Σωματικές ιδιότητες του φωτός. Ιδιότητες σωματιδίων σωματιδιακών κυμάτων Παραδείγματα εκδηλώσεων σωματιδιακών και κυματικών ιδιοτήτων

30.12.2015. 14:00

Πολλοί που αρχίζουν να μαθαίνουν φυσική όπως στο ΣΧΟΛΙΚΑ χρονιακαι σε ψηλότερα Εκπαιδευτικά ιδρύματα, αργά ή γρήγορα αντιμετωπίζουν ερωτήματα σχετικά με το φως. Πρώτον, αυτό που δεν μου αρέσει περισσότερο στη φυσική που γνωρίζουμε σήμερα. Αυτή είναι λοιπόν η ερμηνεία κάποιων εννοιών, με απόλυτα ήρεμη έκφραση προσώπου και μη προσοχή σε άλλα φαινόμενα και επιδράσεις. Δηλαδή, με τη βοήθεια κάποιων νόμων ή κανόνων προσπαθούν να εξηγήσουν ορισμένα φαινόμενα, αλλά ταυτόχρονα προσπαθούν να μην παρατηρήσουν αποτελέσματα που έρχονται σε αντίθεση με αυτήν την εξήγηση. Αυτό είναι ήδη ένα είδος κανόνα για τη διεξαγωγή διερμηνείας - Λοιπόν, τι γίνεται με αυτό και αυτό; Αγάπη μου, άκου, για κάτι άλλο μιλάμε τώρα, απλά μην δίνεις σημασία. Τελικά στο πλαίσιο αυτής της ερώτησης όλα χτυπάνε; Λοιπόν, αυτό είναι ωραίο.

Η επόμενη "Γάτα του Σρέντινγκερ" για οποιαδήποτε γνώση είναι η KVD (σωματιδιακή κυματικός δυισμός). Όταν η κατάσταση ενός φωτονίου (σωματίδιο φωτός) ή ενός ηλεκτρονίου μπορεί να περιγραφεί τόσο από κυματικά φαινόμενα όσο και από σωματίδια (σωματίδια). Όσον αφορά τα φαινόμενα που υποδεικνύουν τις κυματικές ιδιότητες της ύλης, όλα είναι λίγο πολύ ξεκάθαρα, εκτός από ένα πράγμα - το μέσο στο οποίο μεταδίδεται αυτό το ίδιο κύμα. Αλλά σχετικά με τις σωματικές ιδιότητες και ειδικά την παρουσία τέτοιων «σωματιδίων» φωτός όπως τα φωτόνια, έχω πολλές αμφιβολίες.

Πώς ήξεραν οι άνθρωποι ότι το φως έχει κυματική φύση? Λοιπόν, αυτό διευκολύνθηκε από ανοιχτά εφέ και πειράματα με το φως της ημέρας. Για παράδειγμα, μια έννοια όπως το φάσμα του φωτός (ορατό φάσμα φωτός) όπου, ανάλογα με το μήκος κύματος και, κατά συνέπεια, τη συχνότητα, το χρώμα του φάσματος αλλάζει από κόκκινο σε ιώδες, που είναι αυτό που βλέπουμε με τα ατελή μάτια μας. Ό,τι βρίσκεται πίσω και μπροστά του ανήκει στην υπέρυθρη ακτινοβολία, την ραδιοακτινοβολία, την υπεριώδη, την ακτινοβολία γάμμα κ.λπ.

Παρατηρήστε πώς η παραπάνω εικόνα δείχνει το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ανάλογα με τη συχνότητα του κύματος μιας ηλεκτρομαγνητικής εκδήλωσης, μπορεί να είναι είτε ακτινοβολία γάμμα είτε ορατό φως και όχι μόνο, για παράδειγμα, μπορεί να είναι ακόμη και ραδιοκύμα. Το πιο εκπληκτικό όμως σε όλα αυτά είναι ότι μόνο στο ορατό φάσμα του φωτός, τόσο ασήμαντο σε όλο το φάσμα συχνοτήτων, για κάποιο λόγο, ΞΑΦΝΙΚΑ και μόνο αποκλειστικά, αποδίδονται οι ιδιότητες των σωματιδίων - φωτονίων. Για κάποιο λόγο, μόνο το ορατό φάσμα παρουσιάζει σωματικές ιδιότητες. Δεν θα ακούσετε ποτέ για τις σωματικές ιδιότητες των ραδιοκυμάτων ή, ας πούμε, για την ακτινοβολία γάμμα· αυτές οι δονήσεις δεν παρουσιάζουν σωματικές ιδιότητες. Η έννοια του «γάμμα κβαντικού» εφαρμόζεται μόνο εν μέρει στην ακτινοβολία γάμμα, αλλά περισσότερο γι' αυτό αργότερα.

Και ποια πραγματικά φαινόμενα ή φαινόμενα επιβεβαιώνουν την παρουσία, έστω και μόνο του ορατού φάσματος του φωτός, σωματιδιακών ιδιοτήτων; Και εδώ αρχίζει το πιο εκπληκτικό πράγμα.

Αν πιστεύεις επίσημη επιστήμη, οι σωματικές ιδιότητες του φωτός επιβεβαιώνονται από δύο γνωστά φαινόμενα. Για την ανακάλυψη και την εξήγηση αυτών των επιπτώσεων, τα βραβεία Νόμπελ φυσικής απονεμήθηκαν στον Albert Einstein (φωτογραφικό εφέ) και στον Arthur Compton (φαινόμενο Compton). Πρέπει να σημειωθεί ότι το ερώτημα είναι γιατί το φωτογραφικό εφέ δεν φέρει το όνομα του Άλμπερτ Αϊνστάιν, επειδή ήταν για αυτόν που έλαβε βραβείο Νόμπελ? Και όλα είναι πολύ απλά, αυτό το φαινόμενο δεν ανακαλύφθηκε από αυτόν, αλλά από έναν άλλο ταλαντούχο επιστήμονα (Alexandre Becquerel 1839), ο Αϊνστάιν εξήγησε μόνο το αποτέλεσμα.

Ας ξεκινήσουμε με το εφέ φωτογραφίας. Πού, σύμφωνα με τους φυσικούς, υπάρχει επιβεβαίωση ότι το φως έχει σωματικές ιδιότητες;

Το φωτογραφικό εφέ είναι ένα φαινόμενο λόγω του οποίου μια ουσία εκπέμπει ηλεκτρόνια όταν εκτίθεται στο φως ή σε οποιοδήποτε άλλο ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Με άλλα λόγια, το φως απορροφάται από την ύλη και η ενέργειά του μεταφέρεται στα ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα να κινούνται με τάξη, μετατρέποντας έτσι σε ηλεκτρική ενέργεια.

