Valon korpuskulaariset ominaisuudet. Aalto- ja verisoluteoriat. Valon korpuskulaariset ominaisuudet Valon aalto- ja korpuskulaariset ominaisuudet lyhyesti

Viimeisten sadan vuoden aikana tiede on edistynyt suuresti maailmamme rakenteen tutkimisessa sekä mikroskooppisella että makroskooppisella tasolla. Erikoisten ja yleisten suhteellisuusteorioiden, kvanttimekaniikan meille tuomat hämmästyttävät löydöt kiihottavat edelleen yleisöä. Kuitenkin kuka tahansa koulutettu henkilö on välttämätöntä ymmärtää ainakin tieteen nykyaikaisten saavutusten perusteet. Yksi vaikuttavimmista ja tärkeimmistä kohdista on aalto-hiukkasten kaksinaisuus. Tämä on paradoksaalinen löytö, jonka ymmärtäminen ei ole intuitiivisen jokapäiväisen havainnon alainen.

Korpuskkelit ja aallot

Ensimmäistä kertaa valontutkimuksessa löydettiin dualismi, joka käyttäytyi olosuhteista riippuen täysin eri tavoin. Toisaalta kävi ilmi, että valo on optinen sähkömagneettinen aalto. Toisaalta on olemassa erillinen hiukkanen (valon kemiallinen vaikutus). Aluksi tutkijat uskoivat, että nämä kaksi näkemystä ovat toisensa poissulkevia. Lukuisat kokeet ovat kuitenkin osoittaneet, että näin ei ole. Vähitellen sellaisen käsitteen todellisuus kuin aalto-hiukkasten kaksinaisuus tuli yleiseksi. Tämä käsite on perusta monimutkaisten kvanttiobjektien käyttäytymisen tutkimiselle, jotka eivät ole aaltoja eivätkä hiukkasia, vaan saavat vain jälkimmäisen tai edellisen ominaisuudet tietyistä ehdoista riippuen.

Kokeile kahdella raolla

Fotonidiffraktio on selvä osoitus dualismista. Varautuneiden hiukkasten ilmaisin on valokuvalevy tai luminesoiva näyttö. Jokainen yksittäinen fotoni oli merkitty soihdulla tai pistesalamalla. Tällaisten merkkien yhdistelmä antoi interferenssikuvion - heikosti ja voimakkaasti valaistujen raitojen vuorottelun, mikä on aaltojen diffraktiolle ominaista. Tämä selittyy sellaisella käsitteellä kuin korpuskulaari-aaltodualismi. kuuluisa fyysikko ja Nobelisti Richard Feynman sanoi, että aine käyttäytyy pienessä mittakaavassa siten, että on mahdotonta tuntea kvanttien käyttäytymisen "luonnollisuutta".

Universaali dualismi

Tämä kokemus ei kuitenkaan koske vain fotoneja. Kävi ilmi, että dualismi on kaiken aineen ominaisuus, ja se on universaalia. Heisenberg väitti, että ainetta on olemassa molemmissa versioissa vuorotellen. Tähän mennessä on täysin todistettu, että molemmat ominaisuudet ilmenevät täysin samanaikaisesti.

corpuscular aalto

Kuinka selittää aineen tällainen käyttäytyminen? Aaltoa, joka on luontainen kudoksille (hiukkasille), kutsutaan de Broglie-aaltoksi nuoren aristokraattisen tiedemiehen mukaan, joka ehdotti ratkaisua tähän ongelmaan. On yleisesti hyväksyttyä, että de Broglien yhtälöt kuvaavat aaltofunktiota, joka neliössä määrittää vain todennäköisyyden, että hiukkanen on eri pisteissä avaruudessa eri aikoina. Yksinkertaisesti sanottuna de Broglie-aalto on todennäköisyys. Näin ollen matemaattisen käsitteen (todennäköisyys) ja todellisen prosessin välille luotiin tasa-arvo.

kvanttikenttä

Mitä ovat ainesolut? Yleensä nämä ovat aaltokenttien kvantteja. Fotoni on sähkömagneettisen kentän kvantti, positroni ja elektroni ovat elektroni-positronikentän kvantti, mesoni on mesonikentän kvantti ja niin edelleen. Aaltokenttien välinen vuorovaikutus selittyy joidenkin välihiukkasten välisellä vaihdolla, esimerkiksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen aikana fotoneja vaihtuu. Tämä merkitsee suoraan toista vahvistusta siitä, että de Broglien kuvaamat aaltoprosessit ovat täysin todellisia. fyysisiä ilmiöitä. Ja korpuskulaarinen-aaltodualismi ei toimi "salaperäisenä piilotettuna ominaisuutena", joka luonnehtii hiukkasten kykyä "reinkarnoitua". Se osoittaa selvästi kaksi toisiinsa liittyvää toimintaa - esineen liikettä ja siihen liittyvää aaltoprosessia.

tunneliefekti

Valon aalto-hiukkas-kaksoisisuus liittyy moniin muihin mielenkiintoisiin ilmiöihin. De Broglien aallon toiminnan suunta ilmenee ns. tunneliefektinä eli fotonien tunkeutuessa energiaesteen läpi. Tämä ilmiö johtuu siitä, että hiukkasen liikemäärä ylittää keskiarvon aallon antisolmun hetkellä. Tunneloinnin avulla oli mahdollista kehittää erilaisia ​​elektronisia laitteita.

Valokvanttien häiriö

moderni tiede puhuu fotonien interferenssistä yhtä mystisesti kuin elektronien häiriöistä. Osoittautuu, että fotoni, joka on jakamaton hiukkanen, voi samanaikaisesti kulkea minkä tahansa itselleen avoimen polun läpi ja häiritä itseään. Jos otamme huomioon, että aineen ja fotonin ominaisuuksien korpuskulaari-aaltodualismi on aalto, joka kattaa monia rakenneosat, silloin sen jaotettavuus ei ole poissuljettu. Tämä on ristiriidassa aiempien näkemysten kanssa hiukkasesta alkeellisena jakamattomana muodostelmana. Tietyn liikemassan omaava fotoni muodostaa tähän liikkeeseen liittyvän pitkittäisen aallon, joka edeltää itse hiukkasta, koska nopeus pitkittäinen aalto enemmän kuin poikittaissähkömagneettinen. Siksi fotonin häiriölle itsensä kanssa on kaksi selitystä: hiukkanen jakautuu kahdeksi komponentiksi, jotka häiritsevät toisiaan; fotoniaalto kulkee kahta polkua pitkin ja muodostaa interferenssikuvion. Kokeellisesti havaittiin, että interferenssikuvio syntyy myös yksittäisten varautuneiden fotonien kulkeessa vuorotellen interferometrin läpi. Tämä vahvistaa väitteen, että jokainen yksittäinen fotoni häiritsee itseään. Tämä on erityisen selvää, kun otetaan huomioon se tosiasia, että valo (ei koherentti eikä monokromaattinen) on kokoelma fotoneja, joita atomit emittoivat toisiinsa liittymättömissä ja satunnaisissa prosesseissa.

Mikä on valo?

Valoaalto on sähkömagneettinen lokalisoimaton kenttä, joka on jakautunut avaruuteen. Aallon sähkömagneettisella kentällä on tilavuusenergiatiheys, joka on verrannollinen amplitudin neliöön. Tämä tarkoittaa, että energiatiheys voi muuttua minkä verran tahansa, eli se on jatkuvaa. Toisaalta valo on kvanttien ja fotonien (korpuskkelien) virta, jotka aalto-hiukkasten kaksinaisuuden kaltaisen ilmiön universaalisuuden vuoksi ovat sähkömagneettisen aallon ominaisuuksia. Esimerkiksi häiriö- ja diffraktioilmiöissä ja asteikoissa valolla on selvästi aallon ominaisuuksia. Esimerkiksi yksi fotoni, kuten yllä on kuvattu, kulkee kaksoisraon läpi, luo interferenssikuvion. Kokeiden avulla osoitettiin, että yksi fotoni ei ole sähkömagneettinen pulssi. Sitä ei voida jakaa säteenjakajilla varustettuihin palkkeihin, kuten ranskalaiset fyysikot Aspe, Roger ja Grangier ovat osoittaneet.

Valolla on myös korpuskulaarisia ominaisuuksia, jotka ilmenevät Compton-ilmiössä ja valosähköisessä efektissä. Fotoni voi käyttäytyä kuin hiukkanen, joka absorboituu kokonaisiin esineisiin, jotka ovat paljon pienempiä kuin sen aallonpituus (esim. atomiydin). Joissakin tapauksissa fotoneja voidaan yleensä pitää pisteobjekteina. Sillä ei ole väliä, missä asennossa valon ominaisuuksia tarkastellaan. Värinäön alalla valovirta voi suorittaa sekä aallon että hiukkasfotonin toiminnot energiakvanttina. Verkkokalvon fotoreseptoriin fokusoitu kohdepiste, kuten kartiokalvo, voi antaa silmän muodostaa oman suodatetun arvonsa pääspektrivalonsäteiksi ja lajitella ne aallonpituuden mukaan. Kvanttienergian arvojen mukaan aivoissa kohdepiste muunnetaan värin aistimiseksi (tarkennettu optinen kuva).

Klassisen fysiikan käsitteiden mukaan valo on sähkömagneettisia aaltoja tietyllä taajuusalueella. Valon vuorovaikutus aineen kanssa tapahtuu kuitenkin ikään kuin valo olisi hiukkasvirta.

Newtonin aikana oli kaksi hypoteesia valon luonteesta - corpuscular, jota Newton noudatti, ja Aalto. Kokeellisen tekniikan ja teorian jatkokehitys teki valinnan aaltoteoria .

Mutta XX vuosisadan alussa. uusia ongelmia ilmaantui: valon vuorovaikutusta aineen kanssa ei voitu selittää puitteissa aaltoteoria.

Kun metallipala valaistaan ​​valolla, siitä lentää elektroneja ( valosähköinen ilmiö). Oli odotettavissa, että emittoituneiden elektronien nopeus (niiden kineettinen energia) olisi sitä suurempi, mitä suurempi on tulevan aallon energia (valon intensiteetti), mutta kävi ilmi, että elektronien nopeus ei yleensä riipu valon intensiteetistä, vaan sen määrää sen taajuus (väri).

Valokuvaus perustuu siihen, että jotkin materiaalit tummuvat valolla valaistuksen ja sitä seuraavan kemiallisen käsittelyn jälkeen ja niiden mustennuksen aste on verrannollinen valaistukseen ja valaistusaikaan. Jos kerros tällaista materiaalia (valokuvalevy) valaistaan ​​valolla tietyllä taajuudella, homogeeninen pinta muuttuu kehityksen jälkeen mustaksi. Valon intensiteetin pienentyessä saamme tasalaatuisia pintoja, joissa on yhä pienempi mustumisaste (eri sävyt harmaa väri). Ja kaikki päättyy siihen, että erittäin alhaisella valaistuksella emme saa pinnan mustumista kovinkaan vähän, vaan mustia pisteitä satunnaisesti hajallaan pinnalle! Ikään kuin valo osuisi vain näihin paikkoihin.

Valon ja aineen vuorovaikutuksen piirteet pakottivat fyysikot palaamaan korpuskulaarinen teoria.

Valon vuorovaikutus aineen kanssa tapahtuu ikään kuin valo olisi hiukkasvirta, energiaa Ja pulssi jotka liittyvät valon taajuuteen suhteilla

E=hv;p=E /c=hv /c,

Missä h on Planckin vakio. Näitä hiukkasia kutsutaan fotonit.

valosähköinen ilmiö voitaisiin ymmärtää, jos ottaa näkökulman korpuskulaarinen teoria ja pitää valoa hiukkasvirtana. Mutta sitten syntyy ongelma, mitä tehdä valon muille ominaisuuksille, joita on käsitelty laajassa fysiikan haarassa - optiikka perustuu siihen tosiasiaan, että valo on sähkömagneettista aaltoa.

Tilannetta, jossa yksittäisiä ilmiöitä selitetään erityisillä oletuksilla, jotka eivät sovi yhteen tai ovat jopa ristiriidassa keskenään, ei voida hyväksyä, koska fysiikka väittää luovansa yhtenäisen kuvan maailmasta. Ja tämän väitteen paikkansapitävyyden vahvistus oli vain se tosiasia, että vähän ennen valosähköisen vaikutuksen yhteydessä syntyneitä vaikeuksia optiikka pelkistettiin sähködynamiikkaan. Ilmiöitä häiriötä Ja diffraktio ei todellakaan ollut samaa mieltä hiukkasia koskevien ajatusten kanssa, mutta jotkin valon ominaisuudet selitetään yhtä hyvin molemmista näkökulmista. Sähkömagneettisella aallolla on energiaa ja liikemäärä, ja liikemäärä on verrannollinen energiaan. Kun valo imeytyy, se siirtää vauhtiaan, eli esteeseen vaikuttaa valon voimakkuuteen verrannollinen painevoima. Hiukkasten virtaus kohdistaa myös painetta esteeseen ja sopivalla suhteella hiukkasen energian ja liikemäärän välillä paine on verrannollinen virtauksen intensiteettiin. Tärkeä saavutus teoria oli selitys valon hajoamisesta ilmassa, mikä teki selväksi erityisesti sen, miksi taivas on sininen. Se seurasi teoriasta, että valon taajuus ei muutu sironnan aikana.

Kuitenkin, jos ottaa näkökulman korpuskulaarinen teoria ja ota huomioon, että valon ominaisuus, joka aaltoteoriassa liittyy taajuuteen (väriin), korpuskulaarisessa teoriassa liittyy hiukkasen energiaan, käy ilmi, että sironnan aikana (fotonin törmäys sirontahiukkasen kanssa) sironneen fotonin energian pitäisi laskea. Erityisesti tehdyt kokeet röntgensäteiden sironnasta, jotka vastaavat hiukkasia, joiden energia on kolme suuruusluokkaa suurempi kuin näkyvän valon, osoittivat, että korpuskulaarinen teoria totta. Valoa tulee pitää hiukkasvirtana, ja interferenssin ja diffraktion ilmiöt selitettiin kvanttiteorian puitteissa. Mutta samaan aikaan käsitys hiukkasesta häviävän pienikokoisena esineenä, joka liikkuu tiettyä liikerataa pitkin ja jolla on tietty nopeus jokaisessa pisteessä, on myös muuttunut.

Uusi teoria ei kumoa vanhan oikeita tuloksia, mutta se voi muuttaa niiden tulkintaa. Joten jos sisään aaltoteoria Väri liittyy aallonpituuteen corpuscular se liittyy vastaavan hiukkasen energiaan: silmässämme punaisen tunteen aiheuttavilla fotoneilla on vähemmän energiaa kuin sinisellä. materiaalia sivustolta

Valon osalta suoritettiin koe elektroneilla (Yung-han kokemus). Näytön valaistus rakojen takana oli saman muotoinen kuin elektronien ja tämä kuva valon häiriöt, putoaminen ruudulle kahdesta raosta, toimi todisteena valon aaltoluonteesta.

Ongelma liittyy hiukkasten aalto- ja korpuskulaariset ominaisuudet on todella pitkä historia. Newton uskoi, että valo on hiukkasvirta. Mutta samaan aikaan liikkeellä oli hypoteesi valon aaltoluonteesta, joka liittyy erityisesti Huygensin nimeen. Tuolloin olemassa olleet tiedot valon käyttäytymisestä (suoraviivainen eteneminen, heijastus, taittuminen ja dispersio) selitettiin yhtä hyvin molemmista näkökulmista. Tässä tapauksessa valoaaltojen tai hiukkasten luonteesta ei tietenkään voitu sanoa mitään varmaa.

Myöhemmin kuitenkin ilmiöiden havaitsemisen jälkeen häiriötä Ja diffraktio Sveta ( alku XIX c.) Newtonin hypoteesi hylättiin. Valon "aalto tai hiukkanen" dilemma ratkaistiin kokeellisesti aallon hyväksi, vaikka valoaaltojen luonne jäikin epäselväksi. Lisäksi niiden luonne kävi selväksi. Valoaallot osoittautuivat tiettyjen taajuuksien sähkömagneettisiksi aalloksi, eli sähkömagneettisen kentän häiriöiden etenemistä. Aaltoteoria näytti lopulta voittavan.

Tällä sivulla materiaalia aiheista:

Vuonna 1900 julkaistiin M. Planckin ongelmalle omistettu teos lämpösäteilyä puh. M. Planck mallinsi aineen eri taajuuksilla olevien harmonisten oskillaattorien joukkona. Olettaen, että säteilyä ei tapahdu jatkuvasti, vaan osissa - kvantteina, hän sai kaavan energian jakautumiselle lämpösäteilyn spektrissä, joka oli hyvin sopusoinnussa kokeellisten tietojen kanssa

missä h on Planckin vakio, k on Boltzmannin vakio, T on lämpötila, ν on säteilytaajuus.

Joten ensimmäistä kertaa fysiikassa ilmestyi uusi perusvakio - Planckin vakio. Planckin hypoteesi lämpösäteilyn kvanttiluonteesta on ristiriidassa klassisen fysiikan perusteiden kanssa ja osoitti sen sovellettavuuden rajat.
Viisi vuotta myöhemmin A. Einstein yleistessään M. Planckin idean osoitti, että kvantisointi on yhteistä omaisuutta elektromagneettinen säteily. Einsteinin mukaan sähkömagneettinen säteily koostuu kvanteista, joita myöhemmin kutsutaan fotoneiksi. Jokaisella fotonilla on tietty energia ja liikemäärä:

E = hν, = (h/λ),

missä λ ja ν ovat fotonin aallonpituus ja taajuus, on yksikkövektori aallon etenemissuunnassa.

Ajatukset sähkömagneettisen säteilyn kvantisoinnista mahdollistivat valosähköilmiön lait, joita G. Hertz ja A. Stoletov tutkivat kokeellisesti. Kvanttiteorian perusteella A. Compton selitti vuonna 1922 vapaiden elektronien aiheuttaman sähkömagneettisen säteilyn elastisen sironnan ilmiön, johon liittyy valon aallonpituuden kasvu. Sähkömagneettisen säteilyn kaksoisluonteen - aalto-hiukkas -kaksinaisuuden löytämisellä oli merkittävä vaikutus kvanttifysiikan kehitykseen, aineen luonteen selittämiseen.

Vuonna 1924 Louis de Broglie esitti hypoteesin aalto-hiukkasten kaksinaisuuden universaalisuudesta. Tämän hypoteesin mukaan ei vain fotoneilla, vaan myös kaikilla muilla ainehiukkasilla, samoin kuin korpuskulaarisilla, on myös aaltoominaisuuksia. Hiukkasten korpuskulaarisia ja aalto-ominaisuuksia yhdistävät suhteet ovat samat kuin aiemmin fotoneilla

E = h = ω , = , |p| = h/λ /,

jossa h = 2π, ω = 2πν, = 2π on (de Broglie) aallonpituus, joka voidaan liittää hiukkaseen. Aaltovektori on suunnattu hiukkasen liikkeen suuntaan. Suorat kokeet, jotka vahvistivat ajatuksen aalto-hiukkasten kaksinaisuudesta, olivat K. Davissonin ja L. Germerin vuonna 1927 tekemät kokeet elektronidiffraktiosta nikkelin yksikiteellä. Myöhemmin havaittiin myös muiden mikrohiukkasten diffraktiota. Hiukkasdiffraktiomenetelmää käytetään nykyään laajalti aineen rakenteen ja ominaisuuksien tutkimuksessa.
Korpuskulaaristen aaltojen dualismin idean kokeellinen vahvistus johti tavanomaisten käsitysten tarkistamiseen hiukkasten liikkeestä ja hiukkasten kuvaustavasta. Klassikkoon aineellisia pisteitä joille on ominaista liike tiettyjä lentoratoja pitkin niin, että niiden koordinaatit ja liikemäärä tunnetaan milloin tahansa tarkasti. varten kvanttihiukkasia Tätä väitettä ei voida hyväksyä, koska kvanttihiukkaselle hiukkasen liikemäärä on suhteessa sen aallonpituuteen, ja on merkityksetöntä puhua aallonpituudesta tietyssä avaruuden pisteessä. Siksi kvanttihiukkaselle on mahdotonta määrittää samanaikaisesti tarkasti sen koordinaattien ja liikemäärän arvoja. Jos hiukkanen sijaitsee tarkasti määritellyssä paikassa avaruudessa, niin sen liikemäärä on täysin määrittelemätön, ja päinvastoin, hiukkasella, jolla on tietty liikemäärä, on täysin määrittelemätön koordinaatti. Hiukkasen koordinaatin Δ x arvon epävarmuus ja hiukkasen liikemääräkomponentin arvon epävarmuus Δ p x liittyvät toisiinsa epävarmuussuhteen avulla, jonka määritti

Valon aalto- ja korpuskulaariset ominaisuudet - sivu №1/1

VALON AALTO- JA RAKESTO-OMINAISUUDET

© Moiseev B.M., 2004

Kostroman osavaltion yliopisto
1 Maya Street, 14, Kostroma, 156001, Venäjä
Sähköposti: [sähköposti suojattu] ; [sähköposti suojattu]

Mahdollisuus pitää valoa fyysisen tyhjiön viritysten jaksollisena sarjana johdetaan loogisesti. Tämän lähestymistavan seurauksena selitetään valon aallon fyysinen luonne ja korpuskulaariset ominaisuudet.

Looginen johtopäätös mahdollisuudesta pitää valoa fyysisten tyhjiöherätteiden jaksojaksona esitetään artikkelissa. Tällaisen lähestymistavan seurauksena tässä selitetään aallon fyysinen luonne ja valon korpuskulaariset ominaisuudet.

Johdanto

Vuosisatoja vanhat yritykset ymmärtää valoilmiöiden fyysistä luonnetta keskeytettiin 1900-luvun alussa, kun aineen kaksoisominaisuudet tuotiin teorian aksiomatiikkaan. Valoa alettiin pitää samanaikaisesti sekä aaltona että hiukkasena. Säteilykvanttimalli rakennettiin kuitenkin muodollisesti, eikä säteilykvantin fysikaalisesta luonteesta ole vielä yksiselitteistä ymmärrystä.

Tämä työ on omistettu uusien teoreettisten ajatusten muodostamiselle valon fysikaalisesta luonteesta, joiden pitäisi selittää laadullisesti valon aalto- ja korpuskulaariset ominaisuudet. Aiemmin on julkaistu kehitetyn mallin pääsäännökset ja tämän mallin puitteissa saadut tulokset:

1. Fotoni on joukko tyhjiön alkeisviritteitä, jotka etenevät avaruudessa viritysketjun muodossa, jonka vakio on suhteessa tyhjiön nopeuteen valonlähteen nopeudesta riippumatta. Havainnoijalle fotonin nopeus riippuu tarkkailijan nopeudesta suhteessa tyhjiöön, mallinnettuna loogisesti absoluuttiseksi avaruuteen.

2. Alkuperäinen tyhjiöviritys on fotonipari, dipoli, joka muodostuu kahdesta (+) ja (-) varautuneesta hiukkasesta. Dipolit pyörivät ja niillä on kulmamomentti muodostaen yhdessä fotonin spinin. Fotonien pyörimissäde ja kulmanopeus liittyvät riippuvuuteen Rω = const .

3. Fotoneja voidaan pitää ohuina pitkinä sylinterimäisinä neulavoina. Sylinterien-neulojen kuvitteelliset pinnat muodostuvat fotonien spiraalimaisista liikeradoista. Mitä korkeampi pyörimistaajuus, sitä ohuempi on fotonineula. Yksi fotoniparin täydellinen kierros määrittää aallonpituuden avaruudessa liikkeen suunnassa.

4. Fotonin energian määrää yhdessä fotonissa olevien fotoniparien lukumäärä n: ε = nh E, missä h E on arvo, joka on yhtä suuri kuin Planckin vakio energiayksiköissä .

5. Saadaan fotonin spinin ћ kvantitatiivinen arvo. Fotonin energian ja kinemaattisten parametrien välistä suhdetta on analysoitu. Esimerkkinä lasketaan vetyatomin 3d2p-siirtymän tuottaman fotonin kinemaattiset parametrit. Fotonin pituus spektrin näkyvässä osassa on metriä.

6. Fotoniparin massa laskettiin m 0 = 1,474 10 -53 g, mikä osuu suuruusjärjestyksessä yhteen fotonimassan m  ylemmän arvion kanssa.

7. Tehtiin johtopäätös vakioiden C ja h muutoksesta fotonin liikkuessa gravitaatiokentässä.

Fotonin jaksollisesta rakenteesta valon aaltoominaisuuksien syy on intuitiivisesti selvä: aallon matematiikka fyysisen väliaineen mekaanisen värähtelyn prosessina ja minkä tahansa laadullisen jaksollisen prosessin matematiikka kohtaavat. Artikkelit antavat kvalitatiivisen selityksen valon aalto- ja korpuskulaarisista ominaisuuksista. Tämä artikkeli jatkaa valon fysikaalista luonnetta koskevien ajatusten kehittämistä.

Valon aaltoominaisuudet

Kuten aiemmin todettiin, valon fysikaaliseen luonteeseen liittyvät jaksollisuuden elementit aiheuttavat aaltoominaisuuksien ilmentymistä. Valon aaltoominaisuuksien ilmeneminen on osoitettu lukuisilla havainnoilla ja kokeilla, joten sitä ei voida epäillä. Doppler-ilmiöstä, interferenssistä, diffraktiosta, polarisaatiosta, dispersiosta, absorptiosta ja valon sironnasta on kehitetty matemaattinen aaltoteoria. Valon aaltoteoria liittyy orgaanisesti geometriseen optiikkaan: rajassa, kuten  → 0, optiikan lait voidaan muotoilla geometrian kielellä.

Mallimme ei kumoa aaltomallin matemaattista laitteistoa. Työmme päätavoite ja päätulos on sellaisten muutosten tuominen teorian aksiomatiikkaan, jotka syventävät ymmärrystä ilmiön fyysisestä olemuksesta ja poistavat paradokseja.

Tärkein paradoksi nykyajan ideoita valosta – aalto-hiukkasten kaksinaisuus (CWD). Formaalisen logiikan lakien mukaan valo ei voi olla sekä aalto että hiukkanen näiden termien perinteisessä merkityksessä. Aallon käsite tarkoittaa jatkumoa, homogeenista väliainetta, jossa jatkumon elementtien jaksoittaisia ​​häiriöitä syntyy. Hiukkasen käsite merkitsee yksittäisten elementtien eristäytymistä ja autonomiaa. HPC:n fyysinen tulkinta ei ole niin yksinkertainen.

Korpuskulaaristen ja aaltomallien yhdistäminen periaatteen "aalto on hiukkasjoukon häiriö" mukaan herättää vastalauseen, koska aalto-ominaisuuksien läsnäolo yhdessä yksittäisessä valohiukkasessa katsotaan vakaasti vakiintuneeksi. Harvoin lentävien fotonien häiriön havaitsi Janoshi, mutta kvantitatiiviset tulokset, yksityiskohdat ja yksityiskohtainen analyysi kokeile sisään harjoituskurssi Ei. Tietoa tällaisista tärkeistä, perustavanlaatuisista tuloksista ei ole saatavilla hakuteoksissa eikä fysiikan historian kurssilla. Ilmeisesti kysymys valon fyysisestä luonteesta on jo syvällä tieteen takana.

Yritetään rekonstruoida Yanoshin kokeen kvantitatiiviset parametrit, jotka ovat loogisesti olennaisia ​​tulosten tulkinnassa Bibermanin, Sushkinin ja Fabrikantin vastaavien elektronien kanssa tehtyjen kokeiden säästävän kuvauksen perusteella. Ilmeisesti Yanoshin kokeessa häiriökuvio saatu lyhyt valopulssi korkean intensiteetin J B kuvan kanssa pitkä aika heikosta fotonivuosta J M. Olennainen ero näiden kahden tarkasteltavan tilanteen välillä on, että vuon J M tapauksessa fotonien vuorovaikutus diffraktioinstrumentissa tulisi sulkea pois.

Koska Janoshi ei löytänyt eroa häiriökuvioissa, katsotaanpa, mitä ehtoja tähän tarvitaan mallimme puitteissa.

Fotoni, jonka pituus on L f = 4,5 m, ohittaa tietyn pisteen avaruudessa ajassa τ = L f / C = 4,5 /3-10 8 ≈ 1,5-10 –8 s. Jos diffraktiojärjestelmän (laitteen) koko on noin 1 m, niin aika, joka kuluu fotonin kulkemiseen L f pituisen laitteen läpi, on pidempi: τ’ = (L f + 1) / C ≈ 1,8-10 –8 s.

Ulkopuolinen tarkkailija ei voi nähdä yksittäisiä fotoneja. Yritys kiinnittää fotoni tuhoaa sen - ei ole muuta vaihtoehtoa "nähdä" sähköisesti neutraalia valohiukkasta. Kokeessa käytetään valon aikakeskiarvoisia ominaisuuksia, erityisesti intensiteettiä (energiaa aikayksikköä kohti). Jotta fotonit eivät leikkaa diffraktiolaitteen sisällä, ne on erotettava toisistaan ​​avaruudessa liikeradalla siten, että laitteen kulkuaika τ' on pienempi kuin aika t, joka jakaa peräkkäisten fotonien saapumisen asennukseen, eli τ' 1,8-10 –8 s.

Elektronikokeissa keskimääräinen aikaväli kahden peräkkäin diffraktiojärjestelmän läpi kulkevan hiukkasen välillä oli noin 3-10 4 kertaa pidempi kuin aika, jonka yksi elektroni kului kulkeakseen koko laitteen läpi. Pistehiukkasten osalta tämä suhde on vakuuttava.

Valokokeella on merkittävä ero elektronikokeeseen verrattuna. Jos elektronien ainutlaatuisuutta voidaan hallita niiden energian lievän vääristymisen vuoksi, tämä on mahdotonta fotoneilla. Fotoneilla tehdyssä kokeessa usko fotonien eristäytymiseen avaruudessa ei voi olla täydellinen; on tilastollisesti mahdollista, että kaksi fotonia saapuu lähes samanaikaisesti. Tämä voi antaa heikon häiriökuvion pitkän havaintoajan aikana.

Yanoshin kokeiden tulokset ovat kiistattomia, mutta tällaista johtopäätöstä ei voida tehdä kokemusteoriasta. Teoriassa itse asiassa oletetaan, että interferenssikuvio syntyy yksinomaan näytön pinnalla olevien hiukkasten vuorovaikutuksen seurauksena. Voimakkaiden valovirtojen ja monien hiukkasten ollessa kyseessä tämä on intuitiivisesti todennäköisin häiriön syy, mutta heikkojen valovirtojen kohdalla toinen syy näytön valaistuksen jaksoittaisuuden esiintymiseen voi myös tulla merkittäväksi. Valo muuttaa suuntaa, kun se on vuorovaikutuksessa kiinteän kappaleen kanssa. Halkaistut reunat, vedot ritilä ja muut diffraktiota aiheuttavat esteet - tämä on pinta, joka on kaukana ihanteellisesta, ei vain pinnan viimeistelyn suhteen. Pintakerroksen atomit ovat jaksollinen rakenne, jonka jakso on verrattavissa atomin kokoon, eli jaksollisuus on angstrom-luokkaa. Fotonin sisällä olevien fotoniparien välinen etäisyys on L 0 ≈ 10 –12 cm, mikä on 4 suuruusluokkaa pienempi. Valokuvaparien heijastuminen pinnan jaksoittaisesta rakenteesta saa aikaan valaistujen ja valaisemattomien paikkojen toiston näytöllä.

Epätasa-arvo heijastuneen valon etenemissuunnissa tulee aina olla miltä tahansa pinnalta heijastuessaan, mutta voimakkailla valovirroilla, vain keskimääräiset ominaisuudet ovat merkittäviä, eikä tätä vaikutusta esiinny. Heikoilla valovirroilla tämä voi johtaa näytön valaistukseen, joka muistuttaa häiriötä.

Koska elektronin mitat ovat myös paljon pienempiä kuin kehon pinnan jaksollisen rakenteen mitat, elektronien kohdalla pitäisi myös esiintyä epätasa-arvoa taipuvien hiukkasten suunnissa, ja heikoilla elektronivirroilla tämä voi olla ainoa syy aaltoominaisuuksien ilmenemiseen.

Siten aalto-ominaisuuksien läsnäolo hiukkasissa, olivatpa ne fotoneja tai elektroneja, voidaan selittää diffraktiivisen instrumentin heijastavan tai taittavan pinnan aaltoominaisuuksien läsnäololla.

Mahdolliselle kokeellinen vahvistus Tämän hypoteesin (tai kumoaminen) voi ennustaa joitain vaikutuksia.

Vaikutus 1

Voimakkailla valovirroilla tärkein syy valon interferenssiominaisuuksiin on itse valon jaksollinen rakenne, laajennettu fotoni. Eri fotoneista peräisin olevat fotoniparit joko vahvistavat toisiaan näytöllä vaiheen osuessa yhteen (vektorit r vuorovaikutuksessa olevien parien fotonien keskipisteiden välillä osuu suuntaisesti) tai heikkenee vaiheepäsopivuuden tapauksessa (vektorit r valokuvien keskikohtien välinen suunta ei ole sama). Jälkimmäisessä tapauksessa valokuvaparit eri fotoneista eivät aiheuta yhteistä samanaikaista toimintaa, vaan ne putoavat niihin näytön osiin, joissa havaitaan valaistuksen heikkenemistä.

Jos näyttö on läpinäkyvä levy, voidaan havaita seuraava vaikutus: heijastuneen valon minimi vastaa läpäisevän valon maksimia. Paikoissa, joissa heijastuneessa valossa havaitaan minimaalista valaistusta, valo tulee myös sisään, mutta se ei heijastu näissä paikoissa, vaan kulkee levyn sisällä.

Levyn läpi heijastuneen ja läpäisevän valon keskinäinen täydentävyys häiriöilmiössä on hyvin tunnettu tosiasia, jota teoriassa kuvailee valon aaltomallin hyvin kehittynyt muodollinen matemaattinen laitteisto. Erityisesti teoria esittelee puoliaallon häviön heijastuksen aikana, ja tämä "selittää" vaihe-eron lähetettyjen ja heijastuneiden komponenttien välillä.

Uutta mallissamme on tämän ilmiön fysikaalisen luonteen selitys. Väitetään, että heikoilla valovirroilla, kun fotonien vuorovaikutus diffraktiolaitteessa suljetaan pois, häiriökuvion muodostumisen olennainen syy ei ole itse valon jaksollinen rakenne, vaan diffraktiota aiheuttavan laitteen pinnan jaksollinen rakenne. Tässä tapauksessa näytön pinnalla ei enää tapahdu eri fotoneista peräisin olevien fotoniparien vuorovaikutusta, ja häiriön pitäisi ilmetä siinä, että niissä paikoissa, joissa valo osuu, valaistus on maksimaalinen, muissa paikoissa sitä ei ole. Paikoissa, joissa on vähän valaistusta, valo ei pääse ollenkaan, ja tämä voidaan tarkistaa heijastuneen ja läpäisevän valon häiriökuvion keskinäisen täydentävyyden puuttuminen.

Vaikutus 2

Toinen mahdollisuus testata tarkasteltavaa ennustetta ja hypoteesiamme kokonaisuudessaan on se heikkoja valovirtoja varten toisesta materiaalista valmistettu diffraktiolaite, joka eroaa atomien erilaisella pintatiheydellä, pitäisi antaa erilainen häiriökuvio samalle valoteholle. Tämä ennuste on myös periaatteessa todennettavissa.

Vaikutus 3

Heijastavan kappaleen pinnan atomit osallistuvat lämpöliikkeeseen, kidehilan solmut suorittavat harmonisia värähtelyjä. Kiteen lämpötilan nousun pitäisi johtaa häiriökuvion hämärtymiseen heikkojen valovirtojen tapauksessa, koska tässä tapauksessa häiriö riippuu vain heijastavan pinnan jaksollisesta rakenteesta. Voimakkailla valovirroilla diffraktiolaitteen lämpötilan vaikutuksen häiriökuvioon tulisi olla heikompi, vaikka se ei ole poissuljettua, koska kidehilapaikkojen lämpövärähtelyjen tulisi rikkoa eri fotoneista heijastuneiden fotoniparien koherenssiehtoa. Tämä ennuste on myös periaatteessa todennettavissa.

Valon korpuskulaariset ominaisuudet

Olemme julkaisuissamme ehