодичного процесу у просторі. Отже, опис стану об'єктів мікросвіту носить імовірнісний характер, на відміну об'єктів макросвіту, які описуються законами класичної механіки.

Для доказу ідеї де Бройля про хвильову природу мікрочастинок німецький фізик Ельзассер запропонував використати кристали для спостереження дифракції електронів (1925). У США Девіссон і Л. Джермер виявили явище дифракції при проходженні пучка електронів через пластинку з кристала нікелю (1927). Незалежно від них дифракцію електронів під час проходження через металеву фольгу відкрили Дж. П. Томсон в Англії та П.С. Тартаковський у СРСР. Так ідея де Бройля про хвильові властивості речовини знайшла експериментальне підтвердження. Згодом дифракційні, а отже хвильові властивості були виявлені у атомних і молекулярних пучків. Корпускулярно-хвильовими властивостями мають не тільки фотони та електрони, а й усі мікрочастинки.

Окриття хвильових властивостей у мікрочастинок показало, що такі форми матерії, як поле (безперервне) і речовина (дискретне), які з точки зору класичної фізики, вважалися якісно різними, в певних умовах можуть проявляти властивості, властиві і тій і іншій формі. Це свідчить про єдність цих форм матерії. Повний опис їх властивостей можливий тільки на основі протилежних, але доповнюючих один - одного уявлень.

Вступ

Майже одночасно висунули дві теорії світла: корпускулярна теорія Ньютона і хвильова теорія Гюйгенса.

Відповідно до корпускулярної теорії, або теорії закінчення, висунутої Ньютоном наприкінці 17 століття, тіла, що світяться, випромінюють дрібні частинки (корпускули), які летять прямолінійно по всіх напрямках і, потрапляючи в око, викликають світлове відчуття.

Згідно з хвильовою теорією, що світиться тіло викликає особливому середовищу – світовому ефірі, що заповнює весь світовий простір – пружні коливання, які поширюються в ефірі подібно до звукових хвиль у повітрі.

За часів Ньютона і Гюйгенса більшість вчених дотримувалися корпускулярної теорії Ньютона, яка досить задовільно пояснювала всі відомі на той час світлові явища. Віддзеркалення світла пояснювалося аналогічно відбитку пружних тіл при ударі об площину. Заломлення світла пояснювалося дією на корпускули великих сил тяжіння з боку щільнішого середовища. Під дією цих сил, що виявляються, згідно з теорією Ньютона, при наближенні до більш щільного середовища, світлові корпускули отримували прискорення, спрямовані перпендикулярно до кордону цього середовища, внаслідок чого вони змінювали напрямок руху і одночасно збільшували свою швидкість. Аналогічно пояснювалися інші світлові явища.

Надалі нові спостереження не вкладалися в рамки цієї теорії. Зокрема, неспроможність цієї теорії виявилося, коли було виміряно швидкість поширення світла у воді. Вона виявилася не більше, а менше, ніж у повітрі.

На початку 19 століття хвильова теорія Гюйгенса, не визнана сучасниками, була розвинена та вдосконалена Юнгом та Френелем та отримала загальне визнання. У 60-х роках минулого століття, після того як Максвелл розробив теорію електромагнітного поля, з'ясувалося, що світло є електромагнітними хвилями. Отже, хвильова механістична теорія світла замінили хвильової електромагнітної теорією. Світлові хвилі (видимий діапазон) займають у шкалі електромагнітних хвиль діапазон 0,4-0,7 мкм. Хвильова теорія світла Максвелла, що трактує випромінювання як безперервний процес, виявилася неспроможною пояснити деякі з відкритих оптичних явищ. Її доповнила квантова теорія світла, за якою енергія світлової хвилі випромінюється, поширюється і поглинається не безперервно, а певними порціями - квантами світла, чи фотонами, - які залежить лише від довжини світлової хвилі. Таким чином, за сучасними уявленнями, світло має як хвильові так, і корпускулярні властивості.

Інтерференція світла

Хвилі створюють у кожній точці простору коливання з різницею фаз, що не змінюється з часом, називаються когерентними. Різниця фаз у разі має постійне, але, взагалі кажучи, різне для різних точок простору значення. Очевидно, що когерентними можуть лише хвилі однакової частоти.