Στην πραγματικότητα, δεν είναι ξεκάθαρο πώς οι φυσικοί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το λεγόμενο φωτόνιο είναι ένα σωματίδιο, γιατί στο φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου διαπιστώνεται ότι τα ηλεκτρόνια πετούν έξω για να συναντήσουν τα φωτόνια. Αυτό το γεγονός δίνει μια ιδέα για τη λανθασμένη ερμηνεία του φαινομένου του εφέ φωτογραφίας, καθώς είναι μια από τις προϋποθέσεις για την εμφάνιση αυτού του εφέ. Αλλά σύμφωνα με τους φυσικούς, αυτό το φαινόμενο δείχνει ότι ένα φωτόνιο είναι ένα σωματίδιο μόνο λόγω του γεγονότος ότι απορροφάται πλήρως και επίσης λόγω του γεγονότος ότι η απελευθέρωση ηλεκτρονίων δεν εξαρτάται από την ένταση της ακτινοβολίας αλλά αποκλειστικά από τη συχνότητα το λεγόμενο φωτόνιο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο γεννήθηκε η έννοια ενός ελαφρού κβαντικού ή σώματος. Αλλά εδώ θα πρέπει να επικεντρωθούμε στο ποια είναι η «ένταση» στη συγκεκριμένη περίπτωση. Εξάλλου, τα ηλιακά πάνελ εξακολουθούν να παράγουν περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια όταν αυξάνεται η ποσότητα του φωτός που προσπίπτει στην επιφάνεια του φωτοκυττάρου. Για παράδειγμα, όταν μιλάμε για την ένταση του ήχου, εννοούμε το πλάτος των δονήσεων του. Όσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που μεταφέρει το ακουστικό κύμα και τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς που απαιτείται για τη δημιουργία ενός τέτοιου κύματος. Στην περίπτωση του φωτός, μια τέτοια έννοια απουσιάζει εντελώς. Σύμφωνα με τη σημερινή κατανόηση της φυσικής, το φως έχει συχνότητα, αλλά όχι πλάτος. Κάτι που εγείρει και πάλι πολλά ερωτηματικά. Για παράδειγμα, ένα ραδιοκύμα έχει χαρακτηριστικά πλάτους, αλλά το ορατό φως, του οποίου τα κύματα είναι, ας πούμε, ελαφρώς μικρότερα από τα ραδιοκύματα, δεν έχει πλάτος. Όλα αυτά που περιγράφονται παραπάνω λένε μόνο ότι μια τέτοια έννοια όπως ένα φωτόνιο είναι, για να το θέσω ήπια, ασαφής και όλα τα φαινόμενα που υποδεικνύουν την ύπαρξή του ως ερμηνεία τους δεν αντέχουν σε κριτική. Ή απλώς επινοούνται για να υποστηρίξουν κάποια υπόθεση ότι αυτό είναι πολύ πιθανό να συμβαίνει.

Όσον αφορά τη σκέδαση φωτός Compton (φαινόμενο Compton), δεν είναι καθόλου σαφές πώς, με βάση αυτό το φαινόμενο, βγαίνει το συμπέρασμα ότι το φως είναι σωματίδιο και όχι κύμα.

Γενικά, στην πραγματικότητα, σήμερα η φυσική δεν έχει συγκεκριμένη επιβεβαίωση ότι το σωματίδιο του φωτονίου είναι πλήρες και υπάρχει κατ' αρχήν με τη μορφή σωματιδίου. Υπάρχει ένα συγκεκριμένο κβάντο που χαρακτηρίζεται από μια κλίση συχνότητας και τίποτα περισσότερο. Και αυτό που είναι πιο ενδιαφέρον είναι ότι οι διαστάσεις (μήκος) αυτού του φωτονίου, σύμφωνα με το E=hv, μπορεί να είναι από αρκετές δεκάδες μικρά έως αρκετά χιλιόμετρα. Και όλα αυτά δεν μπερδεύουν κανέναν όταν χρησιμοποιείται η λέξη «σωματίδιο» για να αναφερθεί σε ένα φωτόνιο.

Για παράδειγμα, ένα λέιζερ femtosecond με μήκος παλμού 100 femtoseconds έχει μήκος παλμού (φωτόνιο) 30 microns. Για αναφορά, σε έναν διαφανή κρύσταλλο η απόσταση μεταξύ των ατόμων είναι περίπου 3 angstroms. Λοιπόν, πώς μπορεί ένα φωτόνιο του οποίου το μέγεθος είναι πολλές φορές μεγαλύτερο από αυτή την απόσταση να πετάξει από άτομο σε άτομο;

Όμως σήμερα η φυσική δεν διστάζει να λειτουργήσει με την έννοια του κβαντικού, φωτονίου ή σωματιδίου σε σχέση με το φως. Απλώς δεν δίνουμε προσοχή στο γεγονός ότι δεν ταιριάζει στο τυπικό μοντέλο που περιγράφει την ύλη και τους νόμους με τους οποίους υπάρχει.

Τα τελευταία εκατό χρόνια, η επιστήμη έχει κάνει μεγάλα βήματα στη μελέτη της δομής του κόσμου μας τόσο σε μικροσκοπικό όσο και σε μακροσκοπικό επίπεδο. Οι εκπληκτικές ανακαλύψεις που μας φέρνουν οι ειδικές και γενικές θεωρίες της σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής εξακολουθούν να ενθουσιάζουν το μυαλό του κοινού. Ωστόσο, οποιοσδήποτε μορφωμένο άτομοείναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τουλάχιστον τα βασικά των σύγχρονων επιστημονικών επιτευγμάτων. Ένα από τα πιο εντυπωσιακά και σημαντικά σημεία είναι η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Πρόκειται για μια παράδοξη ανακάλυψη, η κατανόηση της οποίας είναι πέρα ​​από την εμβέλεια της διαισθητικής καθημερινής αντίληψης.

Σώματα και κύματα

Ο δυϊσμός ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στη μελέτη του φωτός, το οποίο συμπεριφέρθηκε εντελώς διαφορετικά ανάλογα με τις συνθήκες. Από τη μία πλευρά, αποδείχθηκε ότι το φως είναι ένα οπτικό ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Από την άλλη πλευρά, ένα διακριτό σωματίδιο ( χημική ενέργειαΣβέτα). Αρχικά, οι επιστήμονες πίστευαν ότι αυτές οι δύο ιδέες ήταν αμοιβαία αποκλειόμενες. Ωστόσο, πολλά πειράματα έχουν δείξει ότι αυτό δεν συμβαίνει. Σταδιακά, η πραγματικότητα μιας τέτοιας έννοιας όπως η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου έγινε συνηθισμένη. Αυτή η ιδέα παρέχει τη βάση για τη μελέτη της συμπεριφοράς πολύπλοκων κβαντικών αντικειμένων που δεν είναι ούτε κύματα ούτε σωματίδια, αλλά αποκτούν μόνο τις ιδιότητες του δεύτερου ή του πρώτου ανάλογα με ορισμένες συνθήκες.

Πείραμα διπλής σχισμής

Περίθλαση φωτονίων - οπτική επίδειξηδυαδική υπόσταση. Ο ανιχνευτής φορτισμένων σωματιδίων είναι μια φωτογραφική πλάκα ή μια φθορίζουσα οθόνη. Κάθε μεμονωμένο φωτόνιο σημαδεύτηκε με φωτισμό ή λάμψη κηλίδων. Ο συνδυασμός τέτοιων σημαδιών έδωσε ένα μοτίβο παρεμβολής - εναλλαγή ασθενώς και έντονα φωτιζόμενων λωρίδων, το οποίο είναι χαρακτηριστικό της περίθλασης κυμάτων. Αυτό εξηγείται από μια τέτοια έννοια όπως η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Διάσημος φυσικός και Ο βραβευμένος με ΝόμπελΟ Richard Feynman είπε ότι η ύλη συμπεριφέρεται σε μικρές κλίμακες με τέτοιο τρόπο που είναι αδύνατο να αισθανθεί κανείς τη «φυσικότητα» της κβαντικής συμπεριφοράς.

Καθολικός δυϊσμός

Ωστόσο, αυτή η εμπειρία δεν ισχύει μόνο για τα φωτόνια. Αποδείχθηκε ότι ο δυϊσμός είναι ιδιότητα όλης της ύλης και είναι καθολικός. Ο Heisenberg υποστήριξε ότι η ύλη υπάρχει και στις δύο μορφές εναλλάξ. Σήμερα έχει αποδειχθεί απολύτως ότι και οι δύο ιδιότητες εμφανίζονται εντελώς ταυτόχρονα.

Σωματικό κύμα

Πώς μπορούμε να εξηγήσουμε αυτή τη συμπεριφορά της ύλης; Το κύμα που είναι εγγενές στα σωματίδια (σωματίδια) ονομάζεται κύμα de Broglie, που πήρε το όνομά του από τον νεαρό αριστοκράτη επιστήμονα που πρότεινε μια λύση σε αυτό το πρόβλημα. Είναι γενικά αποδεκτό ότι οι εξισώσεις του de Broglie περιγράφουν μια κυματική συνάρτηση, η οποία, στο τετράγωνο, καθορίζει μόνο την πιθανότητα ότι το σωματίδιο βρίσκεται σε διαφορετική ώρασε διαφορετικά σημεία του χώρου. Με απλά λόγια, το κύμα de Broglie είναι μια πιθανότητα. Έτσι, καθιερώθηκε η ισότητα μεταξύ της μαθηματικής έννοιας (πιθανότητα) και της πραγματικής διαδικασίας.

