30.12.2015. 14:00

Wielu, którzy zaczynają uczyć się fizyki jak w szkolne lata i wyżej instytucje edukacyjne, prędzej czy później stają przed pytaniami dotyczącymi światła. Po pierwsze, co mi się najbardziej nie podoba w fizyce, którą znamy dzisiaj. Taka jest więc interpretacja niektórych pojęć, z absolutnie spokojnym wyrazem twarzy i nie zwracaniem uwagi na inne zjawiska i skutki. Oznacza to, że za pomocą jakichś praw czy reguł próbują wyjaśnić pewne zjawiska, ale jednocześnie starają się nie zauważać efektów, które zaprzeczają temu wyjaśnieniu. To już jest swego rodzaju zasada prowadzenia tłumaczeń – No a co z tym i tamtym? Kochanie, słuchaj, mówimy teraz o czymś innym, po prostu nie zwracaj uwagi. Przecież w ramach tego pytania wszystko bije? To miłe.

Następnym „Kotem Schrödingera” pod względem wiedzy jest KVD (korpuskularny dualizm falowy). Kiedy stan fotonu (cząstki światła) lub elektronu można opisać zarówno za pomocą efektów falowych, jak i korpuskularnych (cząstek). Jeśli chodzi o zjawiska wskazujące na falowe właściwości materii, wszystko jest mniej więcej jasne, poza jedną rzeczą – ośrodkiem, w którym ta sama fala jest transmitowana. Jednak odnośnie właściwości korpuskularnych, a zwłaszcza obecności takich „cząstek” światła jak fotony, mam sporo wątpliwości.

Skąd ludzie wiedzieli, że światło ma falowa natura? Cóż, ułatwiły to efekty otwarte i eksperymenty ze światłem dziennym. Na przykład takie pojęcie jak widmo światła (widmo światła widzialnego), gdzie w zależności od długości fali i odpowiednio częstotliwości kolor widma zmienia się z czerwonego na fioletowy, czyli to, co widzimy naszymi niedoskonałymi oczami. Wszystko, co jest za i przed nim, należy do podczerwieni, promieniowania radiowego, ultrafioletowego, promieniowania gamma i tak dalej.


Zwróć uwagę, jak powyższy obrazek przedstawia widmo promieniowania elektromagnetycznego. W zależności od częstotliwości fali manifestacji elektromagnetycznej może to być albo promieniowanie gamma, albo światło widzialne, a nie tylko, na przykład, może to być nawet fala radiowa. Najbardziej jednak w tym wszystkim zaskakujące jest to, że jedynie widzialnemu widmu światła, tak nieznacznemu w całym zakresie częstotliwości, z jakiegoś powodu NAGLE i tylko wyłącznie, przypisuje się właściwości cząstek – fotonów. Z jakiegoś powodu tylko widmo widzialne wykazuje właściwości korpuskularne. Nigdy nie usłyszycie o korpuskularnych właściwościach fal radiowych czy, powiedzmy, promieniowania gamma; te wibracje nie wykazują właściwości korpuskularnych. Pojęcie „kwantu gamma” ma tylko częściowe zastosowanie do promieniowania gamma, ale o tym później.

A jakie faktyczne zjawiska lub efekty potwierdzają obecność, choćby w widzialnym widmie światła, właściwości korpuskularnych? I tu zaczyna się najbardziej niesamowita rzecz.

Jeśli wierzysz oficjalna nauka korpuskularne właściwości światła potwierdzają dwa dobrze znane efekty. Za odkrycie i wyjaśnienie tych efektów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Albert Einstein (efekt fotograficzny) i Arthur Compton (efekt Comptona). Należy zaznaczyć, że pojawia się pytanie, dlaczego efekt fotograficzny nie nosi imienia Alberta Einsteina, bo to właśnie dla niego otrzymał nagroda Nobla? I wszystko jest bardzo proste, efekt ten odkrył nie on, ale inny utalentowany naukowiec (Alexandre Becquerel 1839), Einstein jedynie wyjaśnił efekt.


Zacznijmy od efektu fotograficznego. Gdzie zdaniem fizyków znajduje się potwierdzenie, że światło ma właściwości korpuskularne?

Efekt foto to zjawisko, w wyniku którego substancja emituje elektrony pod wpływem światła lub innego źródła promieniowanie elektromagnetyczne. Innymi słowy, światło jest pochłaniane przez materię, a jego energia przekazywana jest elektronom, powodując ich uporządkowany ruch, zamieniając się w energię elektryczną.

Tak naprawdę nie jest jasne, w jaki sposób fizycy doszli do wniosku, że tzw. Foton jest cząstką, ponieważ w zjawisku efektu fotoelektrycznego ustalono, że elektrony wylatują na spotkanie fotonów. Fakt ten daje wyobrażenie o błędnej interpretacji zjawiska efektu foto, gdyż jest to jeden z warunków wystąpienia tego efektu. Ale zdaniem fizyków efekt ten pokazuje, że foton jest cząstką tylko dlatego, że jest całkowicie pochłonięty, a także dlatego, że uwalnianie elektronów nie zależy od intensywności naświetlania, a jedynie od częstotliwości tak zwany foton. Dlatego narodziła się koncepcja kwantu lub korpuskuły światła. Ale tutaj powinniśmy się skupić na tym, czym jest „intensywność” w tym konkretnym przypadku. W końcu panele słoneczne nadal wytwarzają więcej prądu, gdy wzrasta ilość światła padającego na powierzchnię fotokomórki. Przykładowo, mówiąc o natężeniu dźwięku, mamy na myśli amplitudę jego drgań. Im większa amplituda, tym większą energię niesie fala akustyczna i tym większa jest moc potrzebna do wytworzenia takiej fali. W przypadku światła taka koncepcja jest całkowicie nieobecna. Zgodnie z dzisiejszym rozumieniem fizyki światło ma częstotliwość, ale nie ma amplitudy. Co ponownie rodzi wiele pytań. Na przykład fala radiowa ma charakterystykę amplitudową, ale światło widzialne, którego fale są, powiedzmy, nieco krótsze niż fale radiowe, nie ma amplitudy. Wszystko to opisane powyżej mówi jedynie, że takie pojęcie jak foton jest, delikatnie mówiąc, niejasne, a wszelkie zjawiska wskazujące na jego istnienie jako ich interpretacja nie wytrzymują krytyki. Lub po prostu wymyślono je na poparcie jakiejś hipotezy, że jest to najprawdopodobniej prawdą.

Jeśli chodzi o rozpraszanie światła Comptona (efekt Compotona), nie jest wcale jasne, w jaki sposób na podstawie tego efektu wyciąga się wniosek, że światło jest cząstką, a nie falą.

Ogólnie rzecz biorąc, dzisiejsza fizyka nie ma konkretnego potwierdzenia, że ​​​​cząstka fotonowa jest kompletna i zasadniczo istnieje w postaci cząstki. Istnieje pewien kwant, który charakteryzuje się gradientem częstotliwości i niczym więcej. A co najciekawsze, wymiary (długość) tego fotonu, według E=hv, mogą wynosić od kilkudziesięciu mikronów do kilku kilometrów. A wszystko to nie wprowadza nikogo w błąd, gdy używa się słowa „cząstka” w odniesieniu do fotonu.

Na przykład laser femtosekundowy o długości impulsu 100 femtosekund ma długość impulsu (fotonu) 30 mikronów. Dla porównania, w przezroczystym krysztale odległość między atomami wynosi około 3 angstremów. No cóż, jak foton, którego wielkość jest kilkakrotnie większa od tej odległości, może latać od atomu do atomu?

Ale dzisiaj fizyka nie waha się operować koncepcją kwantu, fotonu czy cząstki w odniesieniu do światła. Po prostu nie zwracając uwagi na to, że nie mieści się to w standardowym modelu opisującym materię i prawa według których ona istnieje.

W ciągu ostatnich stu lat nauka poczyniła ogromne postępy w badaniu struktury naszego świata zarówno na poziomie mikroskopowym, jak i makroskopowym. Niesamowite odkrycia, jakie przynoszą nam szczególne i ogólne teorie względności oraz mechaniki kwantowej, wciąż ekscytują umysły opinii publicznej. Jednak każda wykształcona osoba musi rozumieć przynajmniej podstawy współczesnych osiągnięć naukowych. Jednym z najbardziej imponujących i ważnych punktów jest dualizm korpuskularno-falowy. To paradoksalne odkrycie, którego zrozumienie wykracza poza zasięg intuicyjnej, codziennej percepcji.

Korpuskuły i fale

Dualizm po raz pierwszy odkryto w badaniu światła, które zachowywało się zupełnie inaczej w zależności od warunków. Z jednej strony okazało się, że światło jest optyczną falą elektromagnetyczną. Z drugiej strony dyskretna cząstka ( działanie chemiczne Swieta). Początkowo naukowcy uważali, że te dwie idee wzajemnie się wykluczają. Jednak liczne eksperymenty wykazały, że tak nie jest. Stopniowo rzeczywistość takiej koncepcji, jak dualizm korpuskularno-falowy, stała się powszechna. Koncepcja ta stanowi podstawę do badania zachowania złożonych obiektów kwantowych, które nie są ani falami, ani cząsteczkami, a jedynie nabywają właściwości tych drugich lub pierwszych w zależności od określonych warunków.

Eksperyment z podwójną szczeliną

Dyfrakcja fotonów jest wyraźną demonstracją dualizmu. Detektorem cząstek naładowanych jest płyta fotograficzna lub ekran fluorescencyjny. Każdy pojedynczy foton został oznaczony przez oświetlenie lub rozbłysk punktowy. Połączenie takich znaków dało obraz interferencyjny – naprzemienność słabo i silnie oświetlonych pasków, co jest charakterystyczne dla dyfrakcji fal. Wyjaśnia to taka koncepcja, jak dualizm korpuskularno-falowy. Znany fizyk i laureat Nagrody Nobla Richard Feynman stwierdził, że materia zachowuje się w małych skalach w taki sposób, że nie da się odczuć „naturalności” zachowania kwantowego.

Uniwersalny dualizm

Doświadczenie to dotyczy jednak nie tylko fotonów. Okazało się, że dualizm jest właściwością całej materii i jest uniwersalny. Heisenberg argumentował, że materia istnieje naprzemiennie w obu formach. Dziś zostało całkowicie udowodnione, że obie właściwości pojawiają się całkowicie jednocześnie.

Fala korpuskularna

Jak możemy wyjaśnić to zachowanie materii? Fala właściwa korpuskułom (cząstkom) nazywa się falą de Broglie’a, nazwaną na cześć młodego arystokratycznego naukowca, który zaproponował rozwiązanie tego problemu. Powszechnie przyjmuje się, że równania de Broglie'a opisują funkcję falową, która podniesiona do kwadratu określa jedynie prawdopodobieństwo, że cząstka znajduje się w inny czas w różnych punktach przestrzeni. Mówiąc najprościej, fala de Broglie'a jest prawdopodobieństwem. W ten sposób ustalono równość pomiędzy pojęciem matematycznym (prawdopodobieństwem) a procesem rzeczywistym.