При поширенні в просторі кількох когерентних хвиль коливання, що породжуються цими хвилями, в одних точках посилюють один одного, в інших - послаблюють. Це називається інтерференцією хвиль. Інтерферувати можуть хвилі будь-якої фізичної природи. Ми розглянемо інтерференцію світлових хвиль.

Джерела когерентних хвиль також називають когерентними. При освітленні деякої поверхні декількома когерентними джерелами світла на цій поверхні виникають в загальному випадку світлі і темні смуги, що чергуються.

Два незалежні джерела світла, наприклад дві електролампи, не когерентні. Світлові хвилі, що випромінюються ними, – це результат складання великої кількості хвиль, що випромінюються окремими атомами. Випромінювання хвиль атомами відбувається безладно, і тому немає якихось постійних співвідношень між фазами хвиль, що випромінюються двома джерелами.

При освітленні поверхні некогерентними джерелами характерна для інтерференції картина світлих і темних смуг, що чергуються, не виникає. Освітленість у кожній точці виявляється рівною сумі освітленостей, створюваних кожним із джерел окремо.

Когерентні хвилі виходять за допомогою поділу пучка світла від одного джерела на два або кілька окремих пучків.

Інтерференцію світла можна спостерігати при освітленні монохроматичними (одноколірними) променями прозорої пластинки змінної товщини, зокрема клиноподібної пластинки. У око спостерігача потраплятимуть хвилі, відбиті як від передньої, і задньої поверхонь пластинки. Результат інтерференції визначається різницею фаз тих та інших хвиль, яка поступово змінюється зі зміною товщини

При освітленні паралельним пучком плоскопаралельної пластинки різниця фаз світлових хвиль, відбитих від передньої і задньої її поверхонь, та сама в усіх точках, - пластинка здаватиметься освітленої рівномірно.

Навколо точки зіткнення трохи опуклого скла з плоским при освітленні монохроматичним світлом спостерігаються темні та світлі кільця – так звані кільця Ньютона. Тут найтонший прошарок повітря між обома склом відіграє роль плівки, що відображає, що має постійну товщину по концентричних колах.

Дифракція світла.

У світлової хвилі немає зміни геометричної форми фронту при поширенні в однорідній середовищі. Однак якщо розповсюдження світла здійснюється в неоднорідному середовищі, в якому, наприклад, знаходяться не прозорі екрани, області простору з порівняно різкою зміною показника заломлення тощо, то спостерігається спотворення фронту хвилі. І тут відбувається перерозподіл інтенсивності світлової хвилі у просторі. При освітленні, наприклад, непрозорих екранів точковим джерелом світла межі тіні, де відповідно до законів геометричної оптики мав би проходити стрибкоподібний перехід від тіні до світла, спостерігається ряд темних і світлих смуг, частина світла проникає у область геометричної тіні. Ці явища належать до дифракції світла.

Отже, дифракція світла у вузькому значенні - явище огинання світлом контуру непрозорих тіл і потрапляння світла до області геометричної тіні; у широкому значенні - будь-яке відхилення під час поширення світла від законів геометричної оптики.

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

Якщо середовищі є дрібні частки (туман) чи показник заломлення помітно змінюється на відстанях порядку довжини хвилі, то цих випадках говорять про розсіювання світла і термін «дифракція» не вживається.

Розрізняють два види дифракції світла. Вивчаючи дифракційну картину у точці спостереження, що знаходиться на кінцевій відстані від перешкоди, ми маємо справу з дифракцією Френеля. Якщо точка спостереження та джерело світла розташовані від перешкоди так далеко, що промені, що падають на перешкоду, і промені, що йдуть у точку спостереження, можна вважати паралельними пучками, то говорять про дифракцію в паралельних променях – дифракції Фраунгофера.

Теорія дифракції розглядає хвильові процеси в тих випадках, коли на шляху поширення хвилі є якісь перешкоди.

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

Поляризація світла

Явища інтерференції та дифракції, що послужили обґрунтування хвильової природи світла, не дають ще повного уявлення про характер світлових хвиль. Нові риси відкриває нам досвід проходження світла через кристали, зокрема через турмалін.

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

Можна пояснити всі явища, що спостерігаються, якщо зробити наступні висновки.

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

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

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