Κβαντικό πεδίο

Τι είναι τα σώματα ύλης; Σε γενικές γραμμές, αυτά είναι κβάντα κυματικών πεδίων. Φωτόνιο - κβαντικό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, ποζιτρόνιο και ηλεκτρόνιο - ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο, μεσόνιο - κβάντο πεδίου μεσονίου, και ούτω καθεξής. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κυματικών πεδίων εξηγείται από την ανταλλαγή ορισμένων ενδιάμεσων σωματιδίων μεταξύ τους, για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης υπάρχει ανταλλαγή φωτονίων. Από αυτό προκύπτει άμεσα μια άλλη επιβεβαίωση ότι οι κυματικές διεργασίες που περιγράφει ο de Broglie είναι απολύτως πραγματικές φυσικά φαινόμενα. Και ο δυϊσμός σωματιδίων-κύματος δεν λειτουργεί ως μια «μυστηριώδης κρυφή ιδιότητα» που χαρακτηρίζει την ικανότητα των σωματιδίων να «μετενσαρκώνονται». Δείχνει ξεκάθαρα δύο αλληλένδετες ενέργειες - την κίνηση ενός αντικειμένου και την κυματική διαδικασία που σχετίζεται με αυτό.

Εφέ σήραγγας

Η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου του φωτός συνδέεται με πολλά άλλα ενδιαφέροντα φαινόμενα. Η κατεύθυνση δράσης του κύματος de Broglie εμφανίζεται κατά το λεγόμενο φαινόμενο της σήραγγας, δηλαδή όταν τα φωτόνια διεισδύουν μέσα από το ενεργειακό φράγμα. Αυτό το φαινόμενο προκαλείται από την ορμή των σωματιδίων που υπερβαίνει τη μέση τιμή τη στιγμή του αντικόμβου του κύματος. Η κατασκευή σήραγγας κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη πολλών ηλεκτρονικών συσκευών.

Παρεμβολή φωτεινών κβαντών

Σύγχρονη επιστήμημιλά για την παρεμβολή των φωτονίων με τον ίδιο μυστηριώδη τρόπο όπως και για την παρεμβολή ηλεκτρονίων. Αποδεικνύεται ότι ένα φωτόνιο, το οποίο είναι ένα αδιαίρετο σωματίδιο, μπορεί ταυτόχρονα να περάσει από οποιοδήποτε μονοπάτι ανοιχτό στον εαυτό του και να παρέμβει στον εαυτό του. Αν λάβουμε υπόψη ότι η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου των ιδιοτήτων της ύλης και του φωτονίου είναι ένα κύμα που καλύπτει πολλά δομικά στοιχεία, τότε δεν αποκλείεται η διαιρετότητά του. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με προηγούμενες απόψεις για το σωματίδιο ως στοιχειώδη αδιαίρετο σχηματισμό. Διαθέτοντας μια ορισμένη μάζα κίνησης, το φωτόνιο σχηματίζει ένα διαμήκη κύμα που σχετίζεται με αυτή την κίνηση, το οποίο προηγείται του ίδιου του σωματιδίου, καθώς η ταχύτητα του διαμήκους κύματος είναι μεγαλύτερη από αυτή του εγκάρσιου ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Επομένως, υπάρχουν δύο εξηγήσεις για την παρεμβολή ενός φωτονίου στον εαυτό του: το σωματίδιο χωρίζεται σε δύο συστατικά, τα οποία παρεμβάλλονται μεταξύ τους. Το κύμα φωτονίων ταξιδεύει κατά μήκος δύο μονοπατιών και σχηματίζει ένα μοτίβο παρεμβολής. Ανακαλύφθηκε πειραματικά ότι δημιουργείται επίσης ένα μοτίβο παρεμβολής όταν τα μεμονωμένα φορτισμένα σωματίδια-φωτόνια περνούν με τη σειρά τους μέσω του συμβολόμετρου. Αυτό επιβεβαιώνει τη θέση ότι κάθε μεμονωμένο φωτόνιο παρεμβαίνει στον εαυτό του. Αυτό φαίνεται ιδιαίτερα καθαρά όταν λαμβάνεται υπόψη το γεγονός ότι το φως (ούτε συνεκτικό ούτε μονοχρωματικό) είναι μια συλλογή φωτονίων που εκπέμπονται από άτομα σε διασυνδεδεμένες και τυχαίες διεργασίες.

Τι είναι το φως;

Ένα φωτεινό κύμα είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό μη εντοπισμένο πεδίο που κατανέμεται σε όλο το διάστημα. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ενός κύματος έχει ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα ανάλογη με το τετράγωνο του πλάτους. Αυτό σημαίνει ότι η ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να αλλάξει κατά οποιοδήποτε ποσό, δηλαδή είναι συνεχής. Από τη μία πλευρά, το φως είναι ένα ρεύμα από κβάντα και φωτόνια (σωματίδια), τα οποία, χάρη στην καθολικότητα ενός τέτοιου φαινομένου όπως η δυαδικότητα σωματιδίων-κύματος, αντιπροσωπεύουν τις ιδιότητες ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Για παράδειγμα, στα φαινόμενα παρεμβολής και περίθλασης και κλίμακες, το φως εμφανίζει ξεκάθαρα τα χαρακτηριστικά ενός κύματος. Για παράδειγμα, ένα μόνο φωτόνιο, όπως περιγράφηκε παραπάνω, που διέρχεται από μια διπλή σχισμή δημιουργεί ένα μοτίβο παρεμβολής. Με τη βοήθεια πειραμάτων, αποδείχθηκε ότι ένα μόνο φωτόνιο δεν είναι ηλεκτρομαγνητικός παλμός. Δεν μπορεί να χωριστεί σε δοκούς με διαχωριστές δέσμης, όπως έδειξαν οι Γάλλοι φυσικοί Aspe, Roger και Grangier.

Το φως έχει επίσης σωματικές ιδιότητες, οι οποίες εκδηλώνονται στο φαινόμενο Compton και στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Ένα φωτόνιο μπορεί να συμπεριφέρεται σαν ένα σωματίδιο που απορροφάται εξ ολοκλήρου από αντικείμενα των οποίων οι διαστάσεις είναι πολύ μικρότερες από το μήκος κύματός του (για παράδειγμα, ατομικό πυρήνα). Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα φωτόνια μπορούν γενικά να θεωρηθούν σημειακά αντικείμενα. Δεν έχει καμία διαφορά από το ποια θέση θεωρούμε τις ιδιότητες του φωτός. Στο πεδίο της έγχρωμης όρασης, ένα ρεύμα φωτός μπορεί να λειτουργήσει τόσο ως κύμα όσο και ως σωματίδιο-φωτόνιο ως ενεργειακό κβάντο. Ένα σημείο εστιασμένο σε έναν φωτοϋποδοχέα αμφιβληστροειδούς, όπως η μεμβράνη του κώνου, μπορεί να επιτρέψει στο μάτι να σχηματίσει τη δική του φιλτραρισμένη τιμή ως τις κύριες φασματικές ακτίνες φωτός και να τις ταξινομήσει σε μήκη κύματος. Σύμφωνα με τις τιμές της κβαντικής ενέργειας, στον εγκέφαλο το σημείο του αντικειμένου θα μεταφραστεί σε μια αίσθηση χρώματος (εστιασμένη οπτική εικόνα).

Κυματικές και σωματικές ιδιότητες στοιχειωδών σωματιδίων

Κυματικές ιδιότητες του φωτός

Είναι από καιρό γνωστό ότι το φως έχει κυματικές ιδιότητες. Ο Robert Hooke, στο έργο του Micrographia (1665), συγκρίνει το φως με τη διάδοση των κυμάτων. Ο Christian Huygens δημοσίευσε την πραγματεία του για το φως το 1690, στην οποία ανέπτυξε την κυματική θεωρία του φωτός. Είναι ενδιαφέρον ότι ο Νεύτων, που ήταν εξοικειωμένος με αυτά τα έργα, στην πραγματεία του για την οπτική πείθει τον εαυτό του και τους άλλους ότι το φως αποτελείται από σωματίδια - σωματίδια. Η εξουσία του Νεύτωνα για κάποιο διάστημα εμπόδισε ακόμη και την αναγνώριση κυματική θεωρίαΣβέτα. Αυτό είναι ακόμη πιο εκπληκτικό αφού ο Νεύτων όχι μόνο άκουσε για το έργο του Χουκ και του Χάιγκενς, αλλά και ο ίδιος σχεδίασε και κατασκεύασε ένα όργανο στο οποίο παρατήρησε το φαινόμενο της παρεμβολής, γνωστό σήμερα σε κάθε μαθητή με το όνομα «Newton's Rings». Τα φαινόμενα περίθλασης και παρεμβολής εξηγούνται απλά και φυσικά στην κυματική θεωρία. Αυτός, ο Νεύτων, έπρεπε να αλλάξει τον εαυτό του και να καταφύγει στην «εφεύρεση υποθέσεων» πολύ ασαφούς περιεχομένου για να κάνει τα σώματα να κινούνται σωστά.

Ο Νεύτωνας πέτυχε τη μεγαλύτερη επιτυχία του ως επιστήμονας εξηγώντας την κίνηση των πλανητών χρησιμοποιώντας τους νόμους της μηχανικής που ανακάλυψε. Φυσικά, προσπάθησε να χρησιμοποιήσει αυτούς τους ίδιους νόμους για να εξηγήσει την κίνηση του φωτός, αλλά για να γίνει αυτό δυνατό, το φως πρέπει απαραίτητα να αποτελείται από σωματίδια. Εάν το φως αποτελείται από σωματίδια, τότε οι νόμοι της μηχανικής ισχύουν για αυτά, και για να βρούμε τους νόμους της κίνησής τους, μένει μόνο να μάθουμε ποιες δυνάμεις ενεργούν μεταξύ τους και της ύλης. Η εξήγηση τέτοιων διαφορετικών φαινομένων όπως η κίνηση των πλανητών και η διάδοση του φωτός από τις ίδιες αρχές είναι ένα μνημειώδες έργο και ο Νεύτων δεν μπορούσε να αρνηθεί στον εαυτό του την ευχαρίστηση να αναζητήσει μια λύση. Η σύγχρονη επιστήμη δεν αναγνωρίζει τη σωματιδιακή θεωρία του Νεύτωνα, ωστόσο, από τη δημοσίευση της εργασίας του Αϊνστάιν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το φως γενικά θεωρείται ότι αποτελείται από σωματίδια φωτονίων. Ο Νεύτωνας δεν έκανε λάθος στο γεγονός ότι η κίνηση των πλανητών και η διάδοση του φωτός διέπονται από ορισμένες γενικές αρχές που του ήταν άγνωστες.

Ας θυμηθούμε τα πιο γνωστά πειράματα, όργανα και συσκευές στα οποία η κυματική φύση του φωτός εκδηλώνεται πιο ξεκάθαρα.

1. «Τα δαχτυλίδια του Νεύτωνα».

2. Παρεμβολή φωτός καθώς διέρχεται από δύο τρύπες.

3. Παρεμβολή φωτός όταν ανακλάται από λεπτές μεμβράνες.

4. Διάφορα όργανα και συσκευές: Fresnel biprism, Fresnel mirrors, Lloyd mirror; συμβολόμετρα: Michelson, Mach-Zehnder, Fabry-Perot.

5. Περίθλαση φωτός από στενή σχισμή.

6. Σχάρα περίθλασης.

7. Το σημείο του Πουασόν.

Όλα αυτά τα πειράματα, τα όργανα, οι συσκευές ή τα φαινόμενα είναι γνωστά, οπότε δεν θα σταθούμε σε αυτά. Θα ήθελα να σας υπενθυμίσω μόνο μια ενδιαφέρουσα λεπτομέρεια που σχετίζεται με το όνομα «Poisson’s spot». Ο Πουασόν ήταν αντίπαλος της κυματικής θεωρίας. Λαμβάνοντας υπόψη τη μέθοδο του Fresnel, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αν το φως είναι κύμα, τότε θα πρέπει να υπάρχει ένα φωτεινό σημείο στο κέντρο της γεωμετρικής σκιάς ενός αδιαφανούς δίσκου. Θεωρώντας ότι αυτό το συμπέρασμα ήταν παράλογο, το υπέβαλε ως πειστική ένσταση στη θεωρία των κυμάτων. Ωστόσο, αυτή η παράλογη πρόβλεψη επιβεβαιώθηκε πειραματικά από τον Aragon.

Σωματικές ιδιότητες του φωτός

Από το 1905, η επιστήμη γνωρίζει ότι το φως δεν είναι μόνο ένα κύμα, αλλά και ένα ρεύμα σωματιδίων - φωτονίων. Όλα ξεκίνησαν με την ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Hertz το 1887.

1888 - 1889 το φαινόμενο μελετήθηκε πειραματικά από τον Stoletov.

1898 Οι Lenard και Thompson ανακάλυψαν ότι τα σωματίδια που εκπέμπονται από το φως είναι ηλεκτρόνια.

Το κύριο πρόβλημα που έθεσε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο στους επιστήμονες ήταν ότι η ενέργεια των ηλεκτρονίων που εκτοξεύονται από μια ουσία από το φως δεν εξαρτάται από την ένταση του φωτός που προσπίπτει στην ουσία. Εξαρτάται μόνο από τη συχνότητά του. Η κλασική κυματική θεωρία δεν μπορούσε να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο.

1905 Ο Αϊνστάιν έδωσε μια θεωρητική εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, για το οποίο έλαβε το βραβείο Νόμπελ το 1921.

Σύμφωνα με την υπόθεση του Αϊνστάιν, το φως αποτελείται από φωτόνια, η ενέργεια των οποίων εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα και υπολογίζεται με τον τύπο του Planck: . Το φως μπορεί να αφαιρέσει ένα ηλεκτρόνιο από μια ουσία εάν το φωτόνιο έχει αρκετή ενέργεια για να το κάνει. Σε αυτή την περίπτωση, ο αριθμός των φωτονίων που πέφτουν στη φωτισμένη επιφάνεια δεν έχει σημασία. Επομένως, η ένταση του φωτός δεν έχει σημασία για την έναρξη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Όταν εξήγησε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ο Αϊνστάιν χρησιμοποίησε τη διάσημη υπόθεση του Πλανκ. Ο Planck πρότεινε κάποτε ότι το φως εκπέμπεται σε μερίδες - κβάντα. Τώρα ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι το φως, επιπλέον, απορροφάται σε μερίδες. Αυτή η υπόθεση ήταν επαρκής για να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Ο Αϊνστάιν, ωστόσο, προχωρά παραπέρα. Υποθέτει ότι το φως κατανέμεται σε τμήματα ή φωτόνια. Δεν υπήρχε πειραματική βάση για μια τέτοια δήλωση εκείνη την εποχή.

Η πιο άμεση επιβεβαίωση της υπόθεσης του Αϊνστάιν δόθηκε από το πείραμα του Bothe.

Στο πείραμα του Bothe, ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο F τοποθετήθηκε ανάμεσα σε δύο μετρητές εκκένωσης αερίου Sch. Το φύλλο φωτίστηκε από μια ασθενή δέσμη ακτίνων Χ, υπό την επίδραση της οποίας έγινε πηγή ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Τα δευτερεύοντα φωτόνια συλλήφθηκαν από μετρητές Geiger. Όταν ενεργοποιήθηκε ο μετρητής, το σήμα μεταδόθηκε στους μηχανισμούς M, οι οποίοι σημάδεψαν τον κινούμενο ιμάντα L. Εάν η δευτερεύουσα ακτινοβολία εκπέμπονταν με τη μορφή σφαιρικών κυμάτων, τότε και οι δύο μετρητές θα έπρεπε να ενεργοποιηθούν ταυτόχρονα. Ωστόσο, η εμπειρία έδειξε ότι τα σημάδια στην κινούμενη ταινία βρίσκονταν εντελώς ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Αυτό θα μπορούσε να εξηγηθεί μόνο με έναν τρόπο: η δευτερογενής ακτινοβολία εμφανίζεται με τη μορφή μεμονωμένων σωματιδίων που μπορούν να πετάξουν είτε προς μία είτε προς την αντίθετη κατεύθυνση. Επομένως, και οι δύο μετρητές δεν μπορούν να λειτουργήσουν ταυτόχρονα.