Pole kwantowe

Czym są korpuskuły materii? Ogólnie rzecz biorąc, są to kwanty pól falowych. Foton - kwant pole elektromagnetyczne, pozyton i elektron - elektron-pozyton, mezon - kwant pola mezonowego i tak dalej. Interakcję między polami falowymi tłumaczy się wymianą pewnych cząstek pośrednich między nimi, na przykład podczas oddziaływania elektromagnetycznego następuje wymiana fotonów. Z tego wynika bezpośrednio kolejne potwierdzenie, że procesy falowe opisane przez de Broglie są całkowicie realne zjawiska fizyczne. Dualizm cząstkowo-falowy nie działa jako „tajemnicza ukryta właściwość”, która charakteryzuje zdolność cząstek do „reinkarnacji”. Wyraźnie ukazuje dwa powiązane ze sobą działania – ruch obiektu i związany z nim proces falowy.

Efekt tunelu

Dualizm korpuskularno-falowy światła jest powiązany z wieloma innymi interesującymi zjawiskami. Kierunek działania fali de Broglie'a pojawia się podczas tzw. efektu tunelowego, czyli gdy fotony przenikają przez barierę energetyczną. Zjawisko to spowodowane jest tym, że pęd cząstki przekracza wartość średnią w momencie wystąpienia antywęzła fali. Tunelowanie umożliwiło rozwój wielu urządzeń elektronicznych.


Interferencja kwantów świetlnych

Nowoczesna nauka mówi o interferencji fotonów w ten sam tajemniczy sposób, co o interferencji elektronów. Okazuje się, że foton, będący cząstką niepodzielną, może jednocześnie przejść dowolną otwartą dla siebie drogą i interferować ze sobą. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że dualizm falowo-cząsteczkowy właściwości materii i fotonu jest falą pokrywającą wiele elementy konstrukcyjne, to jego podzielność nie jest wykluczona. Zaprzecza to wcześniejszym poglądom na cząstkę jako elementarną, niepodzielną formację. Posiadając pewną masę ruchu, foton tworzy związaną z tym ruchem falę podłużną, która poprzedza samą cząstkę, ponieważ prędkość fali podłużnej jest większa niż prędkość poprzecznej fali elektromagnetycznej. Dlatego istnieją dwa wyjaśnienia interferencji fotonu ze sobą: cząstka zostaje rozdzielona na dwie części, które wzajemnie zakłócają się; Fala fotonowa rozchodzi się dwiema drogami i tworzy wzór interferencyjny. Eksperymentalnie odkryto, że wzór interferencyjny powstaje także wtedy, gdy przez interferometr przepuszczane są kolejno pojedyncze naładowane cząstki-fotony. Potwierdza to tezę, że każdy pojedynczy foton interferuje sam ze sobą. Szczególnie wyraźnie widać to, gdy weźmie się pod uwagę fakt, że światło (ani spójne, ani monochromatyczne) to zbiór fotonów, które są emitowane przez atomy w procesach wzajemnie powiązanych i przypadkowych.

Czym jest światło?

Fala świetlna to niezlokalizowane pole elektromagnetyczne rozprzestrzeniające się w przestrzeni. Pole elektromagnetyczne fali ma wolumetryczną gęstość energii proporcjonalną do kwadratu amplitudy. Oznacza to, że gęstość energii może zmieniać się o dowolną wielkość, czyli ma charakter ciągły. Z jednej strony światło jest strumieniem kwantów i fotonów (cząsteczek), które dzięki uniwersalności takiego zjawiska jak dualizm cząstkowo-falowy reprezentują właściwości fali elektromagnetycznej. Na przykład w zjawiskach interferencji i dyfrakcji oraz łusek światło wyraźnie wykazuje cechy fali. Na przykład pojedynczy foton, jak opisano powyżej, przechodząc przez podwójną szczelinę, tworzy wzór interferencyjny. Za pomocą eksperymentów udowodniono, że pojedynczy foton nie jest impulsem elektromagnetycznym. Nie da się go podzielić na wiązki za pomocą rozdzielaczy wiązek, jak pokazali francuscy fizycy Aspe, Roger i Grangier.

Światło ma również właściwości korpuskularne, które objawiają się efektem Comptona i efektem fotoelektrycznym. Foton może zachowywać się jak cząstka całkowicie pochłaniana przez obiekty o wymiarach znacznie mniejszych niż długość fali (np. jądro atomowe). W niektórych przypadkach fotony można ogólnie uznać za obiekty punktowe. Nie ma znaczenia, z jakiego stanowiska rozważamy właściwości światła. W polu widzenia barw strumień światła może działać zarówno jako fala, jak i cząsteczka-foton jako kwant energii. Plamka skupiona na fotoreceptorze siatkówki, takim jak błona stożkowa, może pozwolić oku na utworzenie własnej przefiltrowanej wartości jako głównych promieni widmowych światła i posortować je według długości fal. Zgodnie z wartościami energii kwantowej, w mózgu punkt obiektu zostanie przełożony na wrażenie koloru (skoncentrowany obraz optyczny).

Właściwości falowe i korpuskularne cząstek elementarnych

Właściwości falowe światła

Od dawna wiadomo, że światło ma właściwości falowe. Robert Hooke w swojej pracy Micrographia (1665) porównuje światło do rozchodzenia się fal. Christian Huygens opublikował w 1690 roku Traktat o świetle, w którym rozwinął falową teorię światła. Co ciekawe, znający te prace Newton w swoim traktacie o optyce przekonuje siebie i innych, że światło składa się z cząstek - korpuskuł. Autorytet Newtona przez pewien czas uniemożliwiał nawet uznanie teoria fal Swieta. Jest to tym bardziej zaskakujące, że Newton nie tylko słyszał o twórczości Hooke'a i Huygensa, ale także sam zaprojektował i wyprodukował instrument, na którym obserwował zjawisko interferencji, znane dziś każdemu uczniowi pod nazwą „Pierścienie Newtona”. Zjawiska dyfrakcji i interferencji są prosto i naturalnie wyjaśnione w teorii fal. On, Newton, musiał się zmienić i uciekać się do „wymyślania hipotez” o bardzo niejasnej treści, aby ciałka mogły poruszać się prawidłowo.

Newton swój największy sukces naukowy odniósł, wyjaśniając ruch planet, korzystając z odkrytych przez siebie praw mechaniki. Oczywiście próbował wykorzystać te same prawa do wyjaśnienia ruchu światła, ale aby było to możliwe, światło musi koniecznie składać się z ciałek. Jeśli światło składa się z cząstek, wówczas odnoszą się do nich prawa mechaniki, a aby znaleźć prawa ich ruchu, pozostaje tylko dowiedzieć się, jakie siły działają między nimi a materią. Wyjaśnienie tak różnorodnych zjawisk jak ruch planet i rozchodzenie się światła na tych samych zasadach jest zadaniem monumentalnym i Newton nie mógł odmówić sobie przyjemności poszukiwania rozwiązania. Współczesna nauka nie uznaje korpuskularnej teorii Newtona, jednak od czasu publikacji pracy Einsteina na temat efektu fotoelektrycznego powszechnie uważa się, że światło składa się z cząstek fotonów. Newton nie mylił się, twierdząc, że ruch planet i rozchodzenie się światła rządzą się pewnymi ogólnymi zasadami, które były mu nieznane.

Przypomnijmy najbardziej znane eksperymenty, instrumenty i urządzenia, w których najdobitniej objawia się falowa natura światła.

1. „Pierścienie Newtona”.

2. Interferencja światła przechodzącego przez dwa otwory.

3. Interferencja światła odbitego od cienkich warstw.

4. Różne instrumenty i urządzenia: bipryzm Fresnela, zwierciadła Fresnela, zwierciadło Lloyda; interferometry: Michelson, Mach-Zehnder, Fabry-Perot.

5. Dyfrakcja światła na wąskiej szczelinie.

6. Siatka dyfrakcyjna.

7. plamka Poissona.

Wszystkie te eksperymenty, instrumenty, urządzenia czy zjawiska są dobrze znane, więc nie będziemy się nad nimi rozwodzić. Chciałbym przypomnieć tylko jeden ciekawy szczegół związany z nazwą „miejsce Poissona”. Poisson był przeciwnikiem teorii fal. Rozważając metodę Fresnela doszedł do wniosku, że jeśli światło jest falą, to w środku geometrycznego cienia nieprzezroczystego dysku powinna znajdować się jasna plama. Uznając, że wniosek ten jest absurdalny, przedstawił go jako przekonujący zarzut wobec teorii fal. Jednak tę absurdalną przepowiednię Aragon potwierdził eksperymentalnie.

Korpuskularne właściwości światła

Od 1905 roku nauka wie, że światło to nie tylko fala, ale także strumień cząstek – fotonów. Wszystko zaczęło się od odkrycia efektu fotoelektrycznego.

Efekt fotoelektryczny odkrył Hertz w 1887 roku.

1888 - 1889 zjawisko to było eksperymentalnie badane przez Stoletowa.

1898 Lenard i Thompson odkryli, że cząstkami emitowanymi przez światło są elektrony.

Głównym problemem, jaki stwarzał dla naukowców efekt fotoelektryczny, było to, że energia elektronów wyrzucanych z substancji przez światło nie zależy od intensywności światła padającego na substancję. To zależy tylko od jego częstotliwości. Klasyczna teoria fal nie potrafiła wyjaśnić tego efektu.

1905 Einstein przedstawił teoretyczne wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego, za co w 1921 roku otrzymał Nagrodę Nobla.

Zgodnie z założeniem Einsteina światło składa się z fotonów, których energia zależy wyłącznie od częstotliwości i jest obliczana za pomocą wzoru Plancka: . Światło może usunąć elektron z substancji, jeśli foton ma do tego wystarczającą energię. W tym przypadku liczba fotonów padających na oświetlaną powierzchnię nie ma znaczenia. Dlatego natężenie światła nie ma znaczenia dla wystąpienia efektu fotoelektrycznego.

Wyjaśniając efekt fotoelektryczny, Einstein posłużył się słynną hipotezą Plancka. Planck zasugerował kiedyś, że światło jest emitowane porcjami – kwantami. Teraz Einstein zasugerował, że światło ponadto jest pochłaniane porcjami. Założenie to było wystarczające do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego. Einstein idzie jednak dalej. Zakłada, że ​​światło rozkłada się porcjami czyli fotonami. Nie było wówczas żadnych eksperymentalnych podstaw do takiego twierdzenia.

Najbardziej bezpośredniego potwierdzenia hipotezy Einsteina dostarczył eksperyment Bothe'a.

W eksperymencie Bothe'a cienką metalową folię F umieszczono pomiędzy dwoma licznikami wyładowań gazowych Sch. Folia została oświetlona słabą wiązką promieni rentgenowskich, pod wpływem której sama stała się źródłem promieniowania rentgenowskiego. Fotony wtórne zostały wychwycone przez liczniki Geigera. Po uruchomieniu licznika sygnał przekazywany był do mechanizmów M, które pozostawiały ślad na poruszającym się pasie L. Jeżeli promieniowanie wtórne było emitowane w postaci fal kulistych, wówczas oba liczniki musiałyby zadziałać jednocześnie. Jednak doświadczenie pokazało, że ślady na poruszającej się taśmie znajdowały się całkowicie niezależnie od siebie. Można to wytłumaczyć tylko w jeden sposób: promieniowanie wtórne występuje w postaci pojedynczych cząstek, które mogą latać w jednym lub przeciwnym kierunku. Dlatego oba liczniki nie mogą działać jednocześnie.

Doświadczenie Comptona

W 1923 roku amerykański fizyk Arthur Holly Compton, badając rozpraszanie promieni rentgenowskich przez różne substancje, odkrył, że w promieniach rozproszonych przez substancję, wraz z promieniowaniem pierwotnym, znajdują się promienie o większej długości fali. Takie zachowanie promieni rentgenowskich jest możliwe tylko z punktu widzenia mechaniki kwantowej. Jeżeli promieniowanie rentgenowskie składa się z cząstek kwantowych, to cząstki te zderzając się ze znajdującymi się w spoczynku elektronami, powinny tracić energię, tak jak szybko lecąca kula traci energię podczas zderzenia ze nieruchomą kulą. Latająca piłka, tracąc energię, zwalnia. Foton nie może zwolnić, jego prędkość jest zawsze równa prędkości światła, w rzeczywistości sam jest światłem. Ponieważ jednak energia fotonu jest równa , foton reaguje na zderzenie zmniejszając swoją częstotliwość.

Niech energia i pęd fotonu przed zderzeniem będą wynosić:

;

Energia i pęd fotonu po rozproszeniu przez elektron:

;

.

Energia elektronu przed zderzeniem z fotonem:

Jego pęd przed zderzeniem wynosi zero – elektron przed zderzeniem znajduje się w spoczynku.

Po zderzeniu elektron nabiera pędu i odpowiednio wzrasta jego energia: . Ostatnią relację otrzymujemy z równości: .

Przyrównajmy energię układu przed zderzeniem fotonu z elektronem do energii po zderzeniu.

Drugie równanie wynika z prawa zachowania pędu. W tym przypadku oczywiście nie powinniśmy zapominać, że pęd jest wielkością wektorową.

;

Przekształćmy równanie zachowania energii

,

i wyrównaj prawą i lewą stronę

.

Przyrównujemy otrzymane wyrażenia na kwadrat pędu elektronu

, skąd otrzymujemy: . Jak zwykle,

wprowadźmy notację .

Wielkość ta nazywana jest długością fali Comptona elektronu i jest oznaczana jako . Biorąc pod uwagę te oznaczenia, możemy napisać wyrażenie reprezentujące teoretyczne wyprowadzenie wyniku eksperymentu Comptona: .

Hipoteza de Broglie'a i właściwości falowe innych cząstek

W 1924 roku de Broglie postawił hipotezę, że fotony nie są wyjątkiem. Według de Broglie'a inne cząstki również powinny mieć właściwości falowe. Co więcej, związek między energią i pędem z jednej strony, a długością fali i częstotliwością z drugiej powinien być dokładnie taki sam, jak w przypadku fotonów elektromagnetycznych.

Dla fotonów, . Zgodnie z założeniem de Broglie’a z cząstką należy powiązać falę materii o określonej częstotliwości i długości fali .

Co to była za fala i jakie było jej fizyczne znaczenie, de Broglie nie potrafił powiedzieć. Dziś powszechnie przyjmuje się, że fala de Broglie'a ma znaczenie probabilistyczne i charakteryzuje prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w różnych punktach przestrzeni.

Najbardziej interesującą rzeczą jest to, że właściwości falowe cząstek odkryto eksperymentalnie.

W 1927 roku Davisson i Jammer odkryli dyfrakcję wiązek elektronów odbitych od kryształu niklu.

W 1927 roku syn J.J. Thomson i niezależnie Tartakovsky uzyskali wzór dyfrakcyjny, gdy wiązka elektronów przeszła przez metalową folię.

Następnie uzyskano również wzory dyfrakcyjne dla wiązek molekularnych.

Charakterystyka stanu elektronów w atomie opiera się na stanowisku mechaniki kwantowej o podwójnej naturze elektronu, który ma jednocześnie właściwości cząstki i fali.

Po raz pierwszy ustalono, że światło ma podwójną naturę cząstkowo-falową. Badania szeregu zjawisk (promieniowanie ciał gorących, efekt fotoelektryczny, widma atomowe) doprowadziły do ​​wniosku, że energia jest emitowana i pochłaniana nie w sposób ciągły, ale dyskretnie, w oddzielnych porcjach (kwantach). Założenie o kwantyzacji energii zostało po raz pierwszy postawione przez Maxa Plancka (1900), a potwierdzone przez Alberta Einsteina (1905): energia kwantowa (∆E) zależy od częstotliwości promieniowania (ν):

∆E = hν, gdzie h = 6,63·10 -34 J·s – stała Plancka.

Przyrównując energię fotonu hν do jego energii całkowitej mс 2 i biorąc pod uwagę, że ν = с/λ, otrzymujemy zależność wyrażającą związek pomiędzy właściwościami falowymi i korpuskularnymi fotonu:

W 1924 r Ludwika de Broglie’a zasugerował, że podwójna natura fal korpuskularnych jest nieodłączna nie tylko dla promieniowania, ale także dla każdej cząstki materialnej: każda cząstka posiadająca masę (m) i poruszająca się z prędkością (υ) odpowiada procesowi falowemu o długości fali λ:

λ = H / Mυ (55)

Im mniejsza masa cząstek, tym dłuższa długość fali. Dlatego trudno jest wykryć właściwości falowe makrocząstek.

W 1927 roku amerykańscy naukowcy Davisson i Germer, Anglik Thomson i radziecki naukowiec Tartakovsky niezależnie odkryli dyfrakcję elektronów, co było eksperymentalnym potwierdzeniem falowych właściwości elektronów. Później odkryto dyfrakcję (interferencję) cząstek α, neutronów, protonów, atomów, a nawet cząsteczek. Obecnie do badania struktury materii wykorzystuje się dyfrakcję elektronów.

Jedna z zasad mechaniki falowej opiera się na właściwościach falowych cząstek elementarnych: zasada nieoznaczoności (W. Heisenberga 1925): dla małych ciał o skali atomowej nie da się jednocześnie dokładnie określić położenia cząstki w przestrzeni i jej prędkości (pędu). Im dokładniej zostaną określone współrzędne cząstki, tym mniej pewna będzie jej prędkość i odwrotnie. Relacja niepewności ma postać:

gdzie ∆х to niepewność położenia cząstki, ∆Р x to niepewność co do wielkości pędu lub prędkości w kierunku x. Podobne zależności zapisano dla współrzędnych y i z. Wielkość ℏ zawarta w relacji niepewności jest bardzo mała, dlatego dla makrocząstek niepewności wartości współrzędnych i pędów są pomijalne.

W związku z tym niemożliwe jest obliczenie trajektorii elektronu w polu jądra, można jedynie oszacować prawdopodobieństwo jego obecności w atomie za pomocą funkcja falowa ψ, które zastępuje klasyczną koncepcję trajektorii. Funkcja falowa ψ charakteryzuje amplitudę fali w zależności od współrzędnych elektronu, a jej kwadrat ψ 2 określa przestrzenny rozkład elektronu w atomie. W najprostszej wersji funkcja falowa zależy od trzech współrzędnych przestrzennych i pozwala określić prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w przestrzeni atomowej lub jej orbitalny . Zatem, orbital atomowy (AO) to obszar przestrzeni atomowej, w którym prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe.

Funkcje falowe otrzymuje się rozwiązując podstawową zależność mechaniki falowej - równaniaSchrödingera (1926) :

(57)

gdzie h to stała Plancka, to wartość zmienna, U to energia potencjalna cząstki, E to całkowita energia cząstki, x, y, z to współrzędne.

Zatem kwantyzacja energii mikroukładu wynika bezpośrednio z rozwiązania równania falowego. Funkcja falowa całkowicie charakteryzuje stan elektronu.

Funkcja falowa układu jest funkcją stanu układu, którego kwadrat jest równy gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronów w każdym punkcie przestrzeni. Musi spełniać standardowe warunki: być ciągły, skończony, jednoznaczny i znikać tam, gdzie nie ma elektronu.

Dokładne rozwiązanie otrzymuje się dla atomu wodoru lub jonów wodoropodobnych, dla układów wieloelektronowych stosuje się różne przybliżenia. Powierzchnia ograniczająca prawdopodobieństwo znalezienia elektronu lub gęstości elektronów do 90–95% nazywana jest powierzchnią graniczną. Gęstość orbity atomowej i chmury elektronów mają tę samą powierzchnię graniczną (kształt) i tę samą orientację przestrzenną. Orbitale atomowe elektronu, ich energia i kierunek w przestrzeni zależą od czterech parametrów - liczby kwantowe : główny, orbitalny, magnetyczny i spinowy. Pierwsze trzy charakteryzują ruch elektronu w przestrzeni, a czwarty wokół własnej osi.

Liczba kwantowaN – Główna rzecz . Określa poziom energii elektronu w atomie, odległość tego poziomu od jądra i wielkość chmury elektronowej. Akceptuje wartości całkowite od 1 do ∞ i odpowiada numerowi okresu. Z układu okresowego dowolnego pierwiastka, po numerze okresu, można określić liczbę poziomów energetycznych atomu i który poziom energii jest zewnętrzny. Więcej N, tym większa jest energia oddziaływania pomiędzy elektronem i jądrem. Na N= 1 atom wodoru jest w stanie podstawowym, w N> 1 – podekscytowany. Jeśli N∞, wówczas elektron opuścił objętość atomową. Nastąpiła jonizacja atomu.

Na przykład, pierwiastek kadm Cd znajduje się w piątym okresie, co oznacza n=5. W jego atomie elektrony są rozmieszczone w pięciu poziomy energii(n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); piąty poziom będzie zewnętrzny (n = 5).

Ponieważ elektron ma wraz z właściwościami fali i właściwościami cząstki materialnej, ma masę m, prędkość ruchu V i znajduje się w odległości od jądra r, ma moment pędu: μ = mVr.

Pęd jest drugą (po energii) cechą elektronu i wyraża się poprzez wtórną (azymutalną, orbitalną) liczbę kwantową.

Orbitalna liczba kwantowal- określa kształt chmury elektronowej (rys. 7), energię elektronu na podpoziomie oraz liczbę podpoziomów energetycznych. Akceptuje wartości od 0 do N– 1. Z wyjątkiem wartości liczbowych l To ma oznaczenia literowe. Elektrony o tej samej wartości l utworzyć podpoziom.

Na każdym poziomie kwantowym liczba podpoziomów jest ściśle ograniczona i równa liczbie warstw. Podpoziomy, podobnie jak poziomy energii, są ponumerowane według ich odległości od jądra (Tabela 26).

Pierwsze wyobrażenia starożytnych naukowców na temat tego, czym jest światło, były bardzo naiwne. Było kilka punktów widzenia. Niektórzy wierzyli, że z oczu wychodzą specjalne cienkie macki, a wrażenia wizualne powstają, gdy dotykają przedmiotów. Taki punkt widzenia miał duża liczba zwolenników, wśród których byli Euklides, Ptolemeusz i wielu innych naukowców i filozofów. Inni przeciwnie, wierzyli, że promienie są emitowane przez świetliste ciało i docierając do ludzkiego oka, noszą odcisk świetlistego przedmiotu. Ten punkt widzenia podzielali Lukrecjusz i Demokryt.

W XVII wieku niemal jednocześnie dwa całkowicie różne teorie czym jest światło i jaka jest jego natura. Jedna z tych teorii związana jest z nazwiskiem I. Newtona, druga z nazwiskiem H. Huygensa.

I. Newton wyznawał tzw Korpuskularna teoria światła według którego światło to strumień cząstek wychodzący ze źródła we wszystkich kierunkach (przenoszenie materii).

Według koncepcji H. Huygensa światło to strumień fal rozchodzących się w specjalnym, hipotetycznym ośrodku – eterze, wypełniającym całą przestrzeń i przenikającym do wszystkich ciał.

Obie teorie istniały równolegle przez długi czas. Żadnemu z nich nie udało się odnieść zdecydowanego zwycięstwa. Dopiero autorytet I. Newtona zmusił większość naukowców do preferowania teorii korpuskularnej. Znane wówczas z doświadczenia prawa propagacji światła zostały z mniejszym lub większym powodzeniem wyjaśnione przez obie teorie.

Opierając się na teorii korpuskularnej, trudno było wyjaśnić, dlaczego promienie światła przecinające się w przestrzeni nie oddziałują na siebie. W końcu lekkie cząstki muszą się zderzać i rozpraszać.

Teoria fal łatwo to wyjaśniła. Na przykład fale na powierzchni wody swobodnie przechodzą przez siebie, nie wywierając na siebie wzajemnego wpływu.

Jednak prostoliniowe rozchodzenie się światła prowadzące do powstawania ostrych cieni za obiektami jest trudne do wyjaśnienia w oparciu o teorię fal. W teorii korpuskularnej prostoliniowe rozchodzenie się światła jest po prostu konsekwencją prawa bezwładności.

Ta niepewność co do natury światła utrzymywała się aż do początek XIX wieków, kiedy to odkryto zjawiska dyfrakcji światła (zaginania się światła wokół przeszkód) i interferencji światła (zwiększania lub osłabiania oświetlenia w wyniku nakładania się na siebie wiązek światła). Zjawiska te są nieodłącznie związane wyłącznie z ruchem falowym. Nie można ich wyjaśnić za pomocą teorii korpuskularnej. Właściwości falowe światła obejmują również rozproszenie światła i polaryzację. Dlatego wydawało się, że teoria fal odniosła ostateczne i całkowite zwycięstwo.

Ta pewność szczególnie się wzmocniła, gdy w drugiej połowie XIX wieku D. Maxwell wykazał, że istnieje światło szczególny przypadek fale elektromagnetyczne. Prace D. Maxwella położyły podwaliny pod elektromagnetyczną teorię światła. Po eksperymentalnym odkryciu fal elektromagnetycznych przez G. Hertza nie było wątpliwości, że światło rozchodzące się zachowuje się jak fala. Jednak na początku XX wieku poglądy na temat natury światła zaczęły się radykalnie zmieniać. Nieoczekiwanie okazało się, że odrzucona teoria korpuskularna nadal ma związek z rzeczywistością. Emitowane i pochłaniane światło zachowuje się jak strumień cząstek. Właściwości falowe światła nie mogły wyjaśnić praw efektu fotoelektrycznego.

Doszło do niezwykłej sytuacji. Zjawiska interferencji, dyfrakcji, polaryzacji światła pochodzącego z konwencjonalnych źródeł światła niezbicie wskazują na falowe właściwości światła. Jednak nawet w tych zjawiskach, w odpowiednich warunkach, światło wykazuje właściwości korpuskularne. Z kolei prawa promieniowania cieplnego ciał, efekt fotoelektryczny i inne bezsprzecznie wskazują, że światło zachowuje się nie jak ciągła, rozciągnięta fala, ale jak przepływ „kęp” (porcji, kwantów) energii, tj. jak strumień cząstek - fotony.

W ten sposób światło łączy w sobie ciągłość fal i dyskretność cząstek. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że fotony istnieją tylko podczas ruchu (z prędkością c), to dochodzimy do wniosku, że światło ma jednocześnie właściwości falowe i korpuskularne, przy czym w niektórych zjawiskach, w pewnych warunkach, główną rolę odgrywają albo właściwości falowe, albo korpuskularne rola, a światło może uwzględniać falę lub cząstki (ciałki).

Nazywa się jednoczesne występowanie w obiektach właściwości falowych i korpuskularnych dualizm korpuskularno-falowy.

Właściwości falowe mikrocząstek. Dyfrakcja elektronów

W 1923 roku francuski fizyk L. de Broglie wysunął hipotezę o powszechności dualizmu falowo-cząsteczkowego. De Broglie argumentował, że nie tylko fotony, ale także elektrony i wszelkie inne cząstki materii, w tym cząstki korpuskularne, również mają właściwości falowe.

Według de Broglie każdy mikroobiekt jest kojarzony z jednej strony z właściwościami korpuskularnymi – energią mi i pęd P, a z drugiej strony charakterystyka fali - częstotliwość ν i długość fali λ .

Charakterystyki korpuskularne i falowe mikroobiektów powiązane są tymi samymi zależnościami ilościowymi, co foton:

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

Hipoteza De Broglie postulowała te zależności dla wszystkich mikrocząstek, w tym także tych, które posiadają masę M. Każda cząstka posiadająca pęd została powiązana z procesem falowym o długości fali \(~\lambda = \dfrac(h)(p)\) . W przypadku cząstek o masie

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

W przybliżeniu nierelatywistycznym ( υ « C)

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

Hipoteza de Broglie opierała się na rozważaniach o symetrii właściwości materii i nie miała wówczas potwierdzenia eksperymentalnego. Ale był to potężny rewolucyjny impuls do rozwoju nowych pomysłów na temat natury obiektów materialnych. W ciągu kilku lat powstało wiele wybitni fizycy XX w. – W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac, N. Bohr i inni – rozwinęli podstawy teoretyczne nowa nauka, co nazwano mechaniką kwantową.

Pierwsze eksperymentalne potwierdzenie hipotezy de Broglie'a uzyskali w 1927 roku amerykańscy fizycy K. Davison i L. Germer. Odkryli, że wiązka elektronów rozproszona na krysztale niklu wytwarza wyraźny wzór dyfrakcyjny podobny do tego, który powstaje w wyniku rozpraszania krótkofalowego promieniowania rentgenowskiego na krysztale. W tych eksperymentach kryształ odgrywał rolę kamienia naturalnego siatka dyfrakcyjna. Według pozycji maksima dyfrakcyjne Wyznaczono długość fali wiązki elektronów, która okazała się w pełni zgodna ze wzorem de Broglie'a.

W następnym roku, 1928, angielski fizyk J. Thomson (syn J. Thomsona, który odkrył elektron 30 lat wcześniej) otrzymał nowe potwierdzenie hipotezy de Broglie’a. W swoich eksperymentach Thomson zaobserwował wzór dyfrakcyjny pojawiający się, gdy wiązka elektronów przechodzi przez cienką polikrystaliczną złotą folię. Na kliszy fotograficznej umieszczonej za folią wyraźnie zaobserwowano koncentryczne jasne i ciemne pierścienie, których promienie zmieniały się wraz z prędkością elektronu (tj. długością fali) według de Broglie'a.

W kolejnych latach eksperyment J. Thomsona powtarzano wielokrotnie z tym samym skutkiem, m.in. w warunkach, gdy przepływ elektronów był na tyle słaby, że przez urządzenie mogła przejść jednocześnie tylko jedna cząstka (V.A. Fabrikant, 1948). W ten sposób udowodniono eksperymentalnie, że właściwości fal są nieodłącznie związane nie tylko z dużym zbiorem elektronów, ale także z każdym elektronem z osobna.

Następnie odkryto także zjawiska dyfrakcyjne dla neutronów, protonów oraz wiązek atomowych i molekularnych. Eksperymentalny dowód obecności falowych właściwości mikrocząstek pozwolił na stwierdzenie, że jest to zjawisko uniwersalne, naturalne, własność ogólna materiał. W związku z tym właściwości falowe muszą być również nieodłączne od ciał makroskopowych. Jednak ze względu na dużą masę ciał makroskopowych, ich właściwości falowych nie można wykryć eksperymentalnie. Przykładowo pyłkowi pyłu o masie 10 -9 g poruszającemu się z prędkością 0,5 m/s odpowiada fali de Broglie'a o długości fali rzędu 10 -21 m, czyli o około 11 rzędów wielkości mniejszej od wielkości atomy. Ta długość fali leży poza obserwowalnym obszarem. Ten przykład pokazuje, że ciała makroskopowe mogą wykazywać jedynie właściwości korpuskularne.

Tym samym potwierdzona eksperymentalnie hipoteza de Broglie’a dotycząca dualizmu korpuskularno-falowego radykalnie zmieniła poglądy na temat właściwości mikroobiektów.

Wszystkie mikroobiekty mają zarówno właściwości falowe, jak i korpuskularne, nie są jednak ani falą, ani cząstką w klasycznym sensie. Różne właściwości mikroobiektów nie pojawiają się jednocześnie, uzupełniają się, jedynie ich całość całkowicie charakteryzuje mikroobiekt. Jest to wzór sformułowany przez słynnego duńskiego fizyka N. Bohra zasada komplementarności. Można z grubsza powiedzieć, że mikroobiekty rozchodzą się jak fale i wymieniają energię jak cząstki.

Z punktu widzenia teorii fal maksima we wzorze dyfrakcji elektronów odpowiadają największej intensywności fal de Broglie'a. Duża liczba elektronów spada w obszarze maksimów zarejestrowanych na kliszy fotograficznej. Jednak proces dostania się elektronów w różne miejsca na kliszy fotograficznej nie jest indywidualny. Zasadniczo nie da się przewidzieć, gdzie spadnie następny elektron po rozproszeniu; istnieje jedynie pewne prawdopodobieństwo, że elektron uderzy w to czy inne miejsce. Zatem opis stanu mikroobiektu i jego zachowania można podać jedynie w oparciu o teorię prawdopodobieństwa.

Fale De Broglie'a nie są falami elektromagnetycznymi i nie mają analogii wśród wszystkich badanych typów fal fizyka klasyczna, ponieważ nie są emitowane przez żadne źródła fal i nie mają związku z propagacją żadnego pola, takiego jak elektromagnetyczne lub inne. Są one powiązane z każdą poruszającą się cząstką, niezależnie od tego, czy jest ona naładowana elektrycznie, czy neutralna.