Волновые и корпускулярные свойства света кратко. Что такое корпускулярно-волновой дуализм? Количественные параметры фотов

Содержание

Содержание 1
- Введение 2
- 1. Волновые свойства света 3
  - 1.1 Дисперсия 3
  - 1.2 Интерференция 5
  - 1.3 Дифракция. Опыт Юнга 6
  - 1.4 Поляризация 8
- 2. Квантовые свойства света 9
  - 2.1 Фотоэффект 9
  - 2.2 Эффект Комптона 10
- Заключение 11

Введение

Первые представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид, Птолемей и многие другие ученые и философы. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит.

В это же время Эвклидом был сформулирован закон прямолинейного распространения света. Он писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”.

Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эти точки зрения можно считать уже забытыми.

В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа.

Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая - с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет - это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

Согласно же представлениям Гюйгенса, свет - это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде - эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.

Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось.

Однако в нале XIX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности.

При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения - считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х годах XX века удалось непротиворечивым образом объединить в новой выдающейся физической теории - квантовой электродинамике.

1. Волновые свойства света

1.1 Дисперсия

Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то что, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не »(слова из надписи на могиле Ньютона) Основной опыт Ньютона был гениально прост. Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Закрывая отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрывая синим-синее и т.д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет цвета, а лишь разлагает его на составные части. Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180 градусов относительно первой. Собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.

Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате по «Оптике» следующим образом: « Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других - красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета носит название дисперсии (от латинского слова Dispergo-разбрасываю).

В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чистые цвета. Ведь круглые цветные пятна светового пучка, прошедшего через призму, частично перекрывали друг друга. Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель (А), освещенная ярким источником. За щелью располагалась линза (B), дающая на экране (D) изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (C), то изображение щели растянется в спектр, окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Опыт Ньютона изображен на рис.1

Рис.1

Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.

Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:

1.Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия).

2. Белый цвет есть совокупность простых цветов.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например, лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом: показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.

1.2 Интерференция

Интерференцию света наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчет. Многие видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина на поверхности воды. Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.

Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением двух волн, одна из которых (А) отражается от наружной поверхности пленки, а вторая (В)- от внутренней (рис.2)

Рис.2

При этом происходит интерференция световых волн - сложение двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции (усиления или ослабление результирующих колебаний) зависит от толщины пленки и длины волны. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 (отражающаяся от внутренней поверхности пленки) отстанет от волны 1 (отражающейся от наружной поверхности пленки) на цело число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

Для того чтобы при сложении волн образовалась устойчивая интерференционная картина, волны должны быть когерентными, т.е. должны иметь одинаковую длины волны и постоянную разность фаз. Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки, обеспечивается тем, что обе они являются частями одного светового пучка. Волны же, испущенные двумя обычными независимыми источниками, не дают интерференционной картины из-за того, что разность фаз двух волн от таких источников не постоянна.

Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым потокам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, различающихся друг от друга длиной, требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

1.3 Дифракция. Опыт Юнга

Дифракция света в узком смысле - явление огибания светом препятствий и попадание света в область геометрической тени; в широком смысле - всякое отклонение при распространении света от законов геометрической оптики.

Определение Зоммерфельда: под дифракцией света понимают всякое отклонение от прямолинейного распространения, если оно не может быть объяснено как результат отражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с непрерывно меняющимся показателем преломления.

В 1802г. Юнг, открывший интерференцию света, поставил классический опыт по дифракции (рис.3).

Рис.3

В непрозрачной ширме, он проколол булавкой два маленьких отверстия B и C, на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим в свою очередь через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. В следствии дифракции из отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий, Юнг обнаруживал, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем весьма точно.

Исследование дифракции получило свое завершение в работах Френеля. Он детально исследовал различные функции дифракции на опытах и построил количественную теорию дифракции, позволяющую рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий.

С помощью теории дифракции решают такие проблемы, как защита от шумов с помощью акустических экранов, распространение радиоволн над поверхностью Земли, работа оптических приборов (так как изображение, даваемое объективом, - всегда дифракционная картина), измерения качества поверхности, изучение строения вещества и многие другие.

1.4 Поляризация

Новые свойства о характере световых волн показывает опыт над прохождением света через кристаллы, в частности через турмалин.

Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Наложим одну пластинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направлению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Турмалин представляет собой кристалл буро - зеленого цвета, след прошедшего пучка на экране представится в виде тёмно - зеленого пятнышка. Начнем поворачивать одну из пластинок вокруг пучка, оставляя вторую неподвижной. Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда пластинка повернётся на 90 0 , он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда пластинка повернется на 180 0 , т.е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальнейшем вращении турмалина пучок вновь слабеет.

Из данных явлений можно сделать следующие выводы:

1. Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).

2. Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси.

3. В свете фонаря (солнца) представлены поперечные колебания любого направления и притом в одинаковой доле, так что ни одно направление не является преимущественным.

Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, - плоскостью поляризации.

Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т.е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично.

2. Квантовые свойства света

2.1 Фотоэффект

В 1887г. немецкий физик Герц объяснил явление фотоэффекта. Основой этому послужила Гипотеза Планка о квантах.

Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны.

Были сделаны попытки объяснить закономерности внешнего фотоэффекта на основе волновых представлений о свете. Согласно этим представлениям, механизм фотоэффекта выглядит так. На металл падает световая волна. Электроны, находящиеся в его поверхностном слое, поглощают энергию этой волны, и их энергия постепенно увеличивается. Когда она становится больше работы выхода, электроны начинают вылетать из металла. Таким образом, волновая теория света будто бы способна качественно объяснить явление фотоэффекта.

Однако расчеты показали, что при таком объяснении время между началом освещения металла и началом вылета электронов должно быть порядка десяти секунд. Между тем из опыта следует, что t<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Согласно волновой теории кинетическая энергия фотоэлектронов должна возрастать с увеличением интенсивности света, падающего на металл. А интенсивность волны определяется амплитудой колебаний напряжённости Е, а не частотой света. (От интенсивности падающего света зависит лишь число выбиваемых электронов и сила тока насыщения).

Из волновой теории следует, что энергию, необходимую для вырывания электронов из металла, способно дать излучение любой длины волны, если его интенсивность достаточно велика, т.е. что фотоэффект может вызываться любым световым излучением. Однако существует красная граница фотоэффекта, т.е. получаемая электронами энергия зависит не от амплитуды волны, а от ее частоты.

Таким образом, попытки объяснить закономерности фотоэффекта на основе волновых представлений о свете оказались несостоятельными.

2.2 Эффект Комптона

Эффектом Комптона называется изменение частоты или длинны волны фотонов при их рассеянии электронами и нуклонами. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.

Эффект Комптона отличается от фотоэффекта тем, что фотон передает частицам вещества свою энергию не полностью. Частным случаем эффекта Комптона являются рассеяние рентгеновских лучей на электронных оболочках атомов и рассеяние гамма-лучей на атомных ядрах. В простейшем случае эффект Комптона представляет собой рассеяние монохроматических рентгеновских лучей легкими веществами (графит, парафин и др.) и при теоретическом рассмотрении этого эффекта в этом случае электрон считается свободным.

Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, как это делает квантовая теория, что излучение имеет корпускулярную природу.

Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий.

Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором - поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэффект - со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т.е. эффект Комптона.

Заключение

Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь, закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная, протяженная волна, а как поток «сгустков» (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц - фотонов.

Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).

Список использованной литературы

1. Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука 2002.

2. Трофимова Т.И. Курс физики - М.: Высшая школа 2001.

3. Гурский И.П. Элементарная физика под ред. И.В. Савельева - М.: Просвещение 1984

4. Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика - М.: Просвещение 1982.

За последние сто лет наука шагнула далеко вперед в изучении устройства нашего мира как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровне. Потрясающие открытия, принесенные нам специальной и общей теориями относительности, квантовой механикой, до сих пор будоражат умы общественности. Однако любому образованному человеку необходимо разобраться хотя бы в основах современных достижений науки. Одним из наиболее впечатляющих и важных моментов является корпускулярно-волновой дуализм. Это парадоксальное открытие, понимание которого неподвластно интуитивному бытовому восприятию.

Корпускулы и волны

Впервые дуализм обнаружили при исследовании света, который вел себя в зависимости от условий совершенно по-разному. С одной стороны, получалось, что свет - это оптическая электромагнитная волна. С другой стороны - дискретная частица (химическое действие света). Первоначально ученые считали, что эти два представления взаимно исключают друг друга. Однако многочисленные опыты показали, что это не так. Постепенно реальность такого понятия, как корпускулярно-волновой дуализм, стала обыденной. Эта концепция представляет собой основу для изучения поведения сложных квантовых объектов, которые не являются ни волнами, ни частицами, а только приобретают свойства вторых или первых в зависимости от определенных условий.

Опыт с двумя щелями

Дифракция фотонов - наглядная демонстрация дуализма. Детектором заряженных частиц является фотопластинка или люминесцирующий экран. Каждый отдельный фотон отмечался засветкой или точечной вспышкой. Совокупность таких отметок давала интерференционную картину - чередование слабо и сильно засвеченных полосок, что является характеристикой дифракции волны. Это и объясняется таким понятием, как корпускулярно-волновой дуализм. Знаменитый физик и Нобелевский лауреат Ричард Фейнман говорил, что вещество ведет себя в малых масштабах так, что ощутить «естественность» поведения квантов невозможно.

Универсальный дуализм

Однако данный опыт справедлив не только для фотонов. Оказалось, что дуализм - это свойство всего вещества, и он универсален. Гейзенберг утверждал, что материя существует в обоих вариантах попеременно. На сегодняшний день абсолютно доказано, что оба свойства проявляются совершенно одновременно.

Корпускулярная волна

А как объяснить такое поведение материи? Волну, которая присуща корпускулам (частицам), именуют волной де Бройля, по имени молодого аристократа-ученого, предложившего решение данной проблемы. Принято считать, что уравнения де Бройля описывают волновую функцию, которая в квадрате определяет только вероятность того, что частица находится в разное время в разных точках в пространстве. Проще говоря, дебройлевская волна - это вероятность. Таким образом установили равенство между математическим понятием (вероятностью) и реальным процессом.

Квантовое поле

Что такое корпускулы вещества? По большому счету, это кванты волновых полей. Фотон - квант электромагнитного поля, позитрон и электрон - электронно-позитронного, мезон - квант мезонного поля и так далее. Взаимодействие между волновыми полями объясняется обменом между ними некими промежуточными частицами, к примеру, при электромагнитном взаимодействии идет обмен фотонами. Из этого прямо следует еще одно подтверждение того, что волновые процессы, описанные де Бройлем, - это абсолютно реальные физические явления. А корпускулярно-волновой дуализм выступает не как «таинственное скрытое свойство», которое характеризует способность частиц к «перевоплощению». Он наглядно демонстрирует два взаимосвязанных действия - движение объекта и связанный с ним волновой процесс.

Туннельный эффект

Корпускулярно-волновой дуализм света связан со многими другими интересными явлениями. Направление действия волны де Бройля проявляется при так называемом туннельном эффекте, то есть при проникновении фотонов через энергетический барьер. Это явление обусловлено превышением среднего значения импульсом частицы в момент пучности волны. При помощи туннелирования оказалась возможной разработка множества электронных приборов.

Интерференция квантов света

Современная наука говорит про интерференцию фотонов так же загадочно, как и про интерференцию электронов. Получается, что фотон, который является неделимой частицей, одновременно может пройти по любому открытому для себя пути и интерферировать сам с собой. Если учесть, что корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества и фотон являют собой волну, которая охватывает много структурных элементов, то его делимость не исключается. Это противоречит предыдущим воззрениям на частицу как на элементарное неделимое образование. Обладая определенной массой движения, фотон формирует связанную с этим движением продольную волну, которая предшествует самой частице, так как скорость продольной волны больше, чем поперечной электромагнитной. Поэтому существуют два объяснения интерференции фотона самого с собой: частица расщепляется на две составляющие, которые и интерферируют друг с другом; волна фотона проходит по двум путям и формирует интерференционную картину. Опытным путем было обнаружено, что интерференционная картина создается и при пропускании сквозь интерферометр поочередно единичных заряженных частиц-фотонов. Этим подтверждается тезис о том, что каждый отдельный фотон интерферирует сам с собой. Особенно четко это видно при учете того, что свет (не когерентный и не монохроматичный) - это собрание фотонов, которые излучаются атомами во взаимонесвязанных и случайных процессах.