Compton Experience

Το 1923, ο Arthur Holly Compton, ένας Αμερικανός φυσικός, μελετώντας τη σκέδαση των ακτίνων Χ από διάφορες ουσίες, ανακάλυψε ότι στις ακτίνες που διασκορπίζονται από την ουσία, μαζί με την αρχική ακτινοβολία, υπήρχαν και ακτίνες με μεγαλύτερο μήκος κύματος. Αυτή η συμπεριφορά των ακτίνων Χ είναι δυνατή μόνο από κβαντομηχανική άποψη. Εάν οι ακτίνες Χ αποτελούνται από κβαντικά σωματίδια, τότε αυτά τα σωματίδια, όταν συγκρούονται με ηλεκτρόνια σε ηρεμία, θα πρέπει να χάσουν ενέργεια, όπως μια σφαίρα που πετά γρήγορα χάνει ενέργεια όταν συγκρούεται με μια ακίνητη. Η ιπτάμενη μπάλα, έχοντας χάσει ενέργεια, επιβραδύνει. Ένα φωτόνιο δεν μπορεί να επιβραδύνει, η ταχύτητά του είναι πάντα ίση με την ταχύτητα του φωτός, στην πραγματικότητα το ίδιο είναι φως. Επειδή όμως η ενέργεια του φωτονίου είναι ίση με , το φωτόνιο αντιδρά στη σύγκρουση μειώνοντας τη συχνότητά του.

Έστω η ενέργεια και η ορμή του φωτονίου πριν από τη σύγκρουση:

;

Ενέργεια και ορμή ενός φωτονίου μετά τη σκέδαση από ένα ηλεκτρόνιο:

;

.

Ενέργεια ηλεκτρονίου πριν από τη σύγκρουση με ένα φωτόνιο:

Η ορμή του πριν από τη σύγκρουση είναι μηδέν - το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε ηρεμία πριν από τη σύγκρουση.

Μετά τη σύγκρουση, το ηλεκτρόνιο αποκτά ορμή και η ενέργειά του αυξάνεται ανάλογα: . Η τελευταία σχέση προκύπτει από την ισότητα: .

Ας εξισώσουμε την ενέργεια του συστήματος πριν από τη σύγκρουση ενός φωτονίου με ένα ηλεκτρόνιο με την ενέργεια μετά τη σύγκρουση.

Η δεύτερη εξίσωση προκύπτει από το νόμο της διατήρησης της ορμής. Σε αυτή την περίπτωση, φυσικά, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι η ορμή είναι ένα διανυσματικό μέγεθος.

;

Ας μετατρέψουμε την εξίσωση εξοικονόμησης ενέργειας

,

και τετράγωνε τη δεξιά και την αριστερή πλευρά

.

Εξισώνουμε τις παραστάσεις που προκύπτουν για την ορμή του τετραγώνου του ηλεκτρονίου

, από όπου παίρνουμε: . Ως συνήθως,

ας εισαγάγουμε τη σημειογραφία .

Η ποσότητα ονομάζεται μήκος κύματος Compton του ηλεκτρονίου και συμβολίζεται . Δεδομένων αυτών των σημειώσεων, μπορούμε να γράψουμε μια έκφραση που αντιπροσωπεύει τη θεωρητική παραγωγή του πειραματικού αποτελέσματος του Compton: .

Η υπόθεση του De Broglie και οι κυματικές ιδιότητες άλλων σωματιδίων

Το 1924, ο de Broglie υπέθεσε ότι τα φωτόνια δεν αποτελούν εξαίρεση. Σύμφωνα με τον de Broglie, άλλα σωματίδια θα πρέπει επίσης να έχουν κυματικές ιδιότητες. Επιπλέον, η σύνδεση μεταξύ ενέργειας και ορμής, αφενός, και μήκους κύματος και συχνότητας, από την άλλη πλευρά, θα πρέπει να είναι ακριβώς η ίδια όπως και για τα ηλεκτρομαγνητικά φωτόνια.

Για φωτόνια, . Σύμφωνα με την υπόθεση του de Broglie, ένα κύμα ύλης με συχνότητα και μήκος κύματος πρέπει να συνδέεται με ένα σωματίδιο .

Τι είδους κύμα είναι αυτό και περί τίνος πρόκειται φυσική έννοια, δεν μπορούσε να πει ο de Broglie. Σήμερα είναι γενικά αποδεκτό ότι το κύμα de Broglie έχει πιθανολογική σημασία και χαρακτηρίζει την πιθανότητα εύρεσης ενός σωματιδίου σε διάφορα σημεία του χώρου.

Το πιο ενδιαφέρον σε αυτό είναι ότι οι κυματικές ιδιότητες των σωματιδίων ανακαλύφθηκαν πειραματικά.

Το 1927, οι Davisson και Jammer ανακάλυψαν την περίθλαση των δεσμών ηλεκτρονίων όταν ανακλώνται από έναν κρύσταλλο νικελίου.

Το 1927, ο γιος J.J. Ο Thomson και, ανεξάρτητα, ο Tartakovsky απέκτησαν ένα σχέδιο περίθλασης όταν μια δέσμη ηλεκτρονίων πέρασε μέσα από μεταλλικό φύλλο.

Στη συνέχεια, λήφθηκαν επίσης σχέδια περίθλασης για μοριακές δέσμες.

Ο χαρακτηρισμός της κατάστασης των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο βασίζεται στη θέση της κβαντικής μηχανικής σχετικά με τη διπλή φύση του ηλεκτρονίου, το οποίο έχει ταυτόχρονα τις ιδιότητες ενός σωματιδίου και ενός κύματος.

Για πρώτη φορά, η φύση διπλού σωματιδίου-κύματος καθιερώθηκε για το φως. Μελέτες μιας σειράς φαινομένων (ακτινοβολία από θερμά σώματα, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ατομικά φάσματα) οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η ενέργεια εκπέμπεται και απορροφάται όχι συνεχώς, αλλά διακριτά, σε ξεχωριστά τμήματα (κβάντα). Η υπόθεση της κβαντοποίησης της ενέργειας έγινε για πρώτη φορά από τον Max Planck (1900) και τεκμηριώθηκε από τον Albert Einstein (1905): η κβαντική ενέργεια (ΔE) εξαρτάται από τη συχνότητα ακτινοβολίας (ν):

∆E = hν, όπου h = 6,63·10 -34 J·s – Η σταθερά του Planck.

Εξισώνοντας την ενέργεια του φωτονίου hν με τη συνολική του ενέργεια mс 2 και λαμβάνοντας υπόψη ότι ν = σ/λ, λαμβάνουμε μια σχέση που εκφράζει τη σχέση μεταξύ του κύματος και των σωματικών ιδιοτήτων του φωτονίου:

Το 1924 Louis de Broglieπρότεινε ότι η φύση του διπλού σωματικού κύματος είναι εγγενής όχι μόνο στην ακτινοβολία, αλλά και σε οποιοδήποτε υλικό σωματίδιο: κάθε σωματίδιο που έχει μάζα (m) και κινείται με ταχύτητα (υ) αντιστοιχεί σε μια διαδικασία κύματος με μήκος κύματος λ:

λ = η / Μυ (55)

Όσο μικρότερη είναι η μάζα των σωματιδίων, τόσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος. Επομένως, είναι δύσκολο να ανιχνευθούν οι κυματικές ιδιότητες των μακροσωματιδίων.

Το 1927, οι Αμερικανοί επιστήμονες Davisson και Germer, ο Άγγλος Thomson και ο Σοβιετικός επιστήμονας Tartakovsky ανακάλυψαν ανεξάρτητα την περίθλαση ηλεκτρονίων, η οποία ήταν πειραματική επιβεβαίωση των κυματικών ιδιοτήτων των ηλεκτρονίων. Αργότερα, ανακαλύφθηκε η περίθλαση (παρεμβολή) α-σωματιδίων, νετρονίων, πρωτονίων, ατόμων ακόμη και μορίων. Επί του παρόντος, η περίθλαση ηλεκτρονίων χρησιμοποιείται για τη μελέτη της δομής της ύλης.

