Wstęp

Niemal jednocześnie wysunięto dwie teorie światła: teorię korpuskularną Newtona i teorię fal Huygensa.

Zgodnie z teorią korpuskularną, czyli teorią wypływu, wysuniętą przez Newtona pod koniec XVII wieku, ciała świetliste emitują maleńkie cząstki (cząsteczki), które fruwają prosto we wszystkich kierunkach, a gdy dostaną się do oka, powodują wrażenie światła .

Według teoria falświetliste ciało powoduje, że wszystko się wypełnia przestrzeń świata specjalny ośrodek - eter świata - drgania sprężyste, które rozchodzą się w eterze niczym fale dźwiękowe w powietrzu.

W czasach Newtona i Huygensa większość naukowców trzymała się korpuskularnej teorii Newtona, która w miarę zadowalająco wyjaśniała wszystkie znane wówczas zjawiska świetlne. Odbicie światła wyjaśniono podobnie jak odbicie ciał sprężystych po zderzeniu z płaszczyzną. Załamanie światła wyjaśniono działaniem dużych sił przyciągania na ciałka z gęstszego ośrodka. Pod wpływem tych sił, które według teorii Newtona objawiają się przy zbliżaniu się do gęstszego ośrodka, cząstki lekkie otrzymały przyspieszenie skierowane prostopadle do granicy tego ośrodka, w wyniku czego zmieniły kierunek ruchu i na jednocześnie zwiększyły prędkość. Podobnie wyjaśniono inne zjawiska świetlne.

Następnie pojawiły się nowe obserwacje, które nie pasowały do ​​​​ram tej teorii. W szczególności niespójność tej teorii odkryto, mierząc prędkość propagacji światła w wodzie. Okazało się, że nie więcej, ale mniej niż w powietrzu.

Na początku XIX wieku teoria fal Huygensa, nieuznawana przez współczesnych, została rozwinięta i udoskonalona przez Younga i Fresnela i zyskała powszechne uznanie. W latach 60-tych ubiegłego wieku, po tym jak Maxwell rozwinął teorię pole elektromagnetyczne okazało się, że światło to fale elektromagnetyczne. W ten sposób falową teorię światła zastąpiono falową teorią elektromagnetyczną. Fale świetlne (widmo widzialne) zajmują zakres 0,4–0,7 µm w skali fal elektromagnetycznych. Falowa teoria światła Maxwella, która traktuje promieniowanie jako proces ciągły, nie była w stanie wyjaśnić niektórych nowo odkrytych zjawisk optycznych. Uzupełniła ją kwantowa teoria światła, zgodnie z którą energia fali świetlnej jest emitowana, rozprowadzana i pochłaniana nie w sposób ciągły, ale w określonych porcjach – kwantach świetlnych, czyli fotonach – które zależą jedynie od długości fali świetlnej. Zatem zgodnie ze współczesnymi koncepcjami światło ma zarówno właściwości falowe, jak i korpuskularne.

Zakłócenia światła

Fale wywołujące oscylacje w każdym punkcie przestrzeni z różnicą faz, która nie zmienia się w czasie, nazywane są spójnymi. Różnica faz w tym przypadku ma stałą, ale ogólnie rzecz biorąc różną wartość dla różnych punktów przestrzeni. Jest oczywiste, że tylko fale o tej samej częstotliwości mogą być spójne.

Kiedy w przestrzeni rozchodzi się kilka spójnych fal, generowane przez nie oscylacje w niektórych punktach wzmacniają się, a w innych osłabiają. Zjawisko to nazywa się interferencją fal. Fale o dowolnej naturze fizycznej mogą zakłócać. Przyjrzymy się interferencji fal świetlnych.

Źródła fal spójnych nazywane są również spójnymi. Kiedy pewna powierzchnia jest oświetlona kilkoma spójnymi źródłami światła, na tej powierzchni zazwyczaj pojawiają się naprzemienne jasne i ciemne paski.

Dwa niezależne źródła światła, na przykład dwie lampy elektryczne, nie są spójne. Emitowane przez nie fale świetlne są wynikiem addycji duża ilość fale emitowane przez pojedyncze atomy. Emisja fal przez atomy zachodzi losowo, dlatego nie ma stałych zależności pomiędzy fazami fal emitowanych przez dwa źródła.

Gdy powierzchnia jest oświetlona źródłami niespójnymi, nie pojawia się charakterystyczny dla interferencji wzór naprzemiennych pasów jasnych i ciemnych. Oświetlenie w każdym punkcie okazuje się równe sumie oświetlenia wytworzonego przez każde ze źródeł z osobna.

Spójne fale powstają w wyniku podziału wiązki światła z jednego źródła na dwie lub więcej oddzielnych wiązek.

Interferencję światła można zaobserwować podczas oświetlania płyty przezroczystej o zmiennej grubości, w szczególności płyty w kształcie klina, promieniami monochromatycznymi (jednobarwnymi). Oko obserwatora będzie odbierać fale odbite zarówno od przedniej, jak i tylnej powierzchni płytki. Wynik interferencji zależy od różnicy faz tych i innych fal, która stopniowo zmienia się wraz ze zmianami grubości

dokumentacja. Oświetlenie zmienia się odpowiednio: jeśli różnica w drodze fal zakłócających w pewnym punkcie powierzchni płyty jest równa parzystej liczbie półfal, wówczas w tym miejscu powierzchnia będzie jasna, z różnicą fazową z liczba nieparzysta półfale – ciemne.

Kiedy płasko-równoległą płytkę oświetlimy równoległą wiązką, różnica fazowa fal świetlnych odbitych od jej przedniej i tylnej powierzchni jest we wszystkich punktach taka sama – płyta będzie sprawiać wrażenie równomiernie oświetlonej.

W okolicy styku lekko wypukłego szkła z płaskim szkłem, oświetlonym światłem monochromatycznym, widoczne są ciemne i jasne pierścienie – tzw. pierścienie Newtona. Tutaj najcieńsza warstwa powietrza pomiędzy obydwoma szkłami pełni rolę folii odblaskowej, mającej stałą grubość wzdłuż koncentrycznych okręgów.

Dyfrakcja światła.

Fala świetlna się nie zmienia kształt geometryczny przodu podczas rozmnażania w jednorodnym podłożu. Jeśli jednak światło rozchodzi się w niejednorodnym ośrodku, w którym na przykład znajdują się nieprzezroczyste ekrany, obszary przestrzeni o stosunkowo ostrej zmianie współczynnika załamania światła itp., wówczas obserwuje się zniekształcenie czoła fali. W tym przypadku w przestrzeni następuje redystrybucja natężenia fali świetlnej. Przy oświetlaniu np. nieprzezroczystych ekranów punktowym źródłem światła na granicy cienia, gdzie zgodnie z przepisami optyka geometryczna powinno nastąpić gwałtowne przejście od cienia do światła, obserwuje się wiele ciemnych i jasnych pasków, część światła przenika w obszar cienia geometrycznego. Zjawiska te związane są z dyfrakcją światła.

Zatem dyfrakcja światła w wąskim znaczeniu to zjawisko załamania się światła wokół konturu ciał nieprzezroczystych i wchodzenia światła w obszar cienia geometrycznego; V w szerokim znaczeniu- wszelkie odchylenia w propagacji światła od praw optyki geometrycznej.

Definicja Sommerfelda: przez dyfrakcję światła rozumie się każde odchylenie od propagacji prostoliniowej, jeżeli nie można go wytłumaczyć w wyniku odbicia, załamania lub załamania promieni świetlnych w ośrodkach o stale zmieniającym się współczynniku załamania światła.

Jeśli ośrodek zawiera drobne cząstki (mgła) lub współczynnik załamania światła zmienia się zauważalnie na odległościach rzędu długości fali, wówczas w takich przypadkach mówimy o rozpraszaniu światła i nie używa się terminu „dyfrakcja”.

Istnieją dwa rodzaje dyfrakcji światła. Badając obraz dyfrakcyjny w punkcie obserwacyjnym znajdującym się w skończonej odległości od przeszkody, mamy do czynienia z dyfrakcją Fresnela. Jeżeli punkt obserwacyjny i źródło światła znajdują się na tyle daleko od przeszkody, że promienie padające na przeszkodę i promienie docierające do punktu obserwacyjnego można uznać za wiązki równoległe, wówczas mówimy o dyfrakcji promieni równoległych – dyfrakcji Fraunhofera.

Teoria dyfrakcji uwzględnia procesy falowe w przypadkach, gdy na drodze propagacji fali występują przeszkody.

Korzystając z teorii dyfrakcji, rozwiązano problemy takie jak ochrona przed hałasem za pomocą ekranów akustycznych, propagacja fal radiowych po powierzchni Ziemi, działanie przyrządów optycznych (ponieważ obraz oddawany przez soczewkę jest zawsze obrazem dyfrakcyjnym), pomiary jakości powierzchni, badanie struktury materii i wiele innych zostało rozwiązanych.

Polaryzacja światła

Zjawiska interferencji i dyfrakcji, które posłużyły do ​​uzasadnienia falowa naturaświatło, nie dają jeszcze pełnego pojęcia o naturze fal świetlnych. Nowe cechy odkrywa przed nami doświadczenie przepuszczania światła przez kryształy, w szczególności przez turmalin.

Weźmy dwie identyczne prostokątne płytki turmalinu, przycięte tak, aby jeden z boków prostokąta pokrywał się z określonym kierunkiem wewnątrz kryształu, zwanym osią optyczną. Połóżmy jedną płytkę na drugiej tak, aby ich osie pokrywały się w kierunku i przepuśćmy przez złożoną parę płytek wąską wiązkę światła z latarni lub słońca. Ponieważ turmalin jest brązowo-zielonym kryształem, ślad transmitowanej wiązki pojawi się na ekranie w postaci ciemnozielonej plamki. Zacznijmy obracać jedną z płytek wokół belki, drugą pozostawiając nieruchomą. Przekonamy się, że ślad wiązki słabnie, a gdy obrócimy płytkę o 90 0, zniknie całkowicie. Przy dalszym obrocie tablicy światło mijania ponownie zacznie się nasilać i osiągnie poprzednią intensywność, gdy płyta obróci się o 180 0, tj. gdy osie optyczne płytek znów są równoległe. Wraz z dalszym obrotem turmalinu wiązka ponownie słabnie.

Wszystkie zaobserwowane zjawiska można wyjaśnić, jeśli wyciągnie się następujące wnioski.

1) Drgania światła w wiązce są skierowane prostopadle do linii propagacji światła (fale świetlne są poprzeczne).

2) Turmalin jest w stanie przenosić wibracje świetlne tylko wtedy, gdy są one skierowane w określony sposób względem jego osi.

3) W świetle latarni (słońca) występują drgania poprzeczne o dowolnym kierunku i to w tej samej proporcji, tak że żaden kierunek nie dominuje.

  • 8. Urządzenia zakłócające i ich zastosowania.
  • 9. Zasada Huygensa-Fresnela.
  • 10. Metoda strefowa Fresnela.
  • 11. Zjawisko dyfrakcji. Dyfrakcja Fresnela na okrągłym otworze.
  • Dyfrakcja Fresnela na okrągłych otworach
  • 12. Zjawisko dyfrakcji. Dyfrakcja Fresnela na nieprzezroczystym dysku.
  • 14. Siatka dyfrakcyjna. Główne i dodatkowe wzloty i upadki.
  • 15. Obliczanie wzoru siatki dyfrakcyjnej
  • 16. Zastosowanie siatki dyfrakcyjnej. Rezolucja.
  • Zastosowanie zjawisk świetlnych
  • 17. Dyfrakcja promieni rentgenowskich.
  • 18. Podstawy hologramów.
  • 19. Rozproszenie światła.
  • 33. Kwantowa teoria Plancka. Wzór Plancka.
  • 20. Elektronowa teoria rozproszenia światła.
  • 21. Absorpcja światła. Prawo Bouguera.
  • W przezroczystych ośrodkach izotropowych i w kryształach sześciennych. Systemy mogą doświadczać podwójnego załamania pod wpływem wpływów zewnętrznych. Wpływ, w szczególności dzieje się to w przypadku futra. Difora. telewizja Tel.
  • 27. Obrót płaszczyzny polaryzacji. Efekt Faradaya.
  • 28. Promieniowanie cieplne i jego charakterystyka.
  • 29. Prawo Kirchhoffa dla promieniowania równowagowego.
  • 30 Całkowicie czarne ciało. Prawo Stefana-Boltzmanna.
  • 72. Reakcje jądrowe i prawa zachowania.
  • 31. Absolutnie czarne ciało. Prawo przemieszczenia Wiena.
  • 32. Absolutnie czarne ciało. Formuła Rayleigha-Jeansa.
  • 34. Zewnętrzny efekt fotoelektryczny i jego prawa.
  • 35. Równanie Einsteina na zewnętrzny efekt fotoelektryczny.
  • 36. Model atomu Rutherforda i jego wady.
  • 37. Prawidłowości w widmie emisyjnym atomu wodoru.
  • 38. Postulaty Bohra. Model atomu Bohra.
  • 39. Dualizm falowo-cząsteczkowy właściwości materii.
  • 44. Równanie Schrödingera dla stanów stacjonarnych.
  • 40. Fale De Broglie'a i ich właściwości.
  • 41. Relacja niepewności Heisenberga.
  • 42. Funkcja falowa i jej znaczenie statyczne.
  • 43. Ogólne równanie Schrödingera nierelatywistycznej mechaniki kwantowej
  • 45. Przejście cząstki przez barierę potencjału.
  • 46. ​​​​Rozwiązanie równania Schrödingera dla atomów wodoru
  • 47. Liczby kwantowe, ich znaczenie fizyczne.
  • 49. Elektron spinowy. Spinowa liczba kwantowa.
  • 48. Rozkład przestrzenny elektronu w atomie wodoru.
  • 50. Zasada Pauliego. Rozkład elektronów w atomie według stanów.
  • 55. Spontaniczna i wymuszona emisja fotonów.
  • 51. Układ okresowy Mendelejewa.
  • 52. Widma rentgenowskie. Charakter ciągłych i charakterystycznych widm rentgenowskich.
  • 73. Reakcja rozszczepienia jądrowego.
  • 53. Fizyczna natura wiązań chemicznych w cząsteczkach. Pojęcie poziomów energii.
  • 54. Widma oscylacyjne i rotacyjne cząsteczek.
  • 56. Zasada działania generatora kwantowego.
  • 57. Lasery na ciele stałym i wyładowcze. Ich zastosowanie.
  • 58. Fonony. Pojemność cieplna sieci krystalicznej.
  • 59. Elementy teorii pasmowej w kryształach.
  • 60. Pasma energetyczne w kryształach. Pasma walencyjne i przewodnictwa.
  • 61. Wypełnianie pasm: dielektryki, przewodniki, półprzewodniki według teorii pasmowej.
  • 63. Podstawy kwantowej teorii przewodnictwa elektrycznego metalu. Nadprzewodnictwo.
  • 66. Półprzewodniki elektroniczne i dziurkowe.
  • 62. Pojęcie statystyki kwantowej Fermiego-Diraca. Poziom Fermiego.
  • 64. Przewodnictwo wewnętrzne półprzewodników.
  • 65. Przewodnictwo zanieczyszczeń półprzewodników.
  • 67. Kontakt półprzewodników elektronowych i dziurowych...
  • 68. Budowa jąder atomowych. Liczby masy i ładunku. Nukleony.
  • 69. Oddziaływanie nukleonów. Właściwości i natura sił jądrowych.
  • 71. Zasady offsetowe. Α-rozpad. Interkonwersje...
  • 70. Promieniotwórczość naturalna. Prawo rozpadu promieniotwórczego.
  • 75. Reakcja termojądrowa i problemy jej sterowania.
  • 76. Cząstki elementarne. Promieniowanie kosmiczne. ...
  • 74. Reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego. Reaktor jądrowy.
  • 39. Dualizm falowo-cząsteczkowy właściwości materii.

