30.12.2015. 14:00

Многумина кои почнуваат да учат физика како во училишни годиниа во повисоко образовните институции, порано или подоцна тие се соочуваат со прашања во врска со светлината. Прво, она што не ми се допаѓа најмногу во физиката што ја знаеме денес. Значи, ова е толкување на некои концепти, со апсолутно мирен израз на лицето и не обрнувајќи внимание на други појави и ефекти. Односно, со помош на некои закони или правила се обидуваат да објаснат одредени појави, но во исто време се трудат да не забележат ефекти кои се во спротивност со ова објаснување. Ова е веќе еден вид правило за водење на толкување - Па, што е со ова и она? Мила, слушај, сега зборуваме за друго, само не обрнувај внимание. На крајот на краиштата, во рамките на ова прашање, се чука? Па, тоа е убаво.

Следната „Шредингерова мачка“ за какво било знаење е KVD (корпускуларна брановиден дуализам). Кога состојбата на фотон (честичка светлина) или електрон може да се опише и со бранови и корпускуларни (честички). Што се однесува до појавите што укажуваат на брановите својства на материјата, сè е повеќе или помалку јасно, освен една работа - медиумот во кој се пренесува истиот бран. Но, во однос на корпускуларните својства и особено присуството на такви „честички“ на светлина како фотоните, имам многу сомнежи.

Како знаеле луѓето дека светлината има бранова природа? Па, ова беше олеснето со отворени ефекти и експерименти со дневна светлина. На пример, таков концепт како спектар на светлина (видлив спектар на светлина) каде што, во зависност од брановата должина и, соодветно, фреквенцијата, бојата на спектарот се менува од црвена во виолетова, што е она што го гледаме со нашите несовршени очи. Сè што е зад и пред него припаѓа на инфрацрвеното зрачење, радио, ултравиолетово, гама зрачење итн.


Забележете како на сликата погоре е прикажан спектарот на електромагнетното зрачење. Во зависност од фреквенцијата на бранот на електромагнетната манифестација, тоа може да биде или гама зрачење или видлива светлина и не само, на пример, може да биде дури и радио бран. Но, она што најмногу изненадува во сето ова е што само на видливиот спектар на светлината, толку незначителен во целиот фреквентен опсег, поради некоја причина, ОНЕДЕЛНО и само исклучиво, му се припишуваат својствата на честичките - фотоните. Поради некоја причина, само видливиот спектар покажува корпускуларни својства. Никогаш нема да слушнете за корпускуларните својства на радио брановите или, да речеме, гама зрачењето; овие вибрации не покажуваат корпускуларни својства. Концептот на „гама квантум“ е само делумно применет на гама зрачењето, но повеќе за тоа подоцна.

И кои фактички појави или ефекти го потврдуваат присуството, дури и ако само на видливиот спектар на светлина, на корпускуларни својства? И тука започнува најневеројатното нешто.

Ако верувате официјална наука, корпускуларните својства на светлината се потврдени со два добро познати ефекти. За откривање и објаснување на овие ефекти, Нобеловите награди за физика беа доделени на Алберт Ајнштајн (фотоефект) и Артур Комптон (Комптон ефект). Треба да се напомене дека прашање е зошто фото-ефектот не го носи името на Алберт Ајнштајн, бидејќи токму за него добил Нобелова награда? И сè е многу едноставно, овој ефект беше откриен не од него, туку од друг талентиран научник (Александре Бекерел 1839), Ајнштајн само го објасни ефектот.


Да почнеме со фото ефектот. Каде, според физичарите, има потврда дека светлината има корпускуларни својства?

Фото ефектот е феномен поради кој супстанцијата испушта електрони кога е изложена на светлина или која било друга електромагнетно зрачење. Со други зборови, светлината се апсорбира од материјата и нејзината енергија се пренесува на електроните, предизвикувајќи тие да се движат на уреден начин, со што се претвора во електрична енергија.

Всушност, не е јасно како физичарите дошле до заклучок дека таканаречениот фотон е честичка, бидејќи во феноменот на фотоелектричниот ефект е утврдено дека електроните летаат надвор за да се сретнат со фотоните. Овој факт дава идеја за неправилно толкување на феноменот на фото ефектот, бидејќи тоа е еден од условите за појава на овој ефект. Но, според физичарите, овој ефект покажува дека фотонот е честичка само поради фактот што целосно се апсорбира, а исто така и поради фактот што ослободувањето на електроните не зависи од интензитетот на зрачењето, туку исклучиво од фреквенцијата на таканаречениот фотон. Ова е причината зошто се роди концептот на светлосен квант или корпускул. Но, тука треба да се фокусираме на тоа каков е „интензитетот“ во конкретниот случај. На крајот на краиштата, соларните панели сè уште произведуваат повеќе електрична енергија кога се зголемува количината на светлина што влегува на површината на фотоелементот. На пример, кога зборуваме за интензитетот на звукот, мислиме на амплитудата на неговите вибрации. Колку е поголема амплитудата, толку е поголема енергијата што ја носи акустичниот бран и поголема е потребната моќност за да се создаде таков бран. Во случај на светлина, таков концепт е целосно отсутен. Според денешното разбирање на физиката, светлината има фреквенција, но нема амплитуда. Што повторно покренува многу прашања. На пример, радио бранот има амплитудни карактеристики, но видливата светлина, чии бранови се, да речеме, малку пократки од радио брановите, нема амплитуда. Сето ова опишано погоре само кажува дека таков концепт како фотон е, благо кажано, нејасен, и сите феномени што укажуваат на неговото постоење како нивна интерпретација не издржуваат критики. Или едноставно се измислени како поддршка на некоја хипотеза дека најверојатно тоа е така.

Што се однесува до Комптоновото расејување на светлината (Компотон ефект), воопшто не е јасно како, врз основа на овој ефект, се доаѓа до заклучок дека светлината е честичка, а не бран.

Генерално, всушност, денес физиката нема конкретна потврда дека фотонската честичка е целосна и дека во принцип постои во форма на честичка. Постои одреден квант кој се карактеризира со градиент на фреквенција и ништо повеќе. А она што е најинтересно е дека димензиите (должината) на овој фотон, според E=hv, можат да бидат од неколку десетици микрони до неколку километри. И сето ова не збунува никого кога се користи зборот „честичка“ за да се однесува на фотон.

На пример, фемтосекунди ласер со должина на пулсот од 100 фемтосекунди има должина на пулсот (фотон) од 30 микрони. За повикување, во транспарентен кристал растојанието помеѓу атомите е приближно 3 ангстроми. Па, како може фотон чија големина е неколку пати поголема од ова растојание да лета од атом до атом?

Но, денес физиката не се двоуми да работи со концептот на квант, фотон или честичка во однос на светлината. Едноставно не обрнувајќи внимание на фактот дека не се вклопува во стандардниот модел кој ја опишува материјата и законите според кои таа постои.

Во текот на изминатите сто години, науката направи голем напредок во проучувањето на структурата на нашиот свет и на микроскопско и на макроскопско ниво. Неверојатните откритија кои ни ги донесоа специјалните и општите теории на релативноста и квантната механика сè уште ги возбудуваат главите на јавноста. Сепак, секој образован човек треба да ги разбере барем основите на современите научни достигнувања. Една од најимпресивните и најважните точки е двојноста бран-честичка. Ова е парадоксално откритие, чие разбирање е надвор од дофатот на интуитивната секојдневна перцепција.

Корпускули и бранови

Дуализмот првпат бил откриен во проучувањето на светлината, која се однесувала сосема поинаку во зависност од условите. Од една страна, се покажа дека светлината е оптички електромагнетен бран. Од друга страна, дискретна честичка ( хемиско дејствоСвета). Првично, научниците веруваа дека овие две идеи меѓусебно се исклучуваат. Сепак, бројни експерименти покажаа дека тоа не е така. Постепено, реалноста на таков концепт како двојност бран-честички стана вообичаена. Овој концепт дава основа за проучување на однесувањето на сложените квантни објекти кои не се ниту бранови ниту честички, туку само ги добиваат својствата на вторите или првите во зависност од одредени услови.

Експеримент со двоен пресек

Дифракцијата на фотонот е јасна демонстрација на дуализмот. Детекторот на наелектризираните честички е фотографска плоча или флуоресцентен екран. Секој поединечен фотон беше означен со осветлување или блесок на место. Комбинацијата на такви ознаки даде шема на пречки - алтернација на слабо и силно осветлени ленти, што е карактеристика на дифракцијата на брановите. Ова се објаснува со таков концепт како двојност бран-честички. Познатиот физичар и НобеловецРичард Фајнман рече дека материјата се однесува на мали размери на таков начин што е невозможно да се почувствува „природноста“ на квантното однесување.

Универзален дуализам

Сепак, ова искуство важи не само за фотоните. Се покажа дека дуализмот е својство на сета материја и е универзален. Хајзенберг тврдеше дека материјата постои во двете форми наизменично. Денес е апсолутно докажано дека двете својства се појавуваат целосно истовремено.

Корпускуларен бран

Како можеме да го објасниме ова однесување на материјата? Бранот кој е својствен за корпускулите (честичките) се нарекува бран де Брољ, именуван по младиот аристократски научник кој предложил решение за овој проблем. Општо е прифатено дека равенките на Де Брољ опишуваат бранова функција, која, на квадрат, ја одредува само веројатноста дека честичката е во различно времена различни точки во просторот. Едноставно кажано, бранот на Де Брољ е веројатност. Така се воспостави еднаквост помеѓу математичкиот концепт (веројатност) и реалниот процес.

Квантно поле

Што се материја? Во голема мера, ова се кванти на бранови полиња. Фотон - квантен електромагнетно поле, позитрон и електрон - електрон-позитрон, мезон - квант на мезонско поле итн. Интеракцијата помеѓу брановите полиња се објаснува со размена на одредени средни честички меѓу нив, на пример, за време на електромагнетната интеракција има размена на фотони. Од ова директно следува уште една потврда дека брановите процеси опишани од Де Броље се апсолутно реални физички феномени. И дуализмот на честички-бранови не делува како „мистериозна скриена сопственост“ која ја карактеризира способноста на честичките да „реинкарнираат“. Јасно покажува две меѓусебно поврзани дејства - движењето на објектот и брановиот процес поврзан со него.

Ефект на тунел

Двојноста на светлината бран-честичка е поврзана со многу други интересни појави. Насоката на дејство на бранот де Брољ се појавува за време на таканаречениот тунелен ефект, односно кога фотоните продираат низ енергетската бариера. Овој феномен е предизвикан од моментумот на честичките што ја надминува просечната вредност во моментот на брановиот антинод. Тунелирањето овозможи да се развијат многу електронски уреди.


Интерференција на светлосни кванти

Модерна науказборува за интерференцијата на фотоните на истиот мистериозен начин како и за интерференцијата на електроните. Излегува дека фотонот, кој е неделива честичка, може истовремено да помине по која било патека отворена за себе и да се меша со себе. Ако се земе предвид дека двојноста бран-честичка на својствата на материјата и фотонот се бран кој покрива многу структурни елементи, тогаш не е исклучена неговата деливост. Ова е во спротивност со претходните ставови за честичката како елементарна неделива формација. Поседувајќи одредена маса на движење, фотонот формира надолжен бран поврзан со ова движење, кој и претходи на самата честичка, бидејќи брзината на надолжниот бран е поголема од онаа на попречниот електромагнетен бран. Затоа, постојат две објаснувања за интерференцијата на фотонот со себе: честичката е поделена на две компоненти, кои се мешаат една со друга; Фотонскиот бран патува по две патеки и формира шема на пречки. Експериментално беше откриено дека шема на пречки се создава и кога единечни наелектризирани честички-фотони се пренесуваат низ интерферометарот за возврат. Ова ја потврдува тезата дека секој поединечен фотон се меша со себе. Ова особено јасно се гледа кога ќе се земе во предвид фактот дека светлината (ниту кохерентна, ниту монохроматска) е збир на фотони што се емитираат од атомите во меѓусебно поврзани и случајни процеси.

Што е светлина?

Светлосниот бран е електромагнетно нелокализирано поле кое се дистрибуира низ вселената. Електромагнетното поле на бранот има волуметриска густина на енергија која е пропорционална на квадратот на амплитудата. Тоа значи дека енергетската густина може да се промени за која било количина, односно е континуирана. Од една страна, светлината е поток од кванти и фотони (терупи), кои, благодарение на универзалноста на таков феномен како двојност на честички-бранови, ги претставуваат својствата на електромагнетниот бран. На пример, во феноменот на интерференција и дифракција и размери, светлината јасно ги покажува карактеристиките на бранот. На пример, еден фотон, како што е опишано погоре, кој минува низ двоен шлиц создава шема на пречки. Со помош на експерименти, докажано е дека еден фотон не е електромагнетен пулс. Не може да се подели на греди со разделувачи на зраци, како што покажаа француските физичари Аспе, Роже и Гранжие.

Светлината има и корпускуларни својства, кои се манифестираат во ефектот на Комптон и фотоелектричниот ефект. Фотонот може да се однесува како честичка која целосно се апсорбира од објекти чии димензии се многу помали од неговата бранова должина (на пример, атомско јадро). Во некои случаи, фотоните генерално може да се сметаат за точкасти објекти. Не прави разлика од тоа каква позиција ги сметаме за својствата на светлината. Во полето на видот на бојата, протокот на светлина може да дејствува и како бран и како честичка-фотон како енергетски квант. Точка фокусирана на ретинален фоторецептор, како што е мембраната на конусот, може да му дозволи на окото да формира своја сопствена филтрирана вредност како главни спектрални зраци на светлина и да ги сортира по бранови должини. Според квантните енергетски вредности, во мозокот објектната точка ќе се претвори во сензација на боја (фокусирана оптичка слика).

Бранови и корпускуларни својства на елементарните честички

Бранови својства на светлината

Одамна е познато дека светлината има брановидни својства. Роберт Хук, во своето дело Микрографија (1665), ја споредува светлината со ширењето на брановите. Кристијан Хајгенс го објави својот трактат за светлината во 1690 година, во кој ја разви брановата теорија на светлината. Интересно е што Њутн, кој бил запознаен со овие дела, во својот трактат за оптика се убедува себеси и другите дека светлината се состои од честички - трупови. Авторитетот на Њутн извесно време дури го спречуваше признавањето теорија на брановиСвета. Ова е дотолку повеќе изненадувачки бидејќи Њутн не само што слушнал за работата на Хук и Хајгенс, туку и самиот дизајнирал и изработил инструмент на кој го набљудувал феноменот на интерференција, познат денес на секој ученик под името „Њутнови прстени“. Појавите на дифракција и интерференција се едноставно и природно објаснети во теоријата на бранови. Тој, Њутн, мораше да се промени себеси и да прибегне кон „измислување хипотези“ со многу нејасна содржина за да ги натера корпускулите да се движат правилно.

Њутн го постигна својот најголем успех како научник во објаснувањето на движењето на планетите користејќи ги законите на механиката што ги откри. Природно, тој се обиде да ги искористи истите овие закони за да го објасни движењето на светлината, но за да стане возможно, светлината нужно мора да се состои од трупови. Ако светлината се состои од честички, тогаш за нив важат законите на механиката, а за да се пронајдат законите на нивното движење, останува само да се открие кои сили дејствуваат меѓу нив и материјата. Објаснувањето на таквите различни појави како што се движењето на планетите и ширењето на светлината од истите принципи е монументална задача, а Њутн не можеше да си го одземе задоволството од барањето решение. Модерната наука не ја препознава корпускуларната теорија на Њутн, меѓутоа, од објавувањето на работата на Ајнштајн за фотоелектричниот ефект, светлината генерално се смета дека се состои од фотонски честички. Њутн не згрешил што движењето на планетите и ширењето на светлината се управувани од одредени општи принципи кои му биле непознати.

Да се ​​потсетиме на најпознатите експерименти, инструменти и уреди во кои најјасно се манифестира брановата природа на светлината.

1. „Њутнови прстени“.

2. Пречки на светлината додека минува низ две дупки.

3. Пречки на светлина кога се рефлектира од тенки филмови.

4. Различни инструменти и уреди: Френел бипризма, Френел огледала, огледало Лојд; интерферометри: Michelson, Mach-Zehnder, Fabry-Pero.

5. Дифракција на светлината со тесен процеп.

6. Дифракциона решетка.

7. Местото на Поасон.

Сите овие експерименти, инструменти, уреди или појави се добро познати, па затоа нема да се задржуваме на нив. Би сакал да ве потсетам само на еден интересен детал поврзан со името „местото на Поасон“. Поасон беше противник на теоријата на бранови. Со оглед на методот на Френел, тој дошол до заклучок дека ако светлината е бран, тогаш треба да има светла точка во центарот на геометриската сенка на непроѕирен диск. Сметајќи дека овој заклучок е апсурден, тој го изнесе како убедлив приговор на теоријата на бранови. Сепак, ова апсурдно предвидување беше експериментално потврдено од Арагон.

Корпускуларни својства на светлината

Од 1905 година, науката знае дека светлината не е само бран, туку и поток на честички - фотони. Се започна со откривањето на фотоелектричниот ефект.

Фотоелектричниот ефект бил откриен од Херц во 1887 година.

1888 - 1889 година феноменот експериментално го проучувал Столетов.

1898 Ленард и Томпсон открија дека честичките што ги емитува светлината се електрони.

Главниот проблем што фотоелектричниот ефект им го постави на научниците беше тоа што енергијата на електроните исфрлени од супстанцијата од светлината не зависи од интензитетот на светлината што паѓа на супстанцијата. Тоа зависи само од нејзината фреквенција. Класичната бранова теорија не можеше да го објасни овој ефект.

1905 Ајнштајн даде теоретско објаснување за фотоелектричниот ефект, за што ја доби Нобеловата награда во 1921 година.

Според претпоставката на Ајнштајн, светлината се состои од фотони, чија енергија зависи само од фреквенцијата и се пресметува со Планковата формула: . Светлината може да отстрани електрон од супстанција ако фотонот има доволно енергија за тоа. Во овој случај, бројот на фотони што паѓаат на осветлената површина не е важен. Затоа, интензитетот на светлината не е важен за почетокот на фотоелектричниот ефект.

Кога го објаснувал фотоелектричниот ефект, Ајнштајн ја користел познатата хипотеза на Планк. Планк еднаш сугерираше дека светлината се емитува во делови - кванти. Сега Ајнштајн сугерираше дека светлината, згора на тоа, се апсорбира во делови. Оваа претпоставка беше доволна за да се објасни фотоелектричниот ефект. Ајнштајн, сепак, оди подалеку. Тој претпоставува дека светлината се дистрибуира во делови или фотони. Во тоа време немаше експериментална основа за таква изјава.

Најдиректна потврда на хипотезата на Ајнштајн беше дадена од експериментот на Боте.

Во експериментот на Боте, тенка метална фолија F беше поставена помеѓу два бројачи за празнење гас Sch. Фолијата била осветлена со слаб зрак на рендген, под чие влијание и самата станала извор на рендгенско зрачење. Секундарните фотони беа заробени со Гајгерови бројачи. При активирањето на бројачот, сигналот се пренесувал до механизмите М, кои направиле ознака на подвижниот појас L. Доколку секундарното зрачење се емитува во форма на сферични бранови, тогаш двата бројачи би требало да се активираат истовремено. Сепак, искуството покажа дека ознаките на подвижната лента се наоѓаат целосно независно еден од друг. Ова може да се објасни само на еден начин: секундарното зрачење се јавува во форма на поединечни честички кои можат да летаат или во една или во спротивна насока. Затоа, двата бројачи не можат да работат истовремено.

Комптон искуство

Во 1923 година, Артур Холи Комптон, американски физичар, додека го проучувал расејувањето на Х-зраците од различни супстанции, открил дека во зраците што ги расфрла супстанцијата, заедно со првобитното зрачење, има и зраци со поголема бранова должина. Ваквото однесување на Х-зраците е можно само од квантно-механичка гледна точка. Ако рендгенските зраци се состојат од квантни честички, тогаш овие честички, кога се судираат со електрони во мирување, треба да изгубат енергија, исто како што топката што брзо лета губи енергија кога се судира со неподвижна. Летечката топка, откако изгубила енергија, забавува. Фотонот не може да забави, неговата брзина е секогаш еднаква на брзината на светлината, всушност тој самиот е светлина. Но, бидејќи енергијата на фотонот е еднаква на , фотонот реагира на судирот со намалување на неговата фреквенција.

Нека енергијата и моментумот на фотонот пред судирот се:

;

Енергија и импулс на фотон по расејување од електрон:

;

.

Енергија на електрон пред судир со фотон:

Неговиот моментум пред судирот е нула - електронот е во мирување пред судирот.

По судирот, електронот добива импулс и неговата енергија соодветно се зголемува: . Последната релација се добива од еднаквоста: .

Да ја изедначиме енергијата на системот пред судирот на фотон со електрон со енергијата по судирот.

Втората равенка е добиена од законот за зачувување на импулсот. Во овој случај, се разбира, не треба да заборавиме дека моментумот е векторска величина.

;

Да ја трансформираме равенката за зачувување на енергијата

,

и квадрат на десната и левата страна

.

Добиените изрази ги изедначуваме за квадратниот електронски импулс

, од каде добиваме: . Како и обично,

да ја воведеме ознаката .

Количината се нарекува Комптонова бранова должина на електронот и се означува . Со оглед на овие ознаки, можеме да напишеме израз кој го претставува теоретското изведување на експерименталниот резултат на Комптон: .

Хипотезата на Де Брољ и брановите својства на другите честички

Во 1924 година, Де Брогли претпостави дека фотоните не се исклучок. Според де Броље, и другите честички треба да имаат брановидни својства. Згора на тоа, врската помеѓу енергијата и импулсот, од една страна, и брановата должина и фреквенцијата, од друга страна, треба да биде сосема иста како кај електромагнетните фотони.

За фотоните,. Според претпоставката на Де Брољ, бранот на материјата со фреквенција и бранова должина треба да биде поврзан со честичка .

Каков бран беше ова и какво е неговото физичко значење, Де Брољ не можеше да каже. Денес е општо прифатено дека бранот Де Брољ има веројатност и ја карактеризира веројатноста да се најде честичка на различни точки во вселената.

Најинтересно за ова е што брановите својства на честичките се откриени експериментално.

Во 1927 година, Дејвисон и Џамер откриле дифракција на електронските зраци кога се рефлектирале од кристал на никел.

Во 1927 година, синот Џ.Ј. Томсон и, независно, Тартаковски добија шема на дифракција кога електронски сноп помина низ метална фолија.

Последователно, беа добиени и модели на дифракција за молекуларните зраци.

Карактеризацијата на состојбата на електроните во атомот се заснова на позицијата на квантната механика за двојната природа на електронот, кој истовремено има својства на честичка и бран.

За прв пат, природата со двојни честички-бранови беше воспоставена за светлина. Студиите на голем број феномени (зрачење од топли тела, фотоелектричниот ефект, атомските спектри) доведоа до заклучок дека енергијата се емитува и се апсорбира не континуирано, туку дискретно, во посебни делови (кванти). Претпоставката за квантизација на енергијата беше првпат направена од Макс Планк (1900) и поткрепена од Алберт Ајнштајн (1905): квантната енергија (∆E) зависи од фреквенцијата на зрачењето (ν):

∆E = hν, каде што h = 6,63·10 -34 J·s – Планкова константа.

Изедначувајќи ја енергијата на фотонот hν со неговата вкупна енергија mс 2 и земајќи го предвид дека ν = с/λ, добиваме врска што ја изразува врската помеѓу брановите и корпускуларните својства на фотонот:

Во 1924 г Луј де Брољесугерираше дека природата на двојниот корпускуларен бран е вродена не само на зрачењето, туку и на која било материјална честичка: секоја честичка што има маса (m) и се движи со брзина (υ) одговара на процес на бран со бранова должина λ:

λ = ч / мυ (55)

Колку е помала масата на честичките, толку е подолга брановата должина. Затоа, тешко е да се детектираат брановите својства на макрочестичките.

Во 1927 година, американските научници Дејвисон и Гермер, Англичанецот Томсон и советскиот научник Тартаковски независно открија електронска дифракција, што беше експериментална потврда за брановите својства на електроните. Подоцна, откриена е дифракција (интерференција) на α-честички, неутрони, протони, атоми, па дури и молекули. Во моментов, електронската дифракција се користи за проучување на структурата на материјата.

Еден од принципите на брановата механика лежи во брановите својства на елементарните честички: принцип на несигурност (В. Хајзенберг 1925): за мали тела со атомски размери, невозможно е истовремено точно да се одреди положбата на честичката во вселената и нејзината брзина (моментум). Колку попрецизно се одредуваат координатите на честичката, толку е помала сигурна нејзината брзина и обратно. Релацијата на несигурност има форма:

каде ∆х е неодреденост во положбата на честичката, ∆Р x е неодреденост во големината на моментумот или брзината во насоката x. Слични врски се напишани за координатите y и z. Количеството ℏ вклучено во односот на несигурност е многу мало, затоа за макрочестичките неизвесностите во вредностите на координатите и моментите се занемарливи.

Следствено, невозможно е да се пресмета траекторијата на електронот во полето на јадрото; може само да се процени веројатноста за неговото присуство во атомот користејќи бранова функција ψ, што го заменува класичниот концепт на траекторија. Брановата функција ψ ја карактеризира амплитудата на бранот во зависност од координатите на електронот, а нејзиниот квадрат ψ 2 ја одредува просторната дистрибуција на електронот во атомот. Во наједноставната верзија, брановата функција зависи од три просторни координати и овозможува да се одреди веројатноста за наоѓање електрон во атомскиот простор или неговиот орбитален . Така, атомска орбитала (AO) е регионот на атомскиот простор во кој веројатноста да се најде електрон е најголема.

Брановите функции се добиваат со решавање на фундаменталната врска на брановата механика - равенкиШредингер (1926) :

(57)

каде што h е Планковата константа, е променлива вредност, U е потенцијалната енергија на честичката, E е вкупната енергија на честичката, x, y, z се координатите.

Така, квантизацијата на енергијата на микросистемот следи директно од решението на равенката на бранот. Брановата функција целосно ја карактеризира состојбата на електронот.

Брановата функција на системот е функција на состојбата на системот, чиј квадрат е еднаков на густината на веројатноста да се најдат електрони во секоја точка во просторот. Мора да ги задоволува стандардните услови: да биде континуиран, конечен, недвосмислен и да исчезне таму каде што нема електрон.

Се добива точно решение за водородниот атом или јони слични на водород; различни приближувања се користат за повеќеелектронски системи. Површината што ја ограничува веројатноста да се најде електрон или густина на електрони на 90–95% се нарекува гранична површина. Атомската орбитала и густината на електронскиот облак имаат иста гранична површина (облик) и иста просторна ориентација. Атомските орбитали на електрон, нивната енергија и насока во вселената зависат од четири параметри - квантни броеви : главна, орбитална, магнетна и спин. Првите три го карактеризираат движењето на електронот во вселената, а четвртиот - околу сопствената оска.

Квантен бројn – Главната работа . Го одредува нивото на енергија на електронот во атомот, растојанието на нивото од јадрото и големината на електронскиот облак. Прифаќа цели броеви од 1 до ∞ и одговара на бројот на периодот. Од периодниот систем за кој било елемент, според бројот на периодот, можете да го одредите бројот на енергетските нивоа на атомот и кое ниво на енергија е надворешното. Повеќе n, толку е поголема енергијата на интеракција помеѓу електронот и јадрото. На n= 1 атом на водород е во основна состојба, на n> 1 – возбуден. Ако n∞, тогаш електронот го напуштил атомскиот волумен. Се случи јонизација на атомот.

На пример, елементот кадмиум Cd се наоѓа во петтиот период, што значи n=5. Во неговиот атом електроните се распоредени на пет нивоа на енергија(n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); петтото ниво ќе биде надворешно (n = 5).

Бидејќи електронот има, заедно со својствата на бранот и својствата на материјалната честичка, тој има маса m, брзина на движење V и се наоѓа на растојание од јадрото r, има аголен импулс: μ = mVr.

Моментумот е втората (по енергијата) карактеристика на електронот и се изразува преку секундарен (азимутален, орбитален) квантен број.

Орбитален квантен бројл- го одредува обликот на електронскиот облак (сл. 7), енергијата на електронот на поднивото и бројот на енергетските поднивоа. Прифаќа вредности од 0 до n– 1. Освен нумеричките вредности лТоа има ознаки на букви. Електрони со иста вредност лформираат подниво.

Во секое квантно ниво, бројот на поднивоа е строго ограничен и еднаков на бројот на слојот. Поднивоата, како и енергетските нивоа, се нумерирани според нивното растојание од јадрото (Табела 26).