Μία από τις αρχές της κυματομηχανικής έγκειται στις κυματικές ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων: αρχή της αβεβαιότητας (W. Heisenberg 1925): για σώματα μικρής ατομικής κλίμακας είναι αδύνατο να προσδιοριστεί ταυτόχρονα με ακρίβεια η θέση ενός σωματιδίου στο διάστημα και η ταχύτητά του (ορμή). Όσο ακριβέστερα καθορίζονται οι συντεταγμένες ενός σωματιδίου, τόσο λιγότερο βέβαιη γίνεται η ταχύτητά του και το αντίστροφο. Η σχέση αβεβαιότητας έχει τη μορφή:

όπου Δх είναι η αβεβαιότητα στη θέση του σωματιδίου, ΔΡ x είναι η αβεβαιότητα στο μέγεθος της ορμής ή της ταχύτητας προς την κατεύθυνση x. Παρόμοιες σχέσεις γράφονται για τις συντεταγμένες y και z. Η ποσότητα ℏ που περιλαμβάνεται στη σχέση αβεβαιότητας είναι πολύ μικρή, επομένως για τα μακροσωματίδια οι αβεβαιότητες στις τιμές των συντεταγμένων και της ροπής είναι αμελητέες.

Κατά συνέπεια, είναι αδύνατο να υπολογιστεί η τροχιά ενός ηλεκτρονίου στο πεδίο ενός πυρήνα· μπορεί κανείς να εκτιμήσει μόνο την πιθανότητα παρουσίας του στο άτομο χρησιμοποιώντας κυματική συνάρτηση ψ, που αντικαθιστά την κλασική έννοια της τροχιάς. Η κυματική συνάρτηση ψ χαρακτηρίζει το πλάτος του κύματος ανάλογα με τις συντεταγμένες του ηλεκτρονίου και το τετράγωνό της ψ 2 καθορίζει τη χωρική κατανομή του ηλεκτρονίου στο άτομο. Στην απλούστερη εκδοχή, η συνάρτηση κύματος εξαρτάται από τρεις χωρικές συντεταγμένες και καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της πιθανότητας εύρεσης ηλεκτρονίου στον ατομικό χώρο ή τροχιάς . Ετσι, ατομικό τροχιακό (AO) είναι η περιοχή του ατομικού χώρου στην οποία η πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίου είναι μεγαλύτερη.

Οι κυματοσυναρτήσεις λαμβάνονται με την επίλυση της θεμελιώδους σχέσης της κυματομηχανικής - εξισώσειςΣρέντινγκερ (1926) :

(57)

όπου h είναι η σταθερά του Planck, είναι μια μεταβλητή τιμή, U είναι η δυναμική ενέργεια του σωματιδίου, E είναι η συνολική ενέργεια του σωματιδίου, x, y, z είναι οι συντεταγμένες.

Έτσι, η κβαντοποίηση της ενέργειας του μικροσυστήματος προκύπτει απευθείας από τη λύση της κυματικής εξίσωσης. Η κυματική συνάρτηση χαρακτηρίζει πλήρως την κατάσταση του ηλεκτρονίου.

Η κυματική συνάρτηση ενός συστήματος είναι συνάρτηση της κατάστασης του συστήματος, το τετράγωνο του οποίου είναι ίσο με την πυκνότητα πιθανότητας εύρεσης ηλεκτρονίων σε κάθε σημείο του χώρου. Πρέπει να πληροί τυπικές συνθήκες: να είναι συνεχής, πεπερασμένος, σαφής και να εξαφανίζεται όπου δεν υπάρχει ηλεκτρόνιο.

Λαμβάνεται μια ακριβής λύση για το άτομο υδρογόνου ή τα όμοια με υδρογόνο ιόντα· διάφορες προσεγγίσεις χρησιμοποιούνται για συστήματα πολλαπλών ηλεκτρονίων. Η επιφάνεια που περιορίζει την πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίου ή ηλεκτρονιακής πυκνότητας στο 90–95% ονομάζεται οριακή επιφάνεια. Η πυκνότητα του ατομικού τροχιακού και του νέφους ηλεκτρονίων έχουν την ίδια οριακή επιφάνεια (σχήμα) και τον ίδιο χωρικό προσανατολισμό. Τα ατομικά τροχιακά ενός ηλεκτρονίου, η ενέργεια και η κατεύθυνσή τους στο διάστημα εξαρτώνται από τέσσερις παραμέτρους - κβαντικούς αριθμούς : κύρια, τροχιακή, μαγνητική και σπιν. Τα τρία πρώτα χαρακτηρίζουν την κίνηση ενός ηλεκτρονίου στο διάστημα και το τέταρτο - γύρω από τον άξονά του.

Κβαντικός αριθμόςn – Το κύριο πράγμα . Καθορίζει το επίπεδο ενέργειας ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο, την απόσταση του επιπέδου από τον πυρήνα και το μέγεθος του νέφους ηλεκτρονίων. Δέχεται ακέραιες τιμές από 1 έως ∞ και αντιστοιχεί στον αριθμό περιόδου. Από τον περιοδικό πίνακα για οποιοδήποτε στοιχείο, με τον αριθμό περιόδου, μπορείτε να προσδιορίσετε τον αριθμό των ενεργειακών επιπέδων του ατόμου και ποιο επίπεδο ενέργειας είναι το εξωτερικό. Περισσότερο n, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ του ηλεκτρονίου και του πυρήνα. Στο n= 1 άτομο υδρογόνου βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση, στο n> 1 – ενθουσιασμένος. Αν n∞, τότε το ηλεκτρόνιο έχει εγκαταλείψει τον ατομικό όγκο. Ο ιονισμός του ατόμου έχει συμβεί.

Για παράδειγμα, το στοιχείο κάδμιο Cd βρίσκεται στην πέμπτη περίοδο, που σημαίνει n=5. Στο άτομό του, τα ηλεκτρόνια κατανέμονται σε πέντε επίπεδα ενέργειας(n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); το πέμπτο επίπεδο θα είναι εξωτερικό (n = 5).

Δεδομένου ότι το ηλεκτρόνιο έχει, μαζί με τις ιδιότητες ενός κύματος και τις ιδιότητες ενός υλικού σωματιδίου, έχει μάζα m, ταχύτητα κίνησης V και βρίσκεται σε απόσταση από τον πυρήνα r, έχει γωνιακή ορμή: μ = mVr.

Η ορμή είναι το δεύτερο (μετά την ενέργεια) χαρακτηριστικό ενός ηλεκτρονίου και εκφράζεται μέσω ενός δευτερεύοντος (αζιμουθιακού, τροχιακού) κβαντικού αριθμού.

Τροχιακός κβαντικός αριθμόςμεγάλο- καθορίζει το σχήμα του νέφους ηλεκτρονίων (Εικ. 7), την ενέργεια του ηλεκτρονίου στο υποεπίπεδο και τον αριθμό των ενεργειακών υποεπίπεδων. Δέχεται τιμές από 0 έως n– 1. Εκτός από αριθμητικές τιμές μεγάλοΕχει ονομασίες γραμμάτων. Ηλεκτρόνια με την ίδια τιμή μεγάλοσχηματίζουν ένα υποεπίπεδο.

Σε κάθε κβαντικό επίπεδο, ο αριθμός των υποεπιπέδων είναι αυστηρά περιορισμένος και ίσος με τον αριθμό του επιπέδου. Τα υποεπίπεδα, όπως και τα ενεργειακά επίπεδα, αριθμούνται με τη σειρά της απόστασής τους από τον πυρήνα (Πίνακας 26).

