Vlnovo-časticová dualita svetla znamená, že svetlo má súčasne vlastnosti spojitých elektromagnetických vĺn a vlastnosti diskrétnych fotónov. Tento zásadný záver urobili fyzici v 20. storočí a vyplynul z predchádzajúcich predstáv o svetle. Newton veril, že svetlo je prúd teliesok, to znamená prúd častíc hmoty letiacich v priamke. Táto teória dobre vysvetlila priamočiare šírenie svetla. Pri vysvetľovaní zákonov odrazu a lomu však vznikli ťažkosti a javy difrakcie a interferencie nebolo možné vôbec vysvetliť korpuskulárnou teóriou. Preto vznikla vlnová teória svetla. Táto teória vysvetlila difrakciu a interferenciu, ale mala problémy s vysvetlením priameho svetla. Až v 19. storočí dokázal J. Fresnel s využitím objavov iných fyzikov spojiť už odvodené princípy do jednej teórie, podľa ktorej je svetlo priečne mechanické vlnenie. Neskôr Maxwell zistil, že svetlo je druh elektromagnetického žiarenia. Ale na začiatku 20. storočia sa vďaka Einsteinovým objavom predstavy o svetle opäť zmenili. Svetlo sa začalo chápať ako prúd fotónov. Ale určité vlastnosti svetla boli dokonale vysvetlené vlnovou teóriou. Svetlo má korpuskulárne aj vlnové vlastnosti. V tomto prípade existujú nasledujúce zákonitosti: čím je vlnová dĺžka kratšia, tým jasnejšie sa javia korpuskulárne vlastnosti, čím dlhšia je vlnová dĺžka, tým jasnejšie sú vlastnosti vlny.
Podľa de Broglieho je každý mikroobjekt spojený na jednej strane s korpuskulárnymi charakteristikami - energiou E a hybnosťou p a na druhej strane - s vlnovými charakteristikami - frekvenciou a vlnovou dĺžkou.
V roku 1924 francúzsky fyzik L. de Broglie vyslovil odvážnu hypotézu: vlnovo-časticová dualita má univerzálny charakter, t.j. všetky častice s konečnou hybnosťou P majú vlnové vlastnosti. Takto sa vo fyzike objavil slávny de Broglieho vzorec, kde m je hmotnosť častice, V je jej rýchlosť, h je Planckova konštanta.
takže, korpuskulárne a vlnové vlastnosti mikroobjektu sú nezlučiteľné vzhľadom na ich simultánny prejav, avšak rovnako charakterizujú objekt, t.j. sa navzájom dopĺňajú. Túto myšlienku vyslovil N. Bohr a vytvoril základ najdôležitejšieho metodologického princípu modernej vedy, ktorý v súčasnosti pokrýva nielen fyzikálne vedy, ale aj celé prírodné vedy - princíp komplementarity (1927). Podstatou Princíp komplementarity podľa N. Bohra je nasledovný: bez ohľadu na to, ako ďaleko tieto javy presahujú klasické fyzikálne vysvetlenie, všetky experimentálne údaje musia byť opísané pomocou klasických konceptov. Na úplný popis kvantovomechanických javov je potrebné použiť dva vzájomne sa vylučujúce (doplnkové) súbory klasických pojmov, ktorých kombinácia poskytuje najúplnejšie informácie o týchto javoch ako celku.
Princíp komplementarity ako všeobecný princíp poznania možno formulovať takto: každý skutočný prírodný jav nemožno jednoznačne definovať slovami nášho jazyka a na jeho definovanie sú potrebné aspoň dva navzájom sa vylučujúce dodatočné pojmy. Medzi takéto javy patria napríklad kvantové javy, život, psychika a pod. Bohr najmä videl potrebu uplatniť v biológii princíp komplementarity, ktorý je spôsobený mimoriadne zložitou štruktúrou a funkciami živých organizmov, ktoré im poskytujú s takmer nevyčerpateľnými skrytými schopnosťami.
Ak ste si mysleli, že sme s našimi úžasnými témami upadli do zabudnutia, ponáhľame sa vás sklamať a potešiť: mýlili ste sa! V skutočnosti sa celý ten čas snažíme nájsť prijateľnú metódu prezentácie bláznivých tém súvisiacich s kvantovými paradoxmi. Napísali sme niekoľko konceptov, ale všetky boli vyhodené do chladu. Pretože keď príde na vysvetľovanie kvantových vtipov, sami sme zmätení a priznávame, že veľa nerozumieme (a vo všeobecnosti tejto veci rozumie len málo ľudí, vrátane skvelých svetových vedcov). Bohužiaľ, kvantový svet je tak cudzí filistínskemu svetonázoru, že vôbec nie je hanba priznať si svoje nedorozumenie a pokúsiť sa trochu spoločne pochopiť aspoň základy.
A hoci sa ako obvykle pokúsime rozprávať čo najzrozumiteľnejšie s obrázkami od Google, neskúsený čitateľ bude potrebovať počiatočnú prípravu, preto vám odporúčame, aby ste si prezreli naše predchádzajúce témy, najmä o kvantách a hmote.
Najmä pre humanistov a iných záujemcov – kvantové paradoxy. Časť 1.
V tejto téme si povieme o najčastejšej záhade kvantového sveta – vlnovo-časticovej dualite. Keď hovoríme „najobyčajnejší“, myslíme tým, že fyzici sú už tak unavení, že sa to ani nezdá ako záhada. Ale to všetko preto, že iné kvantové paradoxy sú pre priemernú myseľ ešte ťažšie akceptovateľné.
A bolo to takto. Za starých dobrých čias, niekde v polovici 17. storočia, sa Newton a Huygens nezhodli na existencii svetla: Newton bez hanby vyhlásil, že svetlo je prúd častíc a starý Huygens sa snažil dokázať, že svetlo je vlna. Newton bol ale autoritatívnejší, takže jeho výrok o povahe svetla bol prijatý ako pravdivý a Huygens bol na smiech. A dvesto rokov sa svetlo považovalo za prúd neznámych častíc, ktorých podstatu dúfali, že jedného dňa objavia.
Začiatkom 19. storočia orientalista Thomas Young fušoval do optických prístrojov – v dôsledku toho vzal a uskutočnil experiment, ktorý sa dnes nazýva Youngov experiment a každý fyzik považuje tento experiment za posvätný.
Thomas Young práve nasmeroval lúč (rovnakej farby, takže frekvencia bola približne rovnaká) svetla cez dve štrbiny v doske a umiestnil za ňu ďalšiu dosku obrazovky. A výsledok ukázal svojim kolegom. Ak by svetlo bolo prúdom častíc, potom by sme v pozadí videli dva svetelné pruhy.
Nanešťastie pre celý vedecký svet sa však na obrazovke taniera objavila séria tmavých a svetlých pruhov. Bežným javom nazývaným interferencia je superpozícia dvoch (alebo viacerých vĺn) na sebe.
Mimochodom, práve vďaka interferencii pozorujeme dúhové odtiene na olejovej škvrne alebo na mydlovej bubline.
Inými slovami, Thomas Young experimentálne dokázal, že svetlo sú vlny. Vedecký svet dlho nechcel Jungovi veriť a svojho času bol tak kritizovaný, že dokonca opustil svoje myšlienky vlnovej teórie. Ale dôvera v ich správnosť stále prevládala a vedci začali považovať svetlo za vlnu. Pravda, vlna čoho - to bola záhada.
Tu na obrázku je starý dobrý Jungov experiment.
Treba povedať, že vlnová povaha svetla klasickú fyziku veľmi neovplyvnila. Vedci prepísali vzorce a začali veriť, že čoskoro im celý svet padne k nohám pod jednotným univerzálnym vzorcom na všetko.
Ale už ste uhádli, že Einstein ako vždy všetko pokazil. Problém sa vynoril z druhej strany - vedci boli najskôr zmätení pri výpočte energie tepelných vĺn a objavili pojem kvantá (nezabudnite si o tom prečítať v našej zodpovedajúcej téme ""). A potom s pomocou tých istých kvánt Einstein zasiahol fyziku a vysvetlil fenomén fotoelektrického javu.
Stručne: fotoelektrický efekt (jedným z dôsledkov je expozícia filmu) je vyrazenie elektrónov z povrchu určitých materiálov svetlom. Technicky k tomuto vyradeniu dochádza, ako keby svetlo bolo časticou. Einstein nazval časticu svetla kvantom svetla a neskôr dostal názov - fotón.
V roku 1920 sa k anti-vlnovej teórii svetla pridal úžasný Comptonov efekt: keď je elektrón bombardovaný fotónmi, fotón sa odrazí od elektrónu so stratou energie ("strieľame" na modro, ale červený letí vypnuté), ako biliardová guľa z inej. Compton za to získal Nobelovu cenu.
Tentoraz sa fyzici obávali jednoducho opustiť vlnovú povahu svetla, ale namiesto toho tvrdo premýšľali. Veda stojí pred desivou záhadou: je svetlo vlna alebo častica?
Svetlo, ako každá vlna, má frekvenciu - a to sa dá ľahko skontrolovať. Vidíme rôzne farby, pretože každá farba je jednoducho iná frekvencia elektromagnetického (svetelného) vlnenia: červená je nízka frekvencia, fialová je vysoká frekvencia.
Ale je to úžasné: vlnová dĺžka viditeľného svetla je päťtisíckrát väčšia ako veľkosť atómu – ako sa takáto „vec“ zmestí do atómu, keď atóm absorbuje túto vlnu? Ak len fotón je častica porovnateľná veľkosťou s atómom. Je fotón zároveň veľký aj malý?
Okrem toho, fotoelektrický jav a Comptonov jav jasne dokazujú, že svetlo je stále tok častíc: nedá sa vysvetliť, ako vlna prenáša energiu na elektróny lokalizované v priestore - ak by svetlo bolo vlnou, niektoré elektróny by boli neskôr vyradené než iné, a jav Fotoelektrický efekt by sme nepozorovali. Ale v prípade toku sa jediný fotón zrazí s jediným elektrónom a za určitých podmienok ho vyrazí z atómu.
V dôsledku toho bolo rozhodnuté: svetlo je vlna aj častica. Alebo skôr ani jedno, ani druhé, ale nová predtým neznáma forma existencie hmoty: javy, ktoré pozorujeme, sú len projekciami alebo tieňmi skutočného stavu vecí, podľa toho, ako sa na to, čo sa deje, pozeráte. Keď sa pozrieme na tieň valca osvetleného z jednej strany, vidíme kruh a pri osvetlení z druhej strany vidíme obdĺžnikový tieň. Tak je to aj s časticovou vlnovou reprezentáciou svetla.
Ale ani tu nie je všetko jednoduché. Nemôžeme povedať, že svetlo považujeme za vlnu alebo prúd častíc. Pozrite sa von oknom. Zrazu aj v čisto umytom skle vidíme vlastný odraz, aj keď rozmazaný. v čom je háčik? Ak je svetlo vlnou, potom je ľahké vysvetliť odraz v okne – podobné efekty vidíme na vode, keď sa vlna odráža od prekážky. Ale ak je svetlo prúd častíc, potom nie je také ľahké vysvetliť odraz. Koniec koncov, všetky fotóny sú rovnaké. Ak sú však všetky rovnaké, tak zábrana v podobe okenného skla by na ne mala pôsobiť rovnako. Buď všetky prejdú cez sklo, alebo sa všetky odrážajú. Ale v krutej realite niektoré fotóny preletia cez sklo a my vidíme susedný dom a hneď vidíme svoj odraz.
A jediné vysvetlenie, ktoré ma napadá: fotóny sú vo vlastnej mysli. Nedá sa so stopercentnou pravdepodobnosťou predpovedať, ako sa konkrétny fotón bude správať – či sa zrazí so sklom ako častica alebo ako vlna. Toto je základ kvantovej fyziky – úplne, absolútne náhodné správanie hmoty na mikroúrovni bez akéhokoľvek dôvodu (a v našom svete veľkých množstiev vieme zo skúsenosti, že všetko má svoj dôvod). Ide o dokonalý generátor náhodných čísel, na rozdiel od hodu mincou.
Brilantný Einstein, ktorý objavil fotón, bol až do konca života presvedčený, že kvantová fyzika sa mýli, a ubezpečoval všetkých, že „Boh nehrá kocky“. Moderná veda však čoraz viac potvrdzuje, že hrá.
Tak či onak, jedného dňa sa vedci rozhodli ukončiť debatu o „vlne alebo častici“ a reprodukovať Jungovu skúsenosť s prihliadnutím na technológie 20. storočia. V tom čase sa už naučili strieľať fotóny jeden po druhom (kvantové generátory, medzi obyvateľstvom známe ako „lasery“), a preto bolo rozhodnuté skontrolovať, čo sa stane na obrazovke, ak jedna častica vystrelí jednu časticu na dve štrbiny: konečne sa ukáže, čo je hmota za kontrolovaných experimentálnych podmienok.
A zrazu - jediné kvantum svetla (fotón) ukázalo interferenčný obrazec, to znamená, že častica preletela oboma štrbinami súčasne, fotón interferoval sám so sebou (vedecky povedané). Ujasnime si technickú stránku - v skutočnosti interferenčný obraz nebol zobrazený jedným fotónom, ale sériou záberov na jednu časticu v intervaloch 10 sekúnd - postupom času sa objavili Youngove strapce, ktoré pozná každý študent C od roku 1801. obrazovka.
Z hľadiska vlny je to logické - vlna prechádza trhlinami a teraz sa dve nové vlny rozchádzajú v sústredných kruhoch, ktoré sa navzájom prekrývajú.
Ale z korpuskulárneho hľadiska sa ukazuje, že fotón je pri prechode štrbinami na dvoch miestach súčasne a po prechode sa zmieša so sebou. To je vo všeobecnosti normálne, však?
Ukázalo sa, že je to normálne. Navyše, keďže je fotón v dvoch štrbinách naraz, znamená to, že je súčasne všade pred štrbinami aj po prelete cez ne. A vo všeobecnosti, z hľadiska kvantovej fyziky, uvoľnený fotón medzi štartom a cieľom je súčasne „všade a naraz“. Fyzici takémuto nálezu častice hovoria „všade naraz“ superpozícia – hrozné slovo, ktoré bolo kedysi matematickým rozmaznávaním, sa dnes stalo fyzikálnou realitou.
Istý E. Schrödinger, známy odporca kvantovej fyziky, medzitým niekde vyhrabal vzorec, ktorý popisoval vlnové vlastnosti hmoty, napríklad vody. A keď som sa s tým trochu pohral, na moje zdesenie som vydedukoval takzvanú vlnovú funkciu. Táto funkcia ukázala pravdepodobnosť nájdenia fotónu na určitom mieste. Všimnite si, že toto je pravdepodobnosť, nie presné miesto. A táto pravdepodobnosť závisela od druhej mocniny výšky hrebeňa kvantovej vlny na danom mieste (ak by niekoho zaujímali podrobnosti).
Problematike merania polohy častíc budeme venovať samostatnú kapitolu.
Ďalšie objavy ukázali, že veci s dualizmom sú ešte horšie a záhadnejšie.
V roku 1924 istý Louis de Broglie povedal, že vlnovo-korpuskulárne vlastnosti svetla sú špičkou ľadovca. A túto nepochopiteľnú vlastnosť majú všetky elementárne častice.
To znamená, že častica a vlna zároveň nie sú len častice elektromagnetického poľa (fotóny), ale aj skutočné častice, ako sú elektróny, protóny atď. Všetka hmota okolo nás na mikroskopickej úrovni sú vlny(a častice zároveň).
A o pár rokov neskôr sa to dokonca experimentálne potvrdilo - Američania hnali elektróny v katódových trubiciach (ktoré sú dnešným starým prdám známe pod názvom "kinescope") - a tak pozorovania súvisiace s odrazom elektrónov potvrdili, že elektrón je tiež vlna (pre ľahšie pochopenie možno povedať, že do dráhy elektrónu umiestnili doštičku s dvoma štrbinami a videli interferenciu elektrónu takú, aká je).
Doteraz experimenty zistili, že aj atómy majú vlnové vlastnosti a dokonca aj niektoré špeciálne typy molekúl (takzvané „fullerény“) sa prejavujú ako vlny.
Skúmavá myseľ čitateľa, ktorého náš príbeh ešte neomráčil, sa opýta: ak je hmota vlnou, tak prečo napríklad lietajúca guľa nie je rozmazaná v priestore vo forme vlny? Prečo sa prúdové lietadlo vôbec nepodobá vlne, ale je veľmi podobné prúdovému lietadlu?
De Broglie, diabol, tu všetko vysvetlil: áno, lietajúca lopta alebo Boeing je tiež vlna, ale dĺžka tejto vlny je kratšia, čím väčší je impulz. Hybnosť je hmotnosť krát rýchlosť. To znamená, že čím väčšia je hmotnosť hmoty, tým kratšia je jej vlnová dĺžka. Vlnová dĺžka lopty letiacej rýchlosťou 150 km/h bude približne 0,00 metra. Preto si nie sme schopní všimnúť, ako sa loptička šíri po priestore ako vlna. Pre nás je to pevná hmota.
Elektrón je veľmi ľahká častica a pri lete rýchlosťou 6000 km/s bude mať viditeľnú vlnovú dĺžku 0,0000000001 metra.
Mimochodom, okamžite odpovedzme na otázku, prečo atómové jadro nie je také „vlnové“. Hoci sa nachádza v strede atómu, okolo ktorého elektrón šialene letí a zároveň je rozmazaný, má slušnú hybnosť spojenú s hmotnosťou protónov a neutrónov, ako aj vysokofrekvenčné kmitanie (rýchlosť) spôsobené k existencii neustálej výmeny častíc vo vnútri jadra silná interakcia (prečítaj si tému). Preto je jadro skôr ako pevná hmota, ktorú poznáme. Elektrón je očividne jediná častica s hmotnosťou, ktorá má jasne vyjadrené vlnové vlastnosti, takže ho každý študuje s potešením.
Vráťme sa k našim časticiam. Takže to dopadá: elektrón rotujúci okolo atómu je častica aj vlna. To znamená, že častica rotuje a zároveň elektrón ako vlna predstavuje obal určitého tvaru okolo jadra – ako to môže vôbec pochopiť ľudský mozog?
Vyššie sme už vypočítali, že letiaci elektrón má pomerne obrovskú (na mikrokozmos) vlnovú dĺžku a na to, aby sa zmestila okolo jadra atómu, potrebuje takáto vlna neslušne veľký priestor. To je presne to, čo vysvetľuje také veľké veľkosti atómov v porovnaní s jadrom. Vlnové dĺžky elektrónu určujú veľkosť atómu. Prázdny priestor medzi jadrom a povrchom atómu je vyplnený „akomodáciou“ vlnovej dĺžky (a zároveň častice) elektrónu. Toto je veľmi hrubé a nesprávne vysvetlenie – prosím, odpustite nám – v skutočnosti je všetko oveľa komplikovanejšie, no naším cieľom je aspoň umožniť ľuďom, ktorých toto všetko zaujíma, odhryznúť si kúsok žuly vedy.
Aby sme mali opäť jasno! Po niekoľkých komentároch k článku [v YP] sme si uvedomili, aký dôležitý bod v tomto článku chýbal. Pozor! Forma hmoty, ktorú popisujeme, nie je ani vlna, ani častica. Má len (súčasne) vlastnosti vlny a vlastnosti častíc. Nedá sa povedať, že elektromagnetická vlna alebo elektrónová vlna sú ako morské vlny alebo zvukové vlny. Vlny, ktoré poznáme, predstavujú šírenie porúch v priestore vyplnenom nejakou látkou.
Fotóny, elektróny a iné príklady mikrokozmu, keď sa pohybujú v priestore, sa dajú opísať vlnovými rovnicami, ich správanie je len PODOBNÉ vlne, no v žiadnom prípade nejde o vlnu. S korpuskulárnou štruktúrou hmoty je to podobné: správanie častice je podobné letu malých bodových guľôčok, ale nikdy to nie sú gule.
Toto treba pochopiť a prijať, inak všetky naše myšlienky nakoniec povedú k hľadaniu analógií v makrokozme, a tým sa skončí chápanie kvantovej fyziky a nastúpi friarizmus alebo šarlatánska filozofia, ako je kvantová mágia a tzv. materialita myšlienok.
Zvyšné desivé závery a dôsledky Jungovho modernizovaného experimentu zvážime neskôr v ďalšej časti – Heisenbergova neistota, Schrödingerova mačka, Pauliho vylučovací princíp a kvantová prepletenosť čakajú na trpezlivého a premýšľavého čitateľa, ktorý si naše články prečíta viackrát a bude sa prehrabávať prostredníctvom internetu pri hľadaní ďalších informácií.
Ďakujem vám všetkým za pozornosť. Šťastná nespavosť alebo kognitívne nočné mory všetkým!
Pozn.: Dôsledne pripomíname, že všetky obrázky sú prevzaté z Google (vyhľadávanie podľa obrázkov) - tam sa určuje autorstvo.
Nelegálne kopírovanie textu je stíhané, potláčané, no, viete...
39. Vlnovo-časticová dualita vlastností hmoty.
Dualizmus časticových vĺn vlastností EM žiarenia. To znamená, že na povahu svetla možno uvažovať z dvoch strán: na jednej strane je to vlnenie, ktorého vlastnosti sa prejavujú v zákonoch šírenia svetla, interferencii, difrakcii, polarizácii. Na druhej strane svetlo je prúd častíc, ktoré majú energiu a hybnosť. Korpuskulárne vlastnosti svetla sa prejavujú v procesoch interakcie svetla s hmotou (fotoelektrický jav, Comptonov jav).
Analýzou možno pochopiť, že čím dlhšia je vlnová dĺžka l, tým nižšia je energia (z E = hс/l), čím menšia je hybnosť, tým ťažšie je zistiť kvantové vlastnosti svetla.
Čím menšie l => väčšia energia E fotónu, tým ťažšie je zistiť vlnové vlastnosti svetla.
Vzťah medzi duálnymi časticovými vlnovými vlastnosťami svetla možno vysvetliť, ak sa na zváženie vzorcov distribúcie svetla použije štatistický prístup.
Napríklad difrakcia svetla štrbinou: keď svetlo prechádza štrbinou, fotóny sa prerozdeľujú v priestore. Keďže pravdepodobnosť, že fotón zasiahne rôzne body na obrazovke, nie je rovnaká, objaví sa difrakčný obrazec. Osvetlenie obrazovky (počet fotónov, ktoré na ňu dopadajú) je úmerné pravdepodobnosti, že fotón zasiahne tento bod. Na druhej strane, osvetlenie obrazovky je úmerné druhej mocnine amplitúdy vlny I~E2. Preto štvorec amplitúdy svetelnej vlny v danom bode v priestore je mierou pravdepodobnosti, že fotón zasiahne tento bod v priestore.
44. Schrödingerova rovnica pre stacionárne stavy.
rovnica (217,5) nazývaná Schrödingerova rovnica pre stacionárne stavy. Táto rovnica zahŕňa celkovú energiu ako parameter Ečastice. V teórii diferenciálnych rovníc je dokázané, že takéto rovnice majú nekonečný počet riešení, z ktorých sa uložením okrajových podmienok vyberajú riešenia, ktoré majú fyzikálny význam. Pre Schrödingerovu rovnicu sú takéto podmienky podmienkami pravidelnosti vlnových funkcií: vlnové funkcie musia byť konečné, jednohodnotové a spojité spolu s ich prvými deriváciami. Teda iba tie riešenia, ktoré sú vyjadrené regulárnymi funkciami, majú skutočný fyzikálny význam Ale regulárne riešenia sa neuskutočňujú pre žiadne hodnoty parametra E, a len pre určitý ich súbor, charakteristický pre danú úlohu. Tieto energetické hodnoty sa nazývajú vlastné. Riešenia, ktoré zodpovedajú vlastné energetické hodnoty sa nazývajú vlastné funkcie. Vlastné hodnoty E môžu tvoriť buď súvislý alebo diskrétny rad. V prvom prípade hovoríme o nepretržitý, alebo spojité spektrum v druhom - o diskrétnom spektre.
40. De Broglieho vlny a ich vlastnosti.
De Broglie tvrdil, že nielen fotóny, ale aj elektróny a akékoľvek iné častice hmoty, spolu s korpuskulárnymi, majú tiež vlnové vlastnosti. Takže podľa de Broglieho s každý mikroobjekt sú spojené na jednej strane korpuskulárne charakteristika - energia E a hybnosť R, a na druhej strane - vlnové charakteristiky- frekvencia v a vlnová dĺžka TO. Kvantitatívne vzťahy spájajúce korpuskulárne a vlnové vlastnosti častíc sú rovnaké ako pre fotóny: E= hv, p= h/ . (213.1) Odvážnosť de Broglieho hypotézy spočívala práve v tom, že vzťah (213.1) bol postulovaný nielen pre fotóny, ale aj pre iné mikročastice, najmä pre tie, ktoré majú pokojovú hmotnosť. Každá častica s hybnosťou je teda spojená s vlnovým procesom s určenou vlnovou dĺžkou podľa de Broglieho vzorca: = h/ p. (213.2) Tento vzťah platí pre akúkoľvek časticu s hybnosťou R.Čoskoro sa de Broglieho hypotéza experimentálne potvrdila. (K. Davisson, L. Germer) zistili, že lúč elektrónov rozptýlený z prirodzenej difrakčnej mriežky – niklového kryštálu – dáva zreteľný difrakčný obrazec. Difrakčné maximá zodpovedali Wulff-Braggovmu vzorcu (182.1) a Braggova vlnová dĺžka sa ukázala byť presne rovná vlnovej dĺžke vypočítanej pomocou vzorca (213.2). Následne de Broglieho vzorec potvrdili experimenty P. S. Tartakovského a G. Thomsona, ktorí pozorovali difrakčný obrazec pri prechode lúča rýchlych elektrónov (energia 50 keV) cez kovovú fóliu (hrúbka 1 μm). Keďže difrakčný obrazec bol študovaný pre tok elektrónov, bolo potrebné dokázať, že vlnové vlastnosti sú vlastné nielen toku veľkého súboru elektrónov, ale aj každému elektrónu jednotlivo. Experimentálne to v roku 1948 potvrdil sovietsky fyzik V. A. Fabrikant (nar. 1907). Ukázal, že aj v prípade takto slabého elektrónového lúča, keď každý elektrón prechádza zariadením nezávisle od ostatných (časový interval medzi dvoma elektrónmi je 10 4-krát dlhší ako čas, ktorý potrebuje elektrón prejsť zariadením) , difrakčný obrazec, ktorý vzniká počas dlhej expozície, sa nelíši od difrakčných obrazcov získaných pri krátkom vystavení elektrónovým tokom desiatky miliónov krát intenzívnejším. Vlnové vlastnosti častíc teda nie sú vlastnosťou ich kolektívu, ale sú vlastné každej častici jednotlivo. Následne boli objavené difrakčné javy aj pre neutróny, protóny, atómové a molekulárne lúče. Experimentálny dôkaz prítomnosti vlnových vlastností mikročastíc viedol k záveru, že máme pred sebou univerzálny jav, všeobecnú vlastnosť hmoty. Vlnové vlastnosti však musia byť vlastné aj makroskopickým telesám. Prečo neboli objavené experimentálne? Napríklad častica s hmotnosťou 1 g, ktorá sa pohybuje rýchlosťou 1 m/s, zodpovedá de Broglieho vlne s = 6,62 10 -31 m Táto vlnová dĺžka leží mimo oblasti dostupnej na pozorovanie (periodické štruktúry s periódou d10 -31 m neexistuje). Preto sa predpokladá, že makroskopické telesá prejavujú iba jednu stránku svojich vlastností - korpuskulárnu - a nevykazujú tú vlnovú. Myšlienka duálnej časticovo-vlnovej povahy častíc hmoty je ďalej prehĺbená skutočnosťou, že spojenie medzi celkovou energiou častice sa prenáša na častice hmoty. G a frekvencia v de Broglieho vĺn: e=hv. (213.3) To znamená, že vzťah medzi energiou a frekvenciou vo vzorci (213.3) má charakter univerzálny pomer, platí pre fotóny aj pre akékoľvek iné mikročastice. Platnosť vzťahu (213.3) vyplýva zo zhody so skúsenosťami tých teoretických výsledkov, ktoré boli s jeho pomocou získané v kvantovej mechanike, atómovej a jadrovej fyzike. Experimentálne potvrdená hypotéza De Broglieho o vlnovo-časticovej dualite vlastností hmoty radikálne zmenila predstavu o vlastnostiach mikroobjektov. Všetky mikroobjekty majú korpuskulárne aj vlnové vlastnosti; zároveň žiadnu z mikročastíc nemožno považovať ani za časticu, ani za vlnu v klasickom zmysle. Modernú interpretáciu vlnovo-časticovej duality možno vyjadriť slovami sovietskeho teoretického fyzika V. A. Foka (1898-1974): „Môžeme povedať, že pre atómový objekt existuje potenciálna príležitosť prejaviť sa v závislosti od vonkajších podmienok. buď ako vlna alebo ako častica, alebo prostredným spôsobom. Je to v tomto potenciálnu príležitosť rôzne prejavy vlastností vlastných mikroobjektom tvoria dualizmus vlna-častica. Akékoľvek iné, doslovnejšie chápanie tohto dualizmu vo forme nejakého modelu je nesprávne.“
Úvod
Takmer súčasne boli predložené dve teórie svetla: Newtonova korpuskulárna teória a Huygensova vlnová teória.
Podľa korpuskulárnej teórie alebo teórie odtoku, ktorú predložil Newton na konci 17. storočia, svietiace telesá vyžarujú drobné častice (telieska), ktoré lietajú priamo vo všetkých smeroch a keď sa dostanú do oka, spôsobia pocit svetla. .
Svietiace teleso podľa vlnovej teórie spôsobuje v špeciálnom médiu vypĺňajúcom celý kozmický priestor – svetovom étere – elastické vibrácie, ktoré sa šíria v éteri ako zvukové vlny vzduchom.
V dobe Newtona a Huygensa sa väčšina vedcov pridržiavala Newtonovej korpuskulárnej teórie, ktorá celkom uspokojivo vysvetlila všetky vtedy známe svetelné javy. Odraz svetla bol vysvetlený podobne ako odraz pružných telies pri dopade na rovinu. Lom svetla bol vysvetlený pôsobením veľkých príťažlivých síl na krvinky z hustejšieho prostredia. Vplyvom týchto síl, ktoré sa podľa Newtonovej teórie prejavujú pri priblížení sa k hustejšiemu médiu, dostali ľahké častice zrýchlenie smerované kolmo na hranicu tohto média, v dôsledku čoho zmenili smer pohybu a pri zároveň zvýšili svoju rýchlosť. Ostatné svetelné javy boli vysvetlené podobne.
Následne nové pozorovania, ktoré sa objavili, nezapadali do rámca tejto teórie. Najmä nekonzistentnosť tejto teórie sa zistila, keď sa merala rýchlosť šírenia svetla vo vode. Ukázalo sa, že nie viac, ale menej ako vo vzduchu.
Na začiatku 19. storočia Huygensovu vlnovú teóriu, ktorú jeho súčasníci neuznávali, vyvinuli a zdokonalili Young a Fresnel a získala všeobecné uznanie. V 60. rokoch minulého storočia, po tom, čo Maxwell vypracoval teóriu elektromagnetického poľa, sa ukázalo, že svetlo sú elektromagnetické vlny. Vlnová mechanistická teória svetla bola teda nahradená vlnovou elektromagnetickou teóriou. Svetelné vlny (viditeľné spektrum) zaberajú rozsah 0,4–0,7 µm na stupnici elektromagnetických vĺn. Maxwellova vlnová teória svetla, ktorá považuje žiarenie za nepretržitý proces, nedokázala vysvetliť niektoré novoobjavené optické javy. Bola doplnená o kvantovú teóriu svetla, podľa ktorej sa energia svetelnej vlny vyžaruje, rozdeľuje a absorbuje nie kontinuálne, ale v určitých častiach - svetelných kvantách alebo fotónoch - ktoré závisia len od dĺžky svetelnej vlny. Svetlo má teda podľa moderných koncepcií vlnové aj korpuskulárne vlastnosti.
Rušenie svetla
Vlny, ktoré vytvárajú oscilácie v každom bode priestoru s fázovým rozdielom, ktorý sa v čase nemení, sa nazývajú koherentné. Fázový rozdiel má v tomto prípade konštantnú, ale vo všeobecnosti rôznu hodnotu pre rôzne body v priestore. Je zrejmé, že koherentné môžu byť iba vlny rovnakej frekvencie.
Keď sa v priestore šíri niekoľko koherentných vĺn, oscilácie generované týmito vlnami sa v niektorých bodoch navzájom posilňujú a v iných oslabujú. Tento jav sa nazýva vlnová interferencia. Vlny akejkoľvek fyzickej povahy môžu rušiť. Pozrieme sa na interferenciu svetelných vĺn.
Zdroje koherentných vĺn sa nazývajú aj koherentné. Keď je určitý povrch osvetlený niekoľkými koherentnými svetelnými zdrojmi, vo všeobecnosti sa na tomto povrchu objavujú striedavé svetlé a tmavé pruhy.
Dva nezávislé zdroje svetla, napríklad dve elektrické lampy, nie sú koherentné. Svetelné vlny, ktoré vyžarujú, sú výsledkom sčítania veľkého počtu vĺn vyžarovaných jednotlivými atómami. Vyžarovanie vĺn atómami sa vyskytuje náhodne, a preto neexistujú žiadne konštantné vzťahy medzi fázami vĺn vyžarovaných dvoma zdrojmi.
Keď je povrch osvetlený nekoherentnými zdrojmi, vzor striedajúcich sa svetlých a tmavých pruhov charakteristický pre interferenciu sa neobjaví. Osvetlenie v každom bode sa rovná súčtu osvetlenia vytvoreného každým zo zdrojov samostatne.
Koherentné vlny vznikajú rozdelením lúča svetla z jedného zdroja na dva alebo viac samostatných lúčov.
Rušenie svetla možno pozorovať pri osvetlení priehľadnej platne rôznej hrúbky, najmä platne klinového tvaru, monochromatickými (jednofarebnými) lúčmi. Oko pozorovateľa bude prijímať vlny odrazené od predného aj zadného povrchu platne. Výsledok interferencie je určený rozdielom fáz týchto a iných vĺn, ktorý sa postupne mení so zmenami hrúbky
záznamy. Osvetlenie sa zodpovedajúcim spôsobom mení: ak sa rozdiel v dráhe rušivých vĺn v určitom bode na povrchu dosky rovná párnemu počtu polovičných vĺn, potom sa v tomto bode povrch javí ako svetlý, ak je fázový rozdiel; je nepárny počet polovičných vĺn, bude sa zdať tmavý.Keď je planparalelná platňa osvetlená paralelným lúčom, fázový rozdiel svetelných vĺn odrazených od jej prednej a zadnej plochy je vo všetkých bodoch rovnaký - platňa sa bude javiť ako rovnomerne osvetlená.
Okolo miesta dotyku mierne vypuklého skla s plochým sa pri osvetlení monochromatickým svetlom pozorujú tmavé a svetlé prstence - takzvané Newtonove prstene. Tu hrá úlohu reflexnej fólie najtenšia vrstva vzduchu medzi oboma sklami, ktorá má konštantnú hrúbku pozdĺž sústredných kruhov.
Difrakcia svetla.
Svetelná vlna nemení geometrický tvar čela, keď sa šíri v homogénnom prostredí. Ak sa však svetlo šíri v nehomogénnom prostredí, v ktorom sú napríklad nepriehľadné clony, oblasti priestoru s pomerne prudkou zmenou indexu lomu atď., potom je pozorované skreslenie čela vlny. V tomto prípade dochádza v priestore k redistribúcii intenzity svetelnej vlny. Pri osvetľovaní napríklad nepriehľadných obrazoviek bodovým zdrojom svetla na hranici tieňa, kde by podľa zákonov geometrickej optiky malo dôjsť k prudkému prechodu z tieňa do svetla, vzniká množstvo tmavých a svetlých pruhov. pozorovaná časť svetla preniká do oblasti geometrického tieňa. Tieto javy súvisia s difrakciou svetla.
Takže difrakcia svetla v užšom zmysle je jav svetla ohýbajúceho sa okolo obrysu nepriehľadných telies a svetla vstupujúceho do oblasti geometrického tieňa; v širšom zmysle akákoľvek odchýlka v šírení svetla od zákonov geometrickej optiky.
Sommerfeldova definícia: difrakciou svetla sa rozumie každá odchýlka od priamočiareho šírenia, ak ju nemožno vysvetliť ako výsledok odrazu, lomu alebo ohybu svetelných lúčov v médiách s neustále sa meniacim indexom lomu.
Ak médium obsahuje drobné častice (hmlu) alebo sa index lomu výrazne mení na vzdialenosti rádovo vlnovej dĺžky, potom v týchto prípadoch hovoríme o rozptyle svetla a termín „difrakcia“ sa nepoužíva.
Existujú dva typy difrakcie svetla. Štúdiom difrakčného vzoru v pozorovacom bode umiestnenom v konečnej vzdialenosti od prekážky sa zaoberáme Fresnelovou difrakciou. Ak sa pozorovací bod a zdroj svetla nachádzajú tak ďaleko od prekážky, že lúče dopadajúce na prekážku a lúče smerujúce do pozorovacieho bodu možno považovať za paralelné lúče, potom hovoríme o difrakcii v rovnobežných lúčoch – Fraunhoferovej difrakcii.
Teória difrakcie uvažuje vlnové procesy v prípadoch, keď sú na ceste šírenia vĺn nejaké prekážky.
Pomocou teórie difrakcie sa riešia problémy ako ochrana pred hlukom pomocou akustických clon, šírenie rádiových vĺn po povrchu Zeme, činnosť optických prístrojov (keďže obraz daný šošovkou je vždy difrakčný obrazec), merania kvality povrchu, štúdium štruktúry hmoty a mnohé ďalšie sú riešené.
Polarizácia svetla
Fenomény interferencie a difrakcie, ktoré slúžili na podloženie vlnovej povahy svetla, zatiaľ neposkytujú úplný obraz o povahe svetelných vĺn. Nové vlastnosti nám odhaľuje zážitok z prechodu svetla cez kryštály, najmä cez turmalín.
Zoberme si dve identické pravouhlé turmalínové platne, vyrezané tak, že jedna zo strán obdĺžnika sa zhoduje s určitým smerom vo vnútri kryštálu, ktorý sa nazýva optická os. Položme jednu platňu na druhú tak, aby sa ich osi v smere zhodovali, a cez zložený pár platní prejdeme úzkym lúčom svetla z lampáša alebo slnka. Keďže turmalín je hnedozelený kryštál, stopa prenášaného lúča sa na obrazovke objaví ako tmavozelená škvrna. Začneme otáčať jednu z platní okolo lúča, pričom druhú necháme nehybnú. Zistíme, že stopa lúča zoslabne a keď sa platňa otočí o 90 0, úplne zmizne. Pri ďalšom otáčaní dosky sa stretávacie svetlo opäť začne zosilňovať a svoju predchádzajúcu intenzitu dosiahne, keď sa doska otočí o 180 0, t.j. keď sú optické osi platní opäť rovnobežné. Pri ďalšom otáčaní turmalínu lúč opäť slabne.
Všetky pozorované javy možno vysvetliť, ak sa vyvodia nasledujúce závery.
1) Svetelné vibrácie v lúči smerujú kolmo na čiaru šírenia svetla (svetelné vlny sú priečne).
2) Turmalín je schopný prenášať svetelné vibrácie iba vtedy, keď sú nasmerované určitým spôsobom vzhľadom na jeho os.
3) Vo svetle lampáša (slnka) sa prezentujú priečne vibrácie ľubovoľného smeru a navyše v rovnakom pomere, takže neprevláda ani jeden smer.
Dualita vlny a častíc– vlastnosť akejkoľvek mikročastice odhaliť znaky častice (telieska) a vlny. Vlnovo-časticová dualita sa najzreteľnejšie prejavuje v elementárnych časticiach. Elektrón, neutrón, fotón sa za určitých podmienok správajú ako dobre lokalizované hmotné objekty (častice) vo vesmíre, pohybujúce sa s určitými energiami a impulzmi po klasických trajektóriách a pri iných ako vlny, čo sa prejavuje v ich schopnosti interferencia a difrakcia. Elektromagnetická vlna, rozptylujúca sa na voľných elektrónoch, sa teda správa ako prúd jednotlivých častíc - fotónov, ktoré sú kvantami elektromagnetického poľa (Comptonov jav), pričom hybnosť fotónu je daná vzorcom p = h/λ, kde λ je dĺžka elektromagnetickej vlny a h je Planckova konštanta . Tento vzorec sám o sebe je dôkazom dualizmu. V ňom je vľavo hybnosť jednotlivej častice (fotónu) a vpravo vlnová dĺžka fotónu. Dualita elektrónov, ktoré sme zvyknutí považovať za častice, sa prejavuje v tom, že pri odraze od povrchu monokryštálu sa pozoruje difrakčný obrazec, ktorý je prejavom vlnových vlastností elektrónov. Kvantitatívny vzťah medzi korpuskulárnymi a vlnovými charakteristikami elektrónu je rovnaký ako pre fotón: р = h/λ (р je hybnosť elektrónu a λ je jeho de Broglieho vlnová dĺžka). Dualita vlny a častíc je základom kvantovej fyziky.
Vlna (kožušina) je proces vždy spojený s hmotným prostredím, ktoré zaberá určitý objem v priestore.
64. De Broglie máva. Elektrónová difrakcia Vlnové vlastnosti mikročastíc.
Vývoj myšlienok o korpuskulárnych vlnových vlastnostiach hmoty sa dostal do hypotézy o vlnovej povahe pohybu mikročastíc. Louis de Broglie, z myšlienky symetrie v prírode pre častice hmoty a svetla, pripísal akejkoľvek mikročastici určitý vnútorný periodický proces (1924). Spojením vzorcov E = hν a E = mc 2 získal vzťah ukazujúci, že každá častica má svoje vlastné vlnová dĺžka : λ B = h/mv = h/p, kde p je hybnosť vlnovej častice. Napríklad pre elektrón s energiou 10 eV je de Broglieho vlnová dĺžka 0,388 nm. Následne sa ukázalo, že stav mikročastice v kvantovej mechanike možno opísať určitým komplexom vlnová funkcia súradnice Ψ(q) a modul druhej mocniny tejto funkcie |Ψ| 2 definuje rozdelenie pravdepodobnosti hodnôt súradníc. Túto funkciu prvýkrát zaviedol do kvantovej mechaniky Schrödinger v roku 1926. De Broglieho vlna teda nenesie energiu, ale iba odráža „fázové rozloženie“ nejakého pravdepodobnostného periodického procesu v priestore. Následne je popis stavu objektov mikrosveta pravdepodobnostnej povahy, na rozdiel od objektov makrosveta, ktoré sú opísané zákonmi klasickej mechaniky.
Aby dokázal de Broglieho predstavu o vlnovej povahe mikročastíc, nemecký fyzik Elsasser navrhol použiť kryštály na pozorovanie elektrónovej difrakcie (1925). V USA objavili K. Davisson a L. Germer fenomén difrakcie, keď elektrónový lúč prechádza doskou z niklového kryštálu (1927). Nezávisle od nich difrakciu elektrónov prechádzajúcich cez kovovú fóliu objavili J.P.Thomson v Anglicku a P.S. Tartakovskij v ZSSR. De Broglieho myšlienka o vlnových vlastnostiach hmoty teda našla experimentálne potvrdenie. Následne boli objavené difrakčné, a teda vlnové vlastnosti v atómových a molekulárnych lúčoch. Nielen fotóny a elektróny, ale aj všetky mikročastice majú vlnové vlastnosti častíc.
Objav vlnových vlastností mikročastíc ukázal, že také formy hmoty ako pole (spojitá) a hmota (diskrétna), ktoré boli z pohľadu klasickej fyziky považované za kvalitatívne odlišné, môžu za určitých podmienok vykazovať vlastnosti vlastné obom formám. To hovorí o jednote týchto foriem hmoty. Úplný opis ich vlastností je možný len na základe protichodných, ale vzájomne sa dopĺňajúcich myšlienok.