Првите идеи на античките научници за тоа што е светлина беа многу наивни. Имаше неколку гледишта. Некои веруваа дека специјалните тенки пипала излегуваат од очите и дека визуелните впечатоци се појавуваат кога чувствуваат предмети. Оваа гледна точка имаше голем бројследбеници, меѓу кои беа Евклид, Птоломеј и многу други научници и филозофи. Други, напротив, веруваа дека зраците се емитуваат од светло тело и, стигнувајќи до човечкото око, го носат отпечатокот на светлиот предмет. Ова гледиште го имаа Лукрециј и Демокрит.

Во 17 век, речиси истовремено, две целосно различни теорииза тоа што е светлината и каква е нејзината природа. Едната од овие теории се поврзува со името на И. Њутн, а другата со името на Х. Хајгенс.

I. Њутн се придржувал до т.н корпускуларна теорија на светлина, според кој светлината е проток на честички кои доаѓаат од извор во сите правци (пренос на материја).

Според идеите на Х. Хајгенс, светлината е поток од бранови што се шират во посебен, хипотетички медиум - етер, го исполнуваат целиот простор и продираат во сите тела.

Двете теории постоеле паралелно долго време. Никој од нив не можеше да извојува решавачка победа. Само авторитетот на И. Њутн го принуди мнозинството научници да и дадат предност на корпускуларната теорија. Законите за ширење на светлината, познати во тоа време од искуство, беа повеќе или помалку успешно објаснети со двете теории.

Врз основа на корпускуларната теорија, беше тешко да се објасни зошто светлосните зраци, кои се вкрстуваат во вселената, не делуваат еден на друг. На крајот на краиштата, честичките на светлината мора да се судрат и да се расејуваат.

Теоријата за бранови лесно го објасни ова. Брановите, на пример, на површината на водата, слободно минуваат еден низ друг без взаемно влијание.

Сепак, праволиниското ширење на светлината, што доведува до формирање на остри сенки зад предметите, е тешко да се објасни врз основа на теоријата на бранови. Со корпускуларната теорија, праволиниското ширење на светлината е едноставно последица на законот за инерција.

Оваа несигурност во однос на природата на светлината опстојувала до почетокот на XIXвекови, кога беа откриени феномените на дифракција на светлината (светлината свиткување околу пречките) и светлосната интерференција (зголемување или слабеење на осветлувањето кога светлосните зраци се надредени еден на друг). Овие феномени се својствени исклучиво за движењето на брановите. Тие не можат да се објаснат со корпускуларна теорија. Брановите својства на светлината исто така вклучуваат светлосна дисперзија и поларизација. Затоа, се чинеше дека теоријата на бранови извојувала конечна и целосна победа.

Оваа доверба стана особено посилна кога Д. Максвел покажал во втората половина на 19 век дека има светлина посебен случајелектромагнетни бранови. Делата на Д. Максвел ги поставија темелите на електромагнетната теорија на светлината. По експерименталното откритие на електромагнетни бранови од страна на Г. Херц, немаше сомнеж дека кога светлината се шири, таа се однесува како бран. Сепак, на почетокот на 20 век, идеите за природата на светлината почнаа радикално да се менуваат. Неочекувано, се покажа дека отфрлената корпускуларна теорија сè уште е поврзана со реалноста. Кога се емитува и апсорбира, светлината се однесува како млаз од честички. Брановите својства на светлината не можеа да ги објаснат законите на фотоелектричниот ефект.

Настана необична ситуација. Феномените на интерференција, дифракција, поларизација на светлината од конвенционалните извори на светлина непобитно укажуваат на брановите својства на светлината. Сепак, дури и во овие појави, под соодветни услови, светлината покажува корпускуларни својства. За возврат, законите за топлинско зрачење на телата, фотоелектричниот ефект и други неспорно укажуваат дека светлината се однесува не како континуиран, продолжен бран, туку како проток на „групни“ (делови, кванти) енергија, т.е. како поток од честички - фотони.

Така, светлината го комбинира континуитетот на брановите и дискретноста на честичките. Ако се земе предвид дека фотоните постојат само при движење (со брзина c), тогаш доаѓаме до заклучок дека светлината истовремено има и бранови и корпускуларни својства.Но, во некои појави, под одредени услови, главни се или брановите или корпускуларните својства. улогата и светлината можат да земат предвид или бран или честички (корпукули).

Истовременото присуство на бранови и корпускуларни својства во предметите се нарекува двојност бран-честичка.

Бранови својства на микрочестички. Дифракција на електрони

Во 1923 година, францускиот физичар Л. де Броље изнесе хипотеза за универзалноста на двојноста на брановите честички. Де Брогли тврдеше дека не само фотоните, туку и електроните и сите други честички на материјата, заедно со корпускуларните, имаат и брановидни својства.

Според де Броље, секој микрообјект е поврзан, од една страна, со корпускуларни карактеристики - енергија Еи моментум стр, а од друга страна, бранови карактеристики - фреквенција ν и бранова должина λ .

Корпускуларните и брановите карактеристики на микро-објектите се поврзани со истите квантитативни односи како оние на фотонот:

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

Хипотезата на Де Брогли ги постулираше овие односи за сите микрочестички, вклучувајќи ги и оние што имаат маса м. Секоја честичка со импулс била поврзана со процес на бранови со бранова должина \(~\lambda = \dfrac(h)(p)\) . За честички со маса,

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

Во нерелативистичка апроксимација ( υ « в)

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

Хипотезата на Де Броље се засноваше на размислувањата за симетријата на својствата на материјата и немаше експериментална потврда во тоа време. Но, тоа беше моќен револуционерен поттик за развој на нови идеи за природата на материјалните предмети. Во текот на неколку години, голем број на извонредни физичари XX век - развиле В. Хајзенберг, Е. Шредингер, П. Дирак, Н. Бор и други. теоретска основа нова наука, која беше наречена квантна механика.

Првата експериментална потврда на хипотезата на Де Брогли беше добиена во 1927 година од страна на американските физичари К. Дејвисон и Л. Гермер. Тие откриле дека зрак од електрони расеан од кристал на никел произведува посебна шема на дифракција слична на онаа што се создава со расејување на рендгенски зраци со кратки бранови од кристалот. Во овие експерименти, кристалот ја играше улогата на природен дифракциона решетка. По позиција максимум на дифракцијаБеше одредена брановата должина на електронскиот зрак, што се покажа дека е во целосна согласност со формулата на Де Броље.

Следната година, 1928 година, англискиот физичар Џ. Томсон (син на Џ. Томсон, кој го открил електронот 30 години порано) добил нова потврда за хипотезата на Де Брогли. Во своите експерименти, Томсон го набљудуваше моделот на дифракција што се појавува кога електронски зрак поминува низ тенка поликристална златна фолија. На фотографската плоча поставена зад фолијата, јасно беа забележани концентрични светлосни и темни прстени, чии радиуси се менуваа со брзината на електронот (т.е. брановата должина) според Де Броље.

Во следните години, експериментот на Џ. Томсон беше повторен многу пати со истиот резултат, вклучително и во услови кога протокот на електрони беше толку слаб што само една честичка можеше да помине низ уредот истовремено (V.A. Fabrikant, 1948). Така, експериментално беше докажано дека својствата на брановите се својствени не само на голема колекција на електрони, туку и на секој електрон поединечно.

Последователно, беа откриени феномени на дифракција за неутрони, протони, атомски и молекуларни зраци. Експерименталниот доказ за присуството на бранови својства на микрочестички доведе до заклучок дека ова е универзален природен феномен, општ имотматерија. Следствено, својствата на брановите мора да бидат својствени и на макроскопските тела. Меѓутоа, поради големата маса на макроскопски тела, нивните брановидни својства не можат да се откријат експериментално. На пример, дамка од прав со тежина од 10 -9 g што се движи со брзина од 0,5 m/s одговара на бранот на де Брољ со бранова должина од редот од 10 -21 m, т.е. приближно 11 реда на големина помала од големината на атоми. Оваа бранова должина лежи надвор од забележливиот регион. Овој пример покажува дека макроскопските тела можат да покажат само корпускуларни својства.

Така, експериментално потврдената хипотеза на Де Броли за двојноста на брановите честички радикално ги промени идеите за својствата на микро-објектите.

Сите микро-објекти имаат и бранови и корпускуларни својства, но тие не се ниту бран ниту честичка во класична смисла. Различните својства на микрообјектите не се појавуваат истовремено, тие се надополнуваат едни со други, само нивната севкупност целосно го карактеризира микрообјектот. Ова е формулата формулирана од познатиот дански физичар Н.Бор принципот на комплементарност. Грубо можеме да кажеме дека микро-објектите се шират како бранови и разменуваат енергија како честички.

Од гледна точка на теоријата на бранови, максимумите во шемата на дифракција на електрони одговараат на највисокиот интензитет на брановите на Де Брољ. Голем број електрони паѓаат во пределот на максимумите снимени на фотографската плоча. Но, процесот на влегување на електрони на различни места на фотографската плоча не е индивидуален. Фундаментално е невозможно да се предвиди каде ќе падне следниот електрон по расејувањето; постои само одредена веројатност електронот да удри на едно или друго место. Така, опис на состојбата на микрообјектот и неговото однесување може да се даде само врз основа на теоријата на веројатност.

Брановите на Де Брољ не се електромагнетни бранови и немаат аналогија меѓу сите видови бранови проучувани во класична физика, бидејќи тие не се емитуваат од никакви извори на бранови и не се однесуваат на ширењето на кое било поле, како што е електромагнетното или кое било друго. Тие се поврзани со која било подвижна честичка, без разлика дали е електрично наелектризирана или неутрална.