Οι πρώτες ιδέες των αρχαίων επιστημόνων για το τι είναι το φως ήταν πολύ αφελείς. Υπήρχαν αρκετές απόψεις. Κάποιοι πίστευαν ότι ειδικά λεπτά πλοκάμια βγαίνουν από τα μάτια και προκύπτουν οπτικές εντυπώσεις όταν αισθάνονται αντικείμενα. Αυτή η άποψη είχε μεγάλος αριθμόςοπαδούς, μεταξύ των οποίων ήταν ο Ευκλείδης, ο Πτολεμαίος και πολλοί άλλοι επιστήμονες και φιλόσοφοι. Άλλοι, αντίθετα, πίστευαν ότι οι ακτίνες εκπέμπονται από ένα φωτεινό σώμα και, φτάνοντας στο ανθρώπινο μάτι, φέρουν το αποτύπωμα του φωτεινού αντικειμένου. Αυτή την άποψη είχαν ο Λουκρήτιος και ο Δημόκριτος.

Τον 17ο αιώνα, σχεδόν ταυτόχρονα, δύο εντελώς διαφορετικές θεωρίεςγια το τι είναι το φως και ποια είναι η φύση του. Η μία από αυτές τις θεωρίες συνδέεται με το όνομα του I. Newton και η άλλη με το όνομα του H. Huygens.

Ο Ι. Νεύτων τήρησε το λεγόμενο σωματιδιακή θεωρία του φωτός, σύμφωνα με την οποία το φως είναι ένα ρεύμα σωματιδίων που προέρχονται από μια πηγή προς όλες τις κατευθύνσεις (μεταφορά ύλης).

Σύμφωνα με τις ιδέες του H. Huygens, το φως είναι ένα ρεύμα κυμάτων που διαδίδεται σε ένα ειδικό, υποθετικό μέσο - τον αιθέρα, που γεμίζει όλο το χώρο και διεισδύει σε όλα τα σώματα.

Και οι δύο θεωρίες πολύς καιρόςυπήρχε παράλληλα. Κανένας από αυτούς δεν μπόρεσε να κερδίσει μια αποφασιστική νίκη. Μόνο η εξουσία του Ι. Νεύτωνα ανάγκασε την πλειονότητα των επιστημόνων να προτιμήσουν τη σωματική θεωρία. Οι νόμοι της διάδοσης του φωτός, γνωστοί εκείνη την εποχή από την εμπειρία, εξηγήθηκαν λίγο πολύ με επιτυχία και από τις δύο θεωρίες.

Με βάση τη σωματιδιακή θεωρία, ήταν δύσκολο να εξηγηθεί γιατί οι δέσμες φωτός, που τέμνονται στο διάστημα, δεν δρουν μεταξύ τους. Εξάλλου, τα σωματίδια φωτός πρέπει να συγκρούονται και να διασκορπίζονται.

Η κυματική θεωρία το εξήγησε εύκολα. Τα κύματα, για παράδειγμα, στην επιφάνεια του νερού, περνούν ελεύθερα μεταξύ τους χωρίς να ασκούν αμοιβαία επιρροή.

Ωστόσο, η ευθύγραμμη διάδοση του φωτός, που οδηγεί στον σχηματισμό αιχμηρών σκιών πίσω από αντικείμενα, είναι δύσκολο να εξηγηθεί με βάση τη θεωρία των κυμάτων. Με τη σωματιδιακή θεωρία, η ευθύγραμμη διάδοση του φωτός είναι απλώς συνέπεια του νόμου της αδράνειας.

Αυτή η αβεβαιότητα σχετικά με τη φύση του φωτός παρέμεινε μέχρι αρχές XIXαιώνες, όταν ανακαλύφθηκαν τα φαινόμενα της διάθλασης του φωτός (κάμψη του φωτός γύρω από εμπόδια) και της παρεμβολής φωτός (αύξηση ή εξασθένηση του φωτισμού όταν οι δέσμες φωτός υπερτίθενται η μία πάνω στην άλλη). Αυτά τα φαινόμενα είναι εγγενή αποκλειστικά στην κυματική κίνηση. Δεν μπορούν να εξηγηθούν χρησιμοποιώντας τη σωματιδιακή θεωρία. Οι κυματικές ιδιότητες του φωτός περιλαμβάνουν επίσης τη διασπορά του φωτός και την πόλωση. Ως εκ τούτου, φαινόταν ότι η κυματική θεωρία είχε κερδίσει μια τελική και πλήρη νίκη.

Αυτή η εμπιστοσύνη έγινε ιδιαίτερα ισχυρότερη όταν ο D. Maxwell έδειξε στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα ότι υπάρχει φως ειδική περίπτωσηΗλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα έργα του D. Maxwell έθεσαν τα θεμέλια της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας του φωτός. Μετά την πειραματική ανακάλυψη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από τον G. Hertz, δεν υπήρχε αμφιβολία ότι όταν το φως διαδίδεται, συμπεριφέρεται σαν κύμα. Ωστόσο, στις αρχές του 20ου αιώνα, οι ιδέες για τη φύση του φωτός άρχισαν να αλλάζουν ριζικά. Απροσδόκητα, αποδείχθηκε ότι η απορριφθείσα σωματιδιακή θεωρία εξακολουθεί να σχετίζεται με την πραγματικότητα. Όταν εκπέμπεται και απορροφάται, το φως συμπεριφέρεται σαν ένα ρεύμα σωματιδίων. Οι κυματικές ιδιότητες του φωτός δεν μπορούσαν να εξηγήσουν τους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Έχει δημιουργηθεί μια ασυνήθιστη κατάσταση. Τα φαινόμενα παρεμβολής, περίθλασης, πόλωσης φωτός από συμβατικές πηγές φωτός υποδηλώνουν αδιαμφισβήτητα τις κυματικές ιδιότητες του φωτός. Ωστόσο, ακόμη και σε αυτά τα φαινόμενα, υπό κατάλληλες συνθήκες, το φως εμφανίζει σωματικές ιδιότητες. Με τη σειρά τους, οι νόμοι της θερμικής ακτινοβολίας των σωμάτων, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και άλλοι αναμφισβήτητα υποδεικνύουν ότι το φως δεν συμπεριφέρεται ως συνεχές, εκτεταμένο κύμα, αλλά ως ροή «συστημάτων» (μερίδες, κβάντα) ενέργειας, δηλ. σαν ρεύμα σωματιδίων – φωτονίων.

Έτσι, το φως συνδυάζει τη συνέχεια των κυμάτων και τη διακριτικότητα των σωματιδίων. Αν λάβουμε υπόψη ότι τα φωτόνια υπάρχουν μόνο όταν κινούνται (με ταχύτητα c), τότε καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι το φως έχει ταυτόχρονα και κυματικές και σωματικές ιδιότητες.Αλλά σε ορισμένα φαινόμενα, υπό ορισμένες συνθήκες, οι κυματικές ή σωματικές ιδιότητες παίζουν το κύριο ρόλο. ο ρόλος και το φως μπορούν να θεωρήσουν είτε ένα κύμα είτε σωματίδια (σωματίδια).

Η ταυτόχρονη παρουσία κυμάτων και σωματικών ιδιοτήτων σε αντικείμενα ονομάζεται δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου.

Κυματικές ιδιότητες μικροσωματιδίων. Περίθλαση ηλεκτρονίων

Το 1923, ο Γάλλος φυσικός L. de Broglie διατύπωσε μια υπόθεση σχετικά με την καθολικότητα της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου. Ο De Broglie υποστήριξε ότι όχι μόνο τα φωτόνια, αλλά και τα ηλεκτρόνια και οποιαδήποτε άλλα σωματίδια ύλης, μαζί με τα σωματίδια, έχουν επίσης κυματικές ιδιότητες.

Σύμφωνα με τον de Broglie, κάθε μικροαντικείμενο συνδέεται, αφενός, με σωματικά χαρακτηριστικά - ενέργεια μικαι ορμή Π, και από την άλλη, κυματικά χαρακτηριστικά - συχνότητα ν και μήκος κύματος λ .

Τα σωματικά και κυματικά χαρακτηριστικά των μικροαντικειμένων σχετίζονται με τις ίδιες ποσοτικές σχέσεις με αυτές ενός φωτονίου:

\(~E = h \nu ;\;\;\; p = \dfrac(h \nu)(c) = \dfrac(h)(\λάμδα)\) .

Η υπόθεση του De Broglie υπέθεσε αυτές τις σχέσεις για όλα τα μικροσωματίδια, συμπεριλαμβανομένων αυτών που έχουν μάζα Μ. Οποιοδήποτε σωματίδιο με ορμή συσχετίστηκε με μια διεργασία κύματος με μήκος κύματος \(~\λάμδα = \dfrac(h)(p)\) . Για σωματίδια με μάζα,

\(~\lambda = \dfrac(h)(p) = \dfrac(h \cdot \sqrt(1 - \dfrac(\upsilon^2)(c^2)))(m \cdot \upsilon)\) .

Στη μη σχετικιστική προσέγγιση ( υ « ντο)

\(~\lambda = \dfrac(h)(m \cdot \upsilon)\) .

Η υπόθεση του De Broglie βασίστηκε σε εκτιμήσεις για τη συμμετρία των ιδιοτήτων της ύλης και δεν είχε πειραματική επιβεβαίωση εκείνη την εποχή. Αλλά ήταν μια ισχυρή επαναστατική ώθηση για την ανάπτυξη νέων ιδεών σχετικά με τη φύση των υλικών αντικειμένων. Για πολλά χρόνια ολόκληρη γραμμή εξαιρετικοί φυσικοί XX αιώνας - οι W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac, N. Bohr και άλλοι - ανέπτυξαν θεωρητική βάση νέα επιστήμη, που ονομάστηκε κβαντική μηχανική.

Η πρώτη πειραματική επιβεβαίωση της υπόθεσης του de Broglie ελήφθη το 1927 από τους Αμερικανούς φυσικούς K. Davison και L. Germer. Ανακάλυψαν ότι μια δέσμη ηλεκτρονίων διασκορπισμένη από έναν κρύσταλλο νικελίου παρήγαγε ένα ευδιάκριτο μοτίβο περίθλασης παρόμοιο με αυτό που παράγεται από τη σκέδαση ακτίνων Χ βραχέων κυμάτων από τον κρύσταλλο. Σε αυτά τα πειράματα, ο κρύσταλλος έπαιξε το ρόλο ενός φυσικού πλέγμα περίθλασης. Κατά θέση μέγιστα περίθλασηςΠροσδιορίστηκε το μήκος κύματος της δέσμης ηλεκτρονίων, το οποίο αποδείχθηκε ότι ήταν σε πλήρη συμφωνία με τον τύπο του de Broglie.

Το επόμενο έτος, 1928, ο Άγγλος φυσικός J. Thomson (γιος του J. Thomson, ο οποίος ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο 30 χρόνια νωρίτερα) έλαβε νέα επιβεβαίωση της υπόθεσης του de Broglie. Στα πειράματά του, ο Thomson παρατήρησε το σχέδιο περίθλασης που εμφανίζεται όταν μια δέσμη ηλεκτρονίων διέρχεται από ένα λεπτό πολυκρυσταλλικό φύλλο χρυσού. Σε μια φωτογραφική πλάκα που ήταν τοποθετημένη πίσω από το φύλλο, παρατηρήθηκαν καθαρά ομόκεντροι φωτεινοί και σκοτεινοί δακτύλιοι, οι ακτίνες των οποίων άλλαζαν με την ταχύτητα των ηλεκτρονίων (δηλαδή το μήκος κύματος) σύμφωνα με τον de Broglie.

Τα επόμενα χρόνια, το πείραμα του J. Thomson επαναλήφθηκε πολλές φορές με το ίδιο αποτέλεσμα, συμπεριλαμβανομένων των συνθηκών όπου η ροή των ηλεκτρονίων ήταν τόσο ασθενής που μόνο ένα σωματίδιο μπορούσε να περάσει μέσα από τη συσκευή τη φορά (V.A. Fabrikant, 1948). Έτσι, αποδείχθηκε πειραματικά ότι οι κυματικές ιδιότητες είναι εγγενείς όχι μόνο σε μια μεγάλη συλλογή ηλεκτρονίων, αλλά και σε κάθε ηλεκτρόνιο ξεχωριστά.

Στη συνέχεια, ανακαλύφθηκαν επίσης φαινόμενα περίθλασης για νετρόνια, πρωτόνια, ατομικές και μοριακές δέσμες. Η πειραματική απόδειξη της παρουσίας κυματικών ιδιοτήτων μικροσωματιδίων οδήγησε στο συμπέρασμα ότι αυτό είναι ένα παγκόσμιο φυσικό φαινόμενο, γενική ιδιοκτησίαύλη. Κατά συνέπεια, οι κυματικές ιδιότητες πρέπει επίσης να είναι εγγενείς στα μακροσκοπικά σώματα. Ωστόσο, λόγω της μεγάλης μάζας των μακροσκοπικών σωμάτων, οι κυματικές τους ιδιότητες δεν μπορούν να ανιχνευθούν πειραματικά. Για παράδειγμα, ένα κομμάτι σκόνης βάρους 10 -9 g που κινείται με ταχύτητα 0,5 m/s αντιστοιχεί σε ένα κύμα de Broglie με μήκος κύματος της τάξης των 10 -21 m, δηλαδή περίπου 11 τάξεις μεγέθους μικρότερο από το μέγεθος του άτομα. Αυτό το μήκος κύματος βρίσκεται έξω από την παρατηρήσιμη περιοχή. Αυτό το παράδειγμα δείχνει ότι τα μακροσκοπικά σώματα μπορούν να παρουσιάζουν μόνο σωματικές ιδιότητες.

Έτσι, η πειραματικά επιβεβαιωμένη υπόθεση του de Broglie σχετικά με τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου άλλαξε ριζικά τις ιδέες για τις ιδιότητες των μικροαντικειμένων.

Όλα τα μικροαντικείμενα έχουν και κυματικές και σωματικές ιδιότητες, ωστόσο, δεν είναι ούτε κύμα ούτε σωματίδιο με την κλασική έννοια. Οι διαφορετικές ιδιότητες των μικροαντικειμένων δεν εμφανίζονται ταυτόχρονα, αλληλοσυμπληρώνονται, μόνο η ολότητά τους χαρακτηρίζει πλήρως το μικροαντικείμενο. Αυτή είναι η φόρμουλα που διατύπωσε ο διάσημος Δανός φυσικός N. Bohr αρχή της συμπληρωματικότητας. Μπορούμε χονδρικά να πούμε ότι τα μικροαντικείμενα διαδίδονται σαν κύματα και ανταλλάσσουν ενέργεια σαν σωματίδια.

Από την άποψη της κυματικής θεωρίας, τα μέγιστα στο μοτίβο περίθλασης ηλεκτρονίων αντιστοιχούν στην υψηλότερη ένταση των κυμάτων de Broglie. Ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων πέφτει στην περιοχή των μεγίστων που καταγράφονται στη φωτογραφική πλάκα. Αλλά η διαδικασία εισόδου ηλεκτρονίων σε διαφορετικά σημεία σε μια φωτογραφική πλάκα δεν είναι ατομική. Είναι θεμελιωδώς αδύνατο να προβλεφθεί πού θα πέσει το επόμενο ηλεκτρόνιο μετά τη σκέδαση· υπάρχει μόνο μια ορισμένη πιθανότητα να χτυπήσει το ηλεκτρόνιο στο ένα ή στο άλλο μέρος. Έτσι, μια περιγραφή της κατάστασης ενός μικροαντικειμένου και της συμπεριφοράς του μπορεί να δοθεί μόνο με βάση τη θεωρία πιθανοτήτων.

Τα κύματα De Broglie δεν είναι Ηλεκτρομαγνητικά κύματακαι δεν έχουν αναλογίες μεταξύ όλων των τύπων κυμάτων που μελετήθηκαν κλασική φυσική, επειδή δεν εκπέμπονται από καμία πηγή κυμάτων και δεν σχετίζονται με τη διάδοση οποιουδήποτε πεδίου, όπως ηλεκτρομαγνητικό ή οποιοδήποτε άλλο. Συνδέονται με οποιοδήποτε κινούμενο σωματίδιο, ανεξάρτητα από το αν είναι ηλεκτρικά φορτισμένο ή ουδέτερο.