    Dualizm cząstkowo-falowy właściwości promieniowania EM. Oznacza to, że naturę światła można rozpatrywać z dwóch stron: z jednej strony jest to fala, której właściwości przejawiają się w prawach propagacji światła, interferencji, dyfrakcji, polaryzacji. Z drugiej strony światło to strumień cząstek, które mają energię i pęd. Korpuskularne właściwości światła przejawiają się w procesach oddziaływania światła z materią (efekt fotoelektryczny, efekt Comptona).

    Analizując można zrozumieć, że im dłuższa długość fali l, tym niższa energia (od E = hс/l), im mniejszy impuls, tym trudniej jest wykryć właściwości kwantowe Swieta.

    Im mniejsze l => im większa energia fotonu E, tym trudniej jest go wykryć właściwości fal Swieta.

    Zależność między właściwościami podwójnej fali cząsteczkowej światła można wyjaśnić, jeśli do rozważenia wzorców rozkładu światła zastosuje się podejście statystyczne.

    Na przykład dyfrakcja światła na szczelinie: gdy światło przechodzi przez szczelinę, fotony są ponownie rozprowadzane w przestrzeni. Ponieważ prawdopodobieństwo trafienia fotonu w różne punkty na ekranie nie jest takie samo, pojawia się obraz dyfrakcyjny. Oświetlenie ekranu (liczba padających na niego fotonów) jest proporcjonalne do prawdopodobieństwa trafienia fotonu w ten punkt. Z drugiej strony oświetlenie ekranu jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy fali I~E 2 . Dlatego kwadrat amplitudy fali świetlnej w danym punkcie przestrzeni jest miarą prawdopodobieństwa uderzenia fotonu w ten punkt przestrzeni.

    44. Równanie Schrödingera dla stanów stacjonarnych.

    Równanie (217,5) zwane równaniem Schrödingera dla stanów stacjonarnych. Równanie to uwzględnia energię całkowitą jako parametr mi cząsteczki. W teorii równań różniczkowych udowadnia się, że równania takie mają nieskończoną liczbę rozwiązań, z których poprzez narzucenie warunków brzegowych wybiera się rozwiązania posiadające znaczenie fizyczne. Dla równania Schrödingera takie warunki są warunkami regularności funkcji falowych: funkcje falowe muszą być skończone, jednowartościowe i ciągłe wraz z ich pierwszymi pochodnymi. Zatem tylko te rozwiązania, które są wyrażone funkcjami regularnymi, mają prawdziwe znaczenie fizyczne  Ale rozwiązania regularne nie mają miejsca dla żadnych wartości parametru E, o tylko dla pewnego ich zestawu, charakterystycznego dla danego zadania. Te wartości energetyczne nazywane są własny. Rozwiązania, które odpowiadają własny nazywane są wartościami energetycznymi własne funkcje. Wartości własne mi mogą tworzyć ciągłą lub dyskretną serię. W pierwszym przypadku mówimy ciągły, Lub widmo ciągłe w sekundę - o widmie dyskretnym.

    40. Fale De Broglie'a i ich właściwości.

    De Broglie argumentował, że nie tylko fotony, ale także elektrony i wszelkie inne cząstki materii, w tym cząstki korpuskularne, również mają właściwości falowe. Tak więc, według de Broglie, z każdy mikroobiekt z jednej strony są ze sobą powiązane korpuskularny charakterystyka - energia mi i pęd R, a z drugiej - charakterystyka fal- częstotliwość v i długość fali DO. Zależności ilościowe łączące właściwości korpuskularne i falowe cząstek są takie same jak dla fotonów: mi= hv, P= H/ . (213.1) Śmiałość hipotezy de Broglie'a polegała właśnie na tym, że zależność (213.1) postulowano nie tylko dla fotonów, ale także dla innych mikrocząstek, w szczególności tych, które posiadają masę spoczynkową. Zatem każda cząstka posiadająca pęd jest powiązana z procesem falowym o określonej długości fali zgodnie ze wzorem de Broglie’a: = H/ P. (213.2) Zależność ta obowiązuje dla każdej cząstki posiadającej pęd R. Wkrótce hipoteza de Broglie została potwierdzona eksperymentalnie. (K. Davisson, L. Germer) odkryli, że wiązka elektronów rozproszona z naturalnej siatki dyfrakcyjnej – kryształu niklu – daje wyraźny obraz dyfrakcyjny. Maksima dyfrakcyjne odpowiadały wzorowi Wulffa-Bragga (182,1), a długość fali Bragga okazała się dokładnie równa długości fali obliczonej ze wzoru (213,2). Następnie wzór de Broglie został potwierdzony eksperymentami P. S. Tartakovsky'ego i G. Thomsona, którzy zaobserwowali wzór dyfrakcyjny, gdy wiązka szybkich elektronów (energia  50 keV) przechodziła przez metalową folię (grubość  1 μm). Ponieważ wzór dyfrakcyjny badano dla przepływu elektronów, konieczne było udowodnienie, że właściwości falowe są nieodłącznie związane nie tylko z przepływem dużego zbioru elektronów, ale także z każdym elektronem z osobna. Zostało to eksperymentalnie potwierdzone w 1948 roku. Fizyk radziecki VA Fabrikant (ur. 1907). Pokazał, że nawet w przypadku tak słabej wiązki elektronów, gdy każdy elektron przechodzi przez urządzenie niezależnie od pozostałych (odstęp czasu pomiędzy dwoma elektronami jest 10 4 razy dłuższy niż czas przejścia elektronu przez urządzenie) , obraz dyfrakcyjny powstały podczas długiego naświetlania nie różni się od wzorów dyfrakcyjnych uzyskanych przy krótkim naświetleniu przepływami elektronów dziesiątki milionów razy intensywniejszymi. W rezultacie właściwości falowe cząstek nie są własnością ich zbiorowości, ale są nieodłącznie związane z każdą cząstką indywidualnie. Następnie odkryto także zjawiska dyfrakcyjne dla neutronów, protonów oraz wiązek atomowych i molekularnych. Eksperymentalny dowód obecności falowych właściwości mikrocząstek doprowadził do wniosku, że mamy przed sobą zjawisko uniwersalne, ogólną właściwość materii. Ale w takim razie właściwości fal muszą być również nieodłączne od ciał makroskopowych. Dlaczego nie odkryto ich eksperymentalnie? Na przykład cząstka o masie 1 g poruszająca się z prędkością 1 m/s odpowiada fali de Broglie'a o =6,62 · 10 -31 m. Ta długość fali leży poza obszarem dostępnym do obserwacji (struktury okresowe z okresem d10 -31 m nie istnieje). Dlatego uważa się, że ciała makroskopowe wykazują tylko jedną stronę swoich właściwości – korpuskularną – i nie wykazują falowej. Ideę podwójnej cząstkowo-falowej natury cząstek materii pogłębia fakt, że połączenie pomiędzy całkowitą energią cząstki jest przenoszone na cząstki materii G oraz częstotliwość v fal de Broglie’a: e=hv. (213.3) Oznacza to, że związek energii i częstotliwości we wzorze (213.3) ma charakter uniwersalny współczynnik, obowiązuje zarówno dla fotonów, jak i innych mikrocząstek. Trafność zależności (213.3) wynika ze zgodności z doświadczeniem wyników teoretycznych, które za jej pomocą uzyskano w mechanice kwantowej, fizyce atomowej i jądrowej. Potwierdzona eksperymentalnie hipoteza De Broglie'a o dualizmie falowo-cząsteczkowym właściwości materii radykalnie zmieniła wyobrażenie o właściwościach mikroobiektów. Wszystkie mikroobiekty mają zarówno właściwości korpuskularne, jak i falowe; jednocześnie żadnej z mikrocząstek nie można uznać ani za cząstkę, ani za falę w klasycznym znaczeniu. Nowoczesną interpretację dualizmu korpuskularno-falowego można wyrazić słowami radzieckiego fizyka teoretycznego V. A. Focka (1898-1974): „Możemy powiedzieć, że dla obiektu atomowego istnieje potencjalna możliwość zamanifestowania się, w zależności od warunków zewnętrznych, albo jako fala, albo jako cząstka, albo w sposób pośredni. To jest w tym potencjalna szansa różne przejawy właściwości właściwych mikroobiektowi stanowią dualizm falowo-cząsteczkowy. Każde inne, bardziej dosłowne rozumienie tego dualizmu w postaci jakiegoś modelu jest błędne”.

    Podobnie są z właściwościami korpuskularnymi (kwantowymi).

    Idea dualizmu korpuskularno-falowego została wykorzystana w rozwoju mechaniki kwantowej do interpretacji zjawisk obserwowanych w mikrokosmosie w kategoriach klasycznych pojęć. Zgodnie z twierdzeniem Ehrenfesta, kwantowe odpowiedniki układu równań kanonicznych Hamiltona dla makrocząstek prowadzą do zwykłych równań mechaniki klasycznej. Dalszym rozwinięciem zasady dualizmu korpuskularno-falowego była koncepcja pól skwantowanych w kwantowej teorii pola.

    Eksperyment pokazuje jednak, że foton nie jest krótkim impulsem promieniowanie elektromagnetyczne na przykład nie można go podzielić na kilka wiązek za pomocą optycznych rozdzielaczy wiązek, co wyraźnie pokazał eksperyment przeprowadzony przez francuskich fizyków Grangiera, Rogera i Aspe w 1986 roku. Korpuskularne właściwości światła objawiają się efektem fotoelektrycznym i efektem Comptona. Foton zachowuje się również jak cząstka, która jest emitowana lub całkowicie pochłaniana przez obiekty, których wymiary są znacznie mniejsze niż długość fali (na przykład jądra atomowe) lub ogólnie można ją uznać za punktową (na przykład elektron).

    Teraz koncepcja dualizm korpuskularno-falowy ma wyłącznie znaczenie historyczne, gdyż po pierwsze niewłaściwe jest porównywanie i/lub przeciwstawianie obiektu materialnego (np. promieniowania elektromagnetycznego) i sposobu jego opisu (korpuskularny lub falowy); po drugie, liczba sposobów opisu obiektu materialnego może być większa niż dwa (korpuskularny, falowy, termodynamiczny, ...), tak że sam termin „dualizm” staje się niepoprawny. W momencie powstania koncepcja dualności falowo-cząsteczkowej służyła jako sposób interpretacji zachowania obiektów kwantowych, wybierając analogie z fizyki klasycznej. Tak naprawdę obiekty kwantowe nie są ani klasycznymi falami, ani klasycznymi cząstkami, uzyskując właściwości pierwszego lub drugiego jedynie w pewnym przybliżeniu. Metodologicznie poprawne jest sformułowanie teorii kwantów poprzez całki po drodze (propagator), wolne od stosowania klasycznych pojęć.

    Encyklopedyczny YouTube

    • 1 / 5

      Dowolny przedmiot materialny świat fizyczny posiada zarówno korpuskularną (energię mi (\ displaystyle E), impuls p → (\ Displaystyle (\ vec (p))), prędkość v → (\ Displaystyle (\ vec (v))) cząstki) i falę (częstotliwość ω (\ displaystyle \ omega), wektor falowy k → (\ Displaystyle (\ vec (k))) fale de Broglie'a, prędkość grupowa v sol r → (\ Displaystyle (\ vec (v_ (gr))))) fale) właściwości. Są one powiązane ze sobą relatywistycznie niezmiennymi relacjami:

      mi = ℏ ω (\ displaystyle E = \ hbar \ omega) p → = ℏ k → (\ Displaystyle (\ vec (p)) = \ hbar (\ vec (k)})

      Tutaj ℏ (\ displaystyle \ hbar)- Stała Plancka.

      W tym przypadku prędkość cząstki jest równa prędkości grupowej fali de Broglie'a odpowiedniej fali:

      v → = v sol r → (\ Displaystyle (\ vec (v)) = (\ vec (v_ (gr)}}

      W formie czterowymiarowej wzory te odnoszą się do czterowektorowego pędu energii p μ (\ Displaystyle p ^ (\ mu)) z czterowymiarowym wektorem falowym i mają postać:

      p μ = (p 0 p 1 p 2 p 3) = (E / do p x p y p z) = ℏ (ω / do k x k y k z) . (\ Displaystyle p ^ (\ mu) = (\ początek (pmatrix) p_ (0) \\ p_ (1) \\ p_ (2) \\ p_ (3) \ koniec (pmatrix)) = (\ początek (pmatrix )E/c\\p_(x)\\p_(y)\\p_(z)\end(pmatrix))=\hbar (\begin(pmatrix)\omega /c\\k_(x)\\k_ (y)\\k_(z)\end(pmatrix)).)

      Energia i pęd dowolnego obiektu materialnego są powiązane zależnością:

      mi 2 do 2 = m 2 do 2 + p x 2 + p y 2 + p z 2 (\ Displaystyle (\ Frac (E ^ (2)) (c ^ (2))) = m ^ (2) c ^ (2) +p_(x)^(2)+p_(y)^(2)+p_(z)^(2))

      Częstotliwość i wektor falowy są powiązane podobną zależnością:

      ω 2 do 2 = m 2 do 2 ℏ 2 + k x 2 + k y 2 + k z 2 (\ Displaystyle (\ Frac (\ omega ^ (2)) (c ^ (2))) = (\ Frac (m ^ ( 2)c^(2))(\hbar ^(2)))+k_(x)^(2)+k_(y)^(2)+k_(z)^(2))

      Historia rozwoju

      Można powiedzieć, że obiekt atomowy ma potencjał, aby zamanifestować się, w zależności od warunków zewnętrznych, albo jako fala, albo jako cząstka, albo w sposób pośredni. Na tej potencjalnej możliwości różnorodnych przejawów właściwości właściwych mikroobiektowi polega dualizm falowo-cząsteczkowy. Każde inne, bardziej dosłowne rozumienie tego dualizmu w postaci jakiegoś modelu jest błędne.

      Dualizm falowo-cząsteczkowy światła

      Zjawiska takie jak interferencja i dyfrakcja światła dostarczają przekonujących dowodów na falową naturę światła. Jednocześnie prawa równowagowego promieniowania cieplnego, efektu fotoelektrycznego i efektu Comptona można z powodzeniem interpretować z klasycznego punktu widzenia jedynie w oparciu o wyobrażenia o świetle jako przepływie dyskretnych fotonów. Jednak falowe i korpuskularne metody opisu światła nie są ze sobą sprzeczne, lecz się uzupełniają, ponieważ światło ma jednocześnie właściwości falowe i korpuskularne.

      Właściwości falowe światła odgrywają decydującą rolę w wzorach jego interferencji, dyfrakcji, polaryzacji, a właściwości korpuskularne - w procesach oddziaływania światła z materią. Im dłuższa długość fali światła, tym niższy pęd i energia fotonu oraz tym trudniej jest wykryć korpuskularne właściwości światła. Na przykład zewnętrzny efekt fotoelektryczny występuje tylko przy energiach fotonów większych lub równych funkcji pracy elektronu z substancji. Im krótsza długość fali promieniowania elektromagnetycznego, tym większa energia i pęd fotonów oraz tym trudniej jest wykryć właściwości falowe tego promieniowania. Na przykład promieniowanie rentgenowskie ugina się tylko na bardzo „cienkiej” siatka dyfrakcyjna - sieci krystalicznej ciało stałe. W 1909 roku angielski naukowiec Geoffrey Ingram Taylor przeprowadził eksperyment z wykorzystaniem wyjątkowo słabego źródła światła i odkrył, że zachowanie fal jest nieodłącznie związane z pojedynczymi fotonami.

      Fale De Broglie’a

      p = godz 2 π k = ℏ k , (\ Displaystyle \ mathbf (p) = (\ Frac (h) (2 \ pi)) \ mathbf (k) = \ hbar \ mathbf (k) ,)

      Gdzie k = 2 π λ n (\ Displaystyle \ mathbf (k) = (\ Frac (2 \ pi) (\ lambda)) \ mathbf (n) )- wektor falowy, którego moduł k = 2 π λ (\ Displaystyle k = (\ Frac (2 \ pi) (\ lambda)})- liczba falowa - to liczba pasujących długości fal 2 π (\ Displaystyle 2 \ pi) jednostki długości, n (\ displaystyle \ mathbf (n))- wektor jednostkowy w kierunku propagacji fali, ℏ = godz 2 π = 1, 05 ⋅ 10 - 34 (\ Displaystyle \ hbar = (\ Frac (h) (2 \ pi)) = 1 (,) 05 \ cdot 10 ^ (-34)} J·s.

      Prędkość fazowa fal de Broglie'a cząstki swobodnej

      v fa = ω k = mi p = m do 2 m v = do 2 v ≃ do 2 godz m λ = do 2 p 2 2 W godz λ , (\ Displaystyle v_ (f) = (\ Frac (\ omega) (k)) = (\frac (E)(p))=(\frac (mc^(2))(mv))=(\frac (c^(2))(v))\simeq (\frac (c^(2) ))(h))m\lambda =(\frac (c^(2)p^(2))(2Wh))\lambda ,)

      Gdzie ω = 2 π ν (\ Displaystyle \ omega = 2 \ pi \ nu)- częstotliwość cykliczna, W (\ displaystyle W)- energia kinetyczna cząstki swobodnej, mi (\ displaystyle E)- całkowita (relatywistyczna) energia cząstki, p = m v 1 - v 2 do 2 (\ Displaystyle p = (\ Frac (mv) (\ sqrt (1- (\ Frac (v ^ (2)) (c ^ (2)))))))- pęd cząstki, m (\ displaystyle m), v (\ displaystyle v)- odpowiednio jego masę i prędkość, λ (\ displaystyle \ lambda)- długość fali de Broglie'a. Ostatnie relacje są przybliżeniem nierelatywistycznym. Zależność prędkości fazowej fal de Broglie'a od długości fali wskazuje, że fale te mają równą prędkość cząstce v (\ displaystyle v):

      u = re ω re k = re mi re p = v (\ Displaystyle u = (\ Frac (d \ omega) (dk)) = (\ Frac (dE) (dp)) = v).

      Zależność pomiędzy energią cząstek mi (\ displaystyle E) i częstotliwość ν (\ displaystyle \ nu) fali de Broglie'a, zgodnie z którą cząstki wpadają w określone miejsca w odbiornikach - tam, gdzie natężenie fali de Broglie'a jest największe. Cząstek nie wykrywa się tam, gdzie zgodnie z interpretacją statystyczną znika kwadrat modułu amplitudy „fali prawdopodobieństwa”.

      Dualizm falowo-cząsteczkowy światła oznacza, że ​​światło ma jednocześnie właściwości ciągłych fal elektromagnetycznych i właściwości dyskretnych fotonów. Ten fundamentalny wniosek został wysunięty przez fizyków w XX wieku i wynikał z wcześniejszych poglądów na temat światła. Newton uważał, że światło to strumień ciałek, czyli strumień cząstek materii lecących po linii prostej. Teoria ta dobrze wyjaśnia prostoliniową propagację światła. Pojawiły się jednak trudności w wyjaśnieniu praw odbicia i załamania światła, a zjawisk dyfrakcji i interferencji w ogóle nie można było wyjaśnić za pomocą teorii korpuskularnej. Dlatego powstała falowa teoria światła. Teoria ta wyjaśniała dyfrakcję i interferencję, ale miała trudności z wyjaśnieniem światła prostego. Dopiero w XIX wieku J. Fresnelowi, korzystając z odkryć innych fizyków, udało się połączyć wyprowadzone już zasady w jedną teorię, według której światło jest poprzeczną falą mechaniczną. Później Maxwell odkrył, że światło jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego. Jednak na początku XX wieku, dzięki odkryciom Einsteina, poglądy na temat światła ponownie się zmieniły. Światło zaczęto rozumieć jako strumień fotonów. Jednak pewne właściwości światła zostały doskonale wyjaśnione przez teorię fal. Światło ma zarówno właściwości korpuskularne, jak i falowe. W tym przypadku istnieją następujące prawidłowości: im krótsza długość fali, tym jaśniejsze są właściwości korpuskularne, im dłuższa długość fali, tym jaśniejsze są właściwości fali.

      Według de Broglie’a każdy mikroobiekt jest powiązany z jednej strony z charakterystyką korpuskularną – energią E i pędem p, z drugiej zaś z charakterystyką falową – częstotliwością i długością fali.

      W 1924 roku francuski fizyk L. de Broglie postawił odważną hipotezę: dualizm falowo-cząsteczkowy ma charakter uniwersalny, tj. wszystkie cząstki posiadające skończony pęd P mają właściwości falowe. Tak to wyglądało w fizyce słynna formuła de Broglie, gdzie m jest masą cząstki, V jest jej prędkością, h jest stałą Plancka.

      Więc, właściwości korpuskularne i falowe mikroobiektu są nie do pogodzenia ze względu na ich równoczesne występowanie, jednakże w równym stopniu charakteryzują obiekt, tj. wzajemnie się uzupełniają. Idea ta została wyrażona przez N. Bohra i stała się ona podstawą najważniejszej zasady metodologicznej współczesnej nauki, która obejmuje obecnie nie tylko nauk fizycznych, ale także wszystkie nauki przyrodnicze - zasada komplementarności (1927). Esencja Zasada komplementarności według N. Bohra sprowadza się do tego, co następuje: bez względu na to, jak daleko zjawiska wychodzą poza klasyczne wyjaśnienia fizyczne, wszystkie dane eksperymentalne muszą być opisane przy użyciu klasycznych pojęć. Dla pełny opis zjawisk mechaniki kwantowej konieczne jest zastosowanie dwóch wzajemnie wykluczających się (dodatkowych) zbiorów klasycznych pojęć, których połączenie daje najwięcej pełna informacja o tych zjawiskach jako o charakterze całościowym.

      Zasada komplementarności ogólna zasada wiedzę można sformułować następująco: każde prawdziwe zjawisko przyrodnicze nie daje się jednoznacznie zdefiniować słowami naszego języka i wymaga do jego zdefiniowania co najmniej dwóch, wzajemnie wykluczających się, dodatkowych pojęć. Do zjawisk takich zaliczają się np. zjawiska kwantowe, życie, psychika itp. Bohr w szczególności widział potrzebę stosowania zasady komplementarności w biologii, co wynika niezwykle złożona struktura i funkcje organizmów żywych, które zapewniają im niemal niewyczerpane ukryte możliwości.

      Jeśli myślałeś, że odeszliśmy w zapomnienie z naszymi oszałamiającymi tematami, śpieszymy Cię rozczarować i uszczęśliwić: myliłeś się! Tak naprawdę przez cały ten czas próbowaliśmy znaleźć akceptowalną metodę przedstawiania szalonych tematów związanych z paradoksami kwantowymi. Napisaliśmy kilka wersji roboczych, ale wszystkie zostały wyrzucone na zimno. Bo jeśli chodzi o wyjaśnianie dowcipów o kwantach, sami jesteśmy zdezorientowani i przyznajemy, że niewiele rozumiemy (a w ogóle niewiele osób rozumie tę kwestię, łącznie z fajnymi naukowcami na świecie). Niestety, świat kwantowy jest tak obcy światopoglądowi filistyńskiemu, że wcale nie jest wstydem przyznać się do nieporozumienia i spróbować trochę razem zrozumieć przynajmniej podstawy.

      I choć jak zwykle postaramy się jak najdokładniej porozmawiać obrazami z Google, niedoświadczony czytelnik będzie potrzebował wstępnego przygotowania, dlatego polecamy zapoznać się z naszymi poprzednimi tematami, szczególnie dotyczącymi kwantów i materii.
      Specjalnie dla humanistów i innych zainteresowanych - paradoksy kwantowe. Część 1.

      W tym temacie porozmawiamy o najczęstszej zagadce świata kwantowego - dualizmie falowo-cząsteczkowym. Kiedy mówimy „najzwyklejszy”, mamy na myśli, że fizycy byli już tym tak zmęczeni, że nie wydaje się to nawet tajemnicą. Ale to wszystko dlatego, że inne paradoksy kwantowe są jeszcze trudniejsze do zaakceptowania dla przeciętnego umysłu.

      I było tak. W starych, dobrych czasach, gdzieś w połowie XVII wieku, Newton i Huygens nie zgadzali się co do istnienia światła: Newton bezwstydnie oświadczył, że światło jest strumieniem cząstek, a stary Huygens próbował udowodnić, że światło jest falą. Newton był jednak bardziej autorytatywny, więc jego stwierdzenie na temat natury światła uznano za prawdziwe, a Huygensa wyśmiano. Przez dwieście lat światło uważano za strumień nieznanych cząstek, których naturę mieli nadzieję pewnego dnia odkryć.

      Na początku XIX wieku orientalista Thomas Young zajmował się instrumentami optycznymi – w rezultacie podjął i przeprowadził eksperyment, który obecnie nazywa się eksperymentem Younga, a każdy fizyk uważa ten eksperyment za święty.




      Thomas Young po prostu skierował wiązkę światła (tego samego koloru, tak aby częstotliwość była w przybliżeniu taka sama) przez dwie szczeliny w płycie i umieścił za nią kolejną płytkę ekranującą. I pokazał wynik swoim kolegom. Gdyby światło było strumieniem cząstek, wówczas w tle widzielibyśmy dwa jasne paski.
      Ale niestety świat naukowy na ekranie płyty pojawiła się seria ciemnych i jasnych pasków. Powszechnym zjawiskiem zwanym interferencją jest superpozycja dwóch (lub większej liczby fal) jedna na drugiej.

      Swoją drogą to właśnie dzięki interferencji obserwujemy tęczowe odcienie na plamie oleju czy bańce mydlanej.




      Innymi słowy, Thomas Young eksperymentalnie udowodnił, że światło jest falą. Świat naukowy Przez długi czas nie chciał wierzyć Jungowi, a pewnego razu był tak krytykowany, że porzucił nawet swoje koncepcje teorii fal. Ale wiara w ich słuszność nadal zwyciężyła i naukowcy zaczęli uważać światło za falę. To prawda, fala czego - to była tajemnica.
      Tutaj, na zdjęciu, jest stary, dobry eksperyment Junga.



      Trzeba powiedzieć, że falowa natura światła nie miała większego wpływu fizyka klasyczna. Naukowcy przepisali formuły i zaczęli wierzyć, że wkrótce cały świat padnie im do stóp pod jedną uniwersalną receptą na wszystko.
      Ale już się domyślacie, że Einstein jak zawsze wszystko zrujnował. Problem pojawił się z drugiej strony - początkowo naukowcy pomylili się w obliczaniu energii fal termicznych i odkryli pojęcie kwantów (koniecznie przeczytaj o tym w naszym odpowiednim temacie „”). A potem za pomocą tych samych kwantów Einstein zadał cios fizyce, wyjaśniając zjawisko efektu fotoelektrycznego.

      W skrócie: efekt fotoelektryczny (jednym ze skutków, którego jest naświetlanie kliszy) polega na wybijaniu elektronów z powierzchni niektórych materiałów przez światło. Technicznie rzecz biorąc, to wybijanie zachodzi tak, jakby światło było cząstką. Einstein nazwał cząstkę światła kwantem światła, a później nadano jej nazwę – foton.

      W 1920 roku dodano antyfalową teorię światła niesamowity efekt Compton: kiedy elektron jest bombardowany fotonami, foton odbija się od elektronu ze stratą energii („strzelamy” na niebiesko, ale czerwony odlatuje), jak kula bilardowa od drugiej. Compton otrzymał za to Nagrodę Nobla.



      Tym razem fizycy nie chcieli po prostu porzucić falowej natury światła, zamiast tego intensywnie się nad tym zastanawiali. Nauka staje w obliczu przerażającej tajemnicy: czy światło jest falą czy cząstką?

      Światło, jak każda fala, ma częstotliwość - i łatwo to sprawdzić. Widzimy różne kolory, ponieważ każdy kolor to po prostu inna częstotliwość fali elektromagnetycznej (świetlnej): czerwony to niska częstotliwość, fioletowy to wysoka częstotliwość.
      Ale to niesamowite: długość fali światła widzialnego jest pięć tysięcy razy większa od wielkości atomu - jak taka „rzecz” mieści się w atomie, gdy atom pochłania tę falę? Gdyby tylko foton był cząstką porównywalną wielkością do atomu. Czy foton jest jednocześnie duży i mały?

      Ponadto efekt fotoelektryczny i efekt Comptona wyraźnie dowodzą, że światło jest w dalszym ciągu strumieniem cząstek: nie da się wytłumaczyć, w jaki sposób fala przekazuje energię elektronom zlokalizowanym w przestrzeni – gdyby światło było falą, to część elektronów zostałaby później wybita od innych i zjawiska Nie zaobserwowalibyśmy efektu fotoelektrycznego. Ale w przypadku przepływu pojedynczy foton zderza się z pojedynczym elektronem i pod pewnymi warunkami wybija go z atomu.




      W rezultacie zdecydowano: światło jest zarówno falą, jak i cząstką. A raczej ani jedno, ani drugie, ale nowa, nieznana wcześniej forma istnienia materii: obserwowane przez nas zjawiska są jedynie projekcjami lub cieniami rzeczywistego stanu rzeczy, w zależności od tego, jak spojrzeć na to, co się dzieje. Kiedy patrzymy na cień walca oświetlony z jednej strony, widzimy okrąg, a oświetlony z drugiej strony widzimy cień prostokątny. Podobnie jest z cząsteczkową reprezentacją światła.

      Ale nawet tutaj nie wszystko jest łatwe. Nie możemy powiedzieć, że uważamy światło za falę lub strumień cząstek. Wyjrzyj przez okno. Nagle, nawet w czysto umytym szkle, widzimy własne odbicie, choć niewyraźne. Jaki jest haczyk? Jeżeli światło jest falą, to łatwo wytłumaczyć odbicie w oknie – podobne efekty na wodzie widzimy, gdy fala odbija się od przeszkody. Ale jeśli światło jest strumieniem cząstek, to odbicia nie da się tak łatwo wyjaśnić. W końcu wszystkie fotony są takie same. Jeśli jednak wszystkie są takie same, to bariera w postaci szyby okiennej powinna działać na nie tak samo. Albo wszystkie przechodzą przez szybę, albo wszystkie odbijają się. I w brutalna rzeczywistość Część fotonów przelatuje przez szybę, a my widzimy sąsiedni dom i od razu obserwujemy swoje odbicie.

      I jedyne wyjaśnienie, jakie przychodzi na myśl: fotony istnieją same w sobie. Nie da się przewidzieć ze stuprocentowym prawdopodobieństwem, jak zachowa się konkretny foton – czy zderzy się ze szkłem w postaci cząstki, czy też fali. To jest podstawa Fizyka kwantowa- całkowicie, absolutnie losowe zachowanie materii na poziomie mikro bez żadnej przyczyny (a w naszym świecie wielkich ilości wiemy z doświadczenia, że ​​wszystko ma swoją przyczynę). Jest to doskonały generator liczb losowych, w przeciwieństwie do rzutu monetą.

      Genialny Einstein, który odkrył foton, do końca życia był przekonany, że fizyka kwantowa się myli, i zapewniał wszystkich, że „Bóg nie gra w kości”. Ale nowoczesna nauka coraz więcej potwierdza: nadal gra.



      Tak czy inaczej, pewnego dnia naukowcy postanowili zakończyć debatę na temat „fali czy cząstek” i odtworzyć doświadczenie Junga, biorąc pod uwagę technologie XX wieku. Do tego czasu nauczyli się strzelać fotony pojedynczo (generatory kwantowe, znane wśród populacji jako „lasery”), dlatego postanowiono sprawdzić na ekranie, co by się stało, gdyby wystrzelić jedną cząstkę w dwie szczeliny: w końcu stanie się jasne, czym jest materia w kontrolowanych warunkach eksperymentalnych.

      I nagle - pojedynczy kwant światła (foton) pokazał wzór interferencyjny, czyli cząstka przeleciała przez obie szczeliny jednocześnie, foton interferował sam ze sobą (jeśli mówimy język naukowy). Wyjaśnijmy kwestię techniczną - w rzeczywistości obraz interferencyjny został pokazany nie przez jeden foton, ale przez serię strzałów na jedną cząstkę w odstępach 10 sekund - z biegiem czasu pojawiły się prążki Younga, znane każdemu studentowi C od 1801 roku ekran.

      Z punktu widzenia fali jest to logiczne – fala przechodzi przez pęknięcia, a teraz dwie nowe fale rozchodzą się w koncentrycznych okręgach, nakładając się na siebie.
      Ale z korpuskularnego punktu widzenia okazuje się, że foton przechodząc przez szczeliny znajduje się w dwóch miejscach jednocześnie, a po przejściu przez szczeliny miesza się ze sobą. To generalnie normalne, prawda?
      Okazało się, że to normalne. Co więcej, skoro foton znajduje się w dwóch szczelinach jednocześnie, oznacza to, że znajduje się jednocześnie wszędzie zarówno przed szczelinami, jak i po przelocie przez nie. I ogólnie, z punktu widzenia fizyki kwantowej, foton wypuszczony pomiędzy początkiem a metą jest jednocześnie „wszędzie i na raz”. Fizycy nazywają takie odkrycie cząstki „wszędzie naraz” superpozycją - okropne słowo, które kiedyś było matematycznym rozpieszczaniem, stało się teraz fizyczną rzeczywistością.

      Niejaki E. Schrödinger, znany przeciwnik fizyki kwantowej, wykopał już gdzieś wzór opisujący falowe właściwości materii, np. wody. I po małych majsterkach, ku mojemu przerażeniu, wydedukowałem tak zwaną funkcję falową. Funkcja ta pokazywała prawdopodobieństwo znalezienia fotonu w określonym miejscu. Należy pamiętać, że jest to prawdopodobieństwo, a nie dokładna lokalizacja. A prawdopodobieństwo to zależało od kwadratu wysokości grzbietu fali kwantowej w danym miejscu (jeśli kogoś interesują szczegóły).

      Osobny rozdział poświęcimy zagadnieniom pomiaru położenia cząstek.




      Dalsze odkrycia pokazały, że rzeczy z dualizmem są jeszcze gorsze i bardziej tajemnicze.
      W 1924 roku niejaki Louis de Broglie stwierdził, że falowo-korpuskularne właściwości światła to wierzchołek góry lodowej. A wszystkie cząstki elementarne mają tę niezrozumiałą właściwość.
      Oznacza to, że cząstka i fala jednocześnie to nie tylko cząstki pola elektromagnetycznego (fotony), ale także cząstki rzeczywiste, takie jak elektrony, protony itp. Cała materia wokół nas na poziomie mikroskopowym to fale(i cząstki jednocześnie).

      A kilka lat później zostało to nawet potwierdzone eksperymentalnie - Amerykanie wprowadzili elektrony do lamp elektronopromieniowych (które dzisiejszym starym pierdołom znane są pod nazwą "kineskop") - i tak obserwacje związane z odbiciem elektronów potwierdziły, że elektron jest także falą (dla ułatwienia można powiedzieć, że na drodze elektronu umieścili płytkę z dwiema szczelinami i zobaczyli interferencję elektronu taką, jaka jest).

      Dotychczasowe eksperymenty wykazały, że atomy również mają właściwości falowe, a nawet niektóre specjalne typy cząsteczek (tzw. „fullereny”) manifestują się jako fale.




      Dociekliwy umysł czytelnika, którego jeszcze nie zdumiała nasza historia, zapyta: jeśli materia jest falą, to dlaczego na przykład lecąca kula nie jest rozmazana w przestrzeni w postaci fali? Dlaczego samolot odrzutowy wcale nie przypomina fali, ale jest do niego bardzo podobny?

      De Broglie, diabeł, wszystko tu wyjaśnił: tak, latająca piłka czy Boeing to też fala, ale długość tej fali jest tym krótsza, im większy jest impuls. Pęd to masa razy prędkość. To znaczy, niż więcej masy materii, tym krótsza jest jej długość fali. Długość fali piłki lecącej z prędkością 150 km/h będzie wynosić w przybliżeniu 0,00 metra. Dlatego nie jesteśmy w stanie zauważyć, jak kula rozprzestrzenia się w przestrzeni jako fala. Dla nas jest to materia stała.
      Elektron jest bardzo lekką cząstką i lecąc z prędkością 6000 km/s, będzie miał zauważalną długość fali 0,0000000001 metra.

      Nawiasem mówiąc, od razu odpowiedzmy na pytanie, dlaczego jądro atomowe nie jest tak „falowe”. Choć znajduje się w centrum atomu, wokół którego elektron krąży szaleńczo i jednocześnie jest rozmazany, to ma przyzwoity pęd związany z masą protonów i neutronów, a także oscylacją (prędkością) o wysokiej częstotliwości spowodowaną na istnienie stałej wymiany cząstek wewnątrz jądra silne oddziaływanie (przeczytaj temat). Dlatego rdzeń bardziej przypomina materię stałą, którą znamy. Najwyraźniej elektron jest jedyną cząstką o masie, która ma wyraźnie wyrażone właściwości falowe, więc wszyscy badają go z zachwytem.




      Wróćmy do naszych cząstek. Okazuje się więc, że elektron obracający się wokół atomu jest zarówno cząstką, jak i falą. Oznacza to, że cząstka obraca się, a jednocześnie elektron jako fala reprezentuje powłokę o określonym kształcie wokół jądra - jak może to w ogóle zrozumieć ludzki mózg?

      Wyliczyliśmy już powyżej, że latający elektron ma dość dużą (jak na mikrokosmos) długość fali, a żeby zmieścić się wokół jądra atomu, taka fala potrzebuje nieprzyzwoicie dużej ilości miejsca. To właśnie wyjaśnia tak duże rozmiary atomów w porównaniu do jądra. Długości fal elektronu określają wielkość atomu. Pustą przestrzeń pomiędzy jądrem a powierzchnią atomu wypełnia „akomodacja” długości fali (i jednocześnie cząstki) elektronu. To bardzo prymitywne i błędne wyjaśnienie - proszę nam wybaczyć - w rzeczywistości wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane, ale naszym celem jest przynajmniej umożliwienie osobom zainteresowanym tym wszystkim odgryzienia kawałka granitu nauki.

      Wyjaśnijmy sobie jeszcze raz! Po kilku komentarzach do artykułu [w YP] zdaliśmy sobie sprawę, jak ważnego punktu brakowało w tym artykule. Uwaga! Forma materii, którą opisujemy, nie jest ani falą, ani cząstką. Ma jedynie (jednocześnie) właściwości fali i właściwości cząstek. Nie można powiedzieć, że fala elektromagnetyczna lub fala elektronowa jest jak fale morskie lub fale dźwiękowe. Znane nam fale reprezentują propagację zaburzeń w przestrzeni wypełnionej jakąś substancją.
      Fotony, elektrony i inne instancje mikrokosmosu poruszające się w przestrzeni można opisać równaniami falowymi; ich zachowanie jest PODOBNE jedynie do fali, ale w żadnym wypadku nie są falą. Podobnie jest z korpuskularną strukturą materii: zachowanie cząstki przypomina lot małych punktowych kulek, tyle że nigdy nie są to kulki.
      Trzeba to zrozumieć i zaakceptować, w przeciwnym razie wszystkie nasze myśli ostatecznie doprowadzą do poszukiwania analogii w makrokosmosie, a tym samym dobiegnie końca rozumienie fizyki kwantowej, a zacznie się friaryzm lub filozofia szarlatańska, taka jak magia kwantowa i materialność myśli.




      Pozostałe przerażające wnioski i konsekwencje unowocześnionego eksperymentu Junga rozważymy w dalszej części następnej części - niepewność Heisenberga, kot Schrödingera, zasada wykluczenia Pauliego i splątanie kwantowe czekają na cierpliwego i uważnego czytelnika, który będzie czytał nasze artykuły wielokrotnie i szperał przez Internet w poszukiwaniu dodatkowych informacji.

      Dziękuję wszystkim za uwagę. Życzę wszystkim szczęśliwej bezsenności lub koszmarów poznawczych!

      Uwaga: Przypominamy, że wszystkie zdjęcia pochodzą z Google (wyszukiwanie po obrazach) i tam określa się ich autorstwo.
      Nielegalne kopiowanie tekstu jest ścigane i tłumione, no cóż, wiadomo.
      ..