Что такое свет?

Световая волна - это электромагнитное нелокализованное поле, которое распределяется по пространству. Электромагнитное поле волны обладает объемной плотностью энергии, которая пропорциональна квадрату амплитуды. Это значит, что плотность энергии может меняться на любую величину, то есть это непрерывно. С одной стороны, свет - это поток квантов и фотонов (корпускул), которые, благодаря универсальности такого явления, как корпускулярно-волновой дуализм, представляют собой свойства электромагнитной волны. Например, в явлениях интерференции и дифракции и в масштабах свет явно демонстрирует характеристики волны. Например, одиночный фотон, как было описано выше, проходя через двойную щель, создает интерференционную картинку. При помощи экспериментов было доказано, что отдельно взятый фотон - это не электромагнитный импульс. Его нельзя разделить на пучки с делителями лучей, что показали французские физики Аспэ, Роже и Гранжье.

Свет обладает и корпускулярными свойствами, которые проявляются при эффекте Комптона и при фотоэффекте. Фотон может вести себя как частица, которая поглощается объектами целиком, размеры которых намного меньше длины его волны (например, атомным ядром). В некоторых случаях фотоны вообще можно считать точечными объектами. Нет разницы, с какой позиции рассматривать свойства света. В области цветного зрения поток света может выполнять функции и волны, и частицы-фотона как кванта энергии. Предметная точка, сфокусированная на фоторецепторе сетчатки, например, на мембране колбочки, может позволить глазу сформировать собственное отфильтрованное значение как основные спектральные лучи света и отсортировать их по длинам волн. Согласно значениям энергии квантов, в мозге предметная точка будет переведена на ощущение цвета (сфокусированное оптическое изображение).

В 20-х годах XX столетия было установлено, что любая частица имеет корпускулярно-волновую природу. Согласно теории Л. де Бройля (1924 г.), каждой частице с импульсом соответствует волновой процесс с длиной волны λ, т.е. λ = h / p . Чем меньше масса частицы, тем больше длина волны. Для элементарных частиц В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно определить положение частицы в пространстве и ее импульс. Следовательно, нельзя рассчитать траекторию движения электрона в поле ядра, можно лишь оценить вероятность его нахождения в атоме с помощью волновой функции ψ, которая заменяет классическое понятие траектории. Волновая функция ψ характеризует амплитуду волны в зависимости от координат электрона, а ее квадрат ψ 2 определяет пространственное распределение электрона в атоме. В наиболее простом варианте волновая функция зависит от трех пространственных координат и дает возможность определить вероятность нахождения электрона в атомном пространстве или его орбиталь . Таким образом, атомная орбиталь (АО) – область атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая. Волновые функции получаются при решении основополагающего соотношения волновой механики – уравнения Шредингера. (Точное решение получается для атома водорода или водородоподобных ионов, для многоэлектронных систем используются различные приближения). Поверхность, ограничивающая 90–95 % вероятности нахождения электрона или электронной плотности, называют граничной. Атомная орбиталь и плотность электронного облака имеют одинаковую граничную поверхность (форму) и одинаковую пространственную ориентацию. Атомные орбитали электрона, их энергия и направление в пространстве зависят от четырех параметров – квантовых чисел .

Программа представляет компьютерный эксперимент по прохождению электронного пучка через одну или две щели. Она позволяет познакомиться с проявлением двойственной природы микрообъектов, то есть наличием у них волновых и корпускулярных свойств. Иллюстрируется принцип неопределенности Гейзенберга.

Известно, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Волновые свойства проявляются при распространении света (интерференция, дифракция). Корпускулярные свойства проявляются при взаимодействии света с веществом (фотоэффект, излучение и поглощение света атомами).

Свойства фотона как частицы (энергия E и импульс p ) связаны с его волновыми свойствами (частотой ν и длиной волны λ) соотношениями

где h = 6,63·10 –34 Дж∙c – постоянная Планка.

Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. высказал предположение, что сочетание волновых и корпускулярных свойств присуще не только свету, но и любому материальному телу. Согласно де Бройлю, каждому телу массой m , движущемуся со скоростью v , соответствует волновой процесс с длиной волны

Наиболее отчетливо волновые свойства проявляются у элементарных частиц. Это происходит потому, что из-за малой массы частиц длина волны оказывается сравнимой с расстоянием между атомами в кристаллических решетках. В этом случае при взаимодействии пучка частиц с кристаллической решеткой возникает дифракция . Например, электронам с энергией 150 эВ соответствует длина волны λ ≈ 10 –10 м. Такого же порядка межатомные расстояния в кристаллах. Поэтому пучок электронов будет рассеиваться на кристалле как волна, т. е. по законам дифракции.

Для иллюстрации волновых свойств частиц часто используют мысленный эксперимент – прохождение пучка электронов (или других частиц) через щель шириной Δx . С точки зрения волновой теории после дифракции на щели пучок будет уширяться с угловой расходимостью θ ≈ λ / Δx . С корпускулярной точки зрения уширение пучка после прохождения щели объясняется появлением у частиц некоторого поперечного импульса. Разброс значений этого поперечного импульса («неопределенность») есть

Соотношение

Δp x Δx ≈ h

носит название соотношения неопределенностей . Это соотношение на корпускулярном языке выражает наличие волновых свойств у частиц.

Эксперимент по прохождению пучка электронов через две близко расположенные щели может служить еще более яркой иллюстрацией волновых свойств частиц. Этот эксперимент является аналогом оптического интерференционного опыта Юнга .

В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа. Одна из этих теорий связана с именем И.Ньютона, а другая – с именем Х.Гюйгенса.

И. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света , согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

Согласно же представлениям Х.Гюйгенса, свет – это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет И.Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например, на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. К волновым свойствам света можно отнести также дисперсию света, поляризацию. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.

Такая уверенность особенно окрепла, когда Д.Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Д.Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света. После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Г.Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. Однако в начале XX века представления о природе света начали корен-ным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц. Волновыми свойствами света нельзя было объяснить закономерности фотоэффекта.

Возникла необычная ситуация. Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь, закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная, протяженная волна, а как поток «сгустков» (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц – фотонов.

Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с, то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).

Одновременное наличие у объектов волновых и корпускулярных свойств получило название корпускулярно-волнового дуализма .

Волновые свойства микрочастиц. Дифракция электронов

В 1923 году французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связаны, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия E и импульс p , а с другой стороны, волновые характеристики – частота ν и длина волны λ .

Корпускулярные и волновые характеристики микрообъектов связаны такими же количественными соотношениями, как и у фотона:

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

Гипотеза де Бройля постулировала эти соотношения для всех микрочастиц, в том числе и для таких, которые обладают массой m . Любой частице, обладающей импульсом, сопоставлялся волновой процесс с длиной волны \(~\lambda = \dfrac{h}{p}\) . Для частиц, имеющих массу,

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

В нерелятивистском приближении (υ « c )

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

Гипотеза де Бройля основывалась на соображениях симметрии свойств материи и не имела в то время опытного подтверждения. Но она явилась мощным революционным толчком к развитию новых представлений о природе материальных объектов. В течение нескольких лет целый ряд выдающихся физиков XX века – В. Гейзенберг, Э. Шредингер, П. Дирак, Н. Бор и другие – разработали теоретические основы новой науки, которая была названа квантовой механикой.

Первое экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 году американскими физиками К. Девиссоном и Л. Джермером. Они обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся на кристалле никеля, дает отчетливую дифракционную картину, подобную той, которая возникает при рассеянии на кристалле коротковолнового рентгеновского излучения. В этих экспериментах кристалл играл роль естественной дифракционной решетки. По положению дифракционных максимумов была определена длина волны электронного пучка, которая оказалась в полном соответствии с формулой де Бройля.

В следующем 1928 году английский физик Дж. Томсон (сын Дж. Томсона, открывшего за 30 лет до этого электрон) получил новое подтверждение гипотезы де Бройля. В своих экспериментах Томсон наблюдал дифракционную картину, возникающую при прохождении пучка электронов через тонкую поликристаллическую фольгу из золота. На установленной за фольгой фотопластинке отчетливо наблюдались концентрические светлые и темные кольца, радиусы которых изменялись с изменением скорости электронов (т. е. длины волны) согласно де Бройлю.

В последующие годы опыт Дж. Томсона был многократно повторен с неизменным результатом, в том числе при условиях, когда поток электронов был настолько слабым, что через прибор единовременно могла проходить только одна частица (В. А. Фабрикант, 1948 г.). Таким образом, было экспериментально доказано, что волновые свойства присущи не только большой совокупности электронов, но и каждому электрону в отдельности.

Впоследствии дифракционные явления были обнаружены также для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков. Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что это универсальное явление природы, общее свойство материи. Следовательно, волновые свойства должны быть присущи и макроскопическим телам. Однако вследствие большой массы макроскопических тел их волновые свойства не могут быть обнаружены экспериментально. Например, пылинке массой 10 -9 г, движущийся со скоростью 0,5 м/с соответствует волна де Бройля с длиной волны порядка 10 -21 м, т. е. приблизительно на 11 порядков меньше размеров атомов. Такая длина волны лежит за пределами доступной наблюдению области. Этот пример показывает, что макроскопические тела могут проявлять только корпускулярные свойства.

Таким образом, подтвержденная экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме коренным образом изменила представления о свойствах микрообъектов.

Всем микрообъектам присущи и волновые, и корпускулярные свойства, однако, они не являются ни волной, ни частицей в классическом понимании. Разные свойства микрообъектов не проявляются одновременно, они дополняют друг друга, только их совокупность характеризует микрообъект полностью. В этом заключается сформулированный знаменитым датским физиком Н. Бором принцип дополнительности . Можно условно сказать, что микрообъекты распространяются как волны, а обмениваются энергией как частицы.

С точки зрения волновой теории, максимумы в картине дифракции электронов соответствуют наибольшей интенсивности волн де Бройля. В области максимумов, зарегистрированных на фотопластинке, попадает большое число электронов. Но процесс попадания электронов в различные места на фотопластинке не индивидуален. Принципиально невозможно предсказать, куда попадет очередной электрон после рассеяния, существует лишь определенная вероятность попадания электрона в то или иное место. Таким образом, описание состояния микрообъекта и его поведения может быть дано только на основе теории вероятности.

Волны де Бройля не являются электромагнитными волнами и не имеют аналогии среди всех видов волн, изучаемых в классической физике, т.к. они не испускаются какими-либо источниками волн и не имеют отношения к распространению какого-либо поля, например электромагнитного или какого-либо другого. Они связаны с любой движущейся частицей вне зависимости от того, является ли она электрически заряженной или нейтральной.

Характеристика состояния электронов в атоме основана на положении квантовой механики о двойственной природе электрона, обладающего одновременно свойствами частицы и волны.

Впервые двойственная корпускулярно-волновая природа была установлена для света. Исследования ряда явлений (излучение раскаленных тел, фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями (квантами). Предположение о квантовании энергии впервые было высказано Максом Планком (1900 г.) и обосновано Альбертом Эйнштейном (1905 г.): энергия кванта (∆Е) зависит от частоты излучения (ν):

∆Е = hν, где h = 6,63·10 -34 Дж·с – постоянная Планка.

Приравнивая энергию фотона hν к полному запасу его энергии mс 2 и, учитывая, что ν=с/λ, получаем соотношение выражающее взаимосвязь волновых и корпускулярных свойств фотона:

В 1924 году Луи де Бройль предположил, что двойственная корпускулярно-волновая природа присуща не только излучению, но и любой материальной частице: каждой частице, имеющей массу(m) и движущейся со скоростью (υ) соответствует волновой процесс с длиной волны λ:

λ = h / m υ (55)

Чем меньше масса частицы, тем больше длина волны. Поэтому обнаружить волновые свойства у макрочастиц трудно.

В 1927 г. Американские ученые Девиссон и Джермер, англичанин Томсон и советский ученый Тартаковский независимо друг от друга обнаружили дифракцию электронов, что явилось экспериментальным подтверждением волновых свойств электронов. Позднее была открыта дифракция (интерференция) α-частиц, нейтронов, протонов, атомов и даже молекул. В настоящее время дифракция электронов используется для исследования строения вещества.

В волновых свойствах элементарных частиц заложен один из принципов волновой механики: принцип неопределенности (В. Гейзенберг 1925 г.): для малых тел атомного масштаба невозможно одновременно точно определить положение частицы в пространстве и ее скорость (импульс). Сем точнее определены координаты частицы, тем менее определенной становится ее скорость, и наоборот. Соотношение неопределенностей имеет вид:

где ∆х – неопределенность положения частицы, ∆Р х – неопределенность величины импульса или скорости в направлении х. Аналогичные соотношения записываются и для координат y и z. Величина ℏ, входящая в соотношение неопределенности, очень мала, поэтому для макрочастиц неопределенности в значениях координат и импульсов ничтожны.

Следовательно, нельзя рассчитать траекторию движения электрона в поле ядра, можно лишь оценить вероятность его нахождения в атоме с помощью волновой функции ψ, которая заменяет классическое понятие траектории. Волновая функция ψ характеризует амплитуду волны в зависимости от координат электрона, а ее квадрат ψ 2 определяет пространственное распределение электрона в атоме. В наиболее простом варианте волновая функция зависит от трех пространственных координат и дает возможность определить вероятность нахождения электрона в атомном пространстве или его орбиталь . Таким образом, атомная орбиталь (АО) – область атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая.

Волновые функции получаются при решении основополагающего соотношения волновой механики – уравнения Шредингера (1926 г):

(57)

где h- постоянная Планка, - переменная величина, U – потенциальная энергия частицы, Е – полная энергия частицы, x, y,z, - координаты.

Таким образом, квантование энергии микросистемы вытекает непосредственно из решения волнового уравнения. Волновая функция полностью характеризует состояние электрона.

Волновая функция системы – это функция состояния системы, квадрат которой равен плотности вероятности нахождения электронов в каждой точке пространства. Она должна удовлетворять стандартным условиям: быть непрерывной, конечной, однозначной, обращаться в нуль там, где электрон отсутствует.

Точное решение получается для атома водорода или водородоподобных ионов, для многоэлектронных систем используются различные приближения. Поверхность, ограничивающая 90–95 % вероятности нахождения электрона или электронной плотности, называют граничной. Атомная орбиталь и плотность электронного облака имеют одинаковую граничную поверхность (форму) и одинаковую пространственную ориентацию. Атомные орбитали электрона, их энергия и направление в пространстве зависят от четырех параметров – квантовых чисел :главного, орбитального, магнитного и спинового. Первые три характеризуют движение электрона в пространстве, а четвертое – вокруг собственной оси.

Квантовое число n – главное . Оно определяет энергетический уровень электрона в атоме, удаленность уровня от ядра и размер электронного облака. Принимает целые значения от 1 до ∞ и соответствует номеру периода. Из периодической системы для любого элемента по номеру периода можно определить число энергетических уровней атома, и какой энергетический уровень является внешним. Чем больше n , тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. При n = 1 атом водорода находится в основном состоянии, при n > 1 – в возбужденном. Если n ∞, то электрон покинул атомный объем. Произошла ионизация атома.

Например , элемент кадмий Cd расположен в пятом периоде, значит n=5. В его атоме электроны распределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5).

Так как электрон обладает наряду со свойствами волны и свойствами материальной частицы, то он, обладая массой m, скоростью движения V, и находясь на расстоянии от ядра r, обладает моментом количества движения: μ=mVr.

Момент количества движения – это вторая (после энергии) характеристика электрона и выражается через побочное (азимутальное, орбитальное) квантовое число.

Орбитальное квантовое число l - определяет форму электронного облака (рис. 7), энергию электрона на подуровне, количество энергетических подуровней. Принимает значения от 0 до n – 1. Кроме числовых значений l имеет буквенные обозначения. Электроны с одинаковым значением l образуют подуровень.

В каждом квантовом уровне число подуровней строго ограничено и равно номеру слоя. Подуровни, как и энергетические уровни, нумеруются в порядке их удаления от ядра (табл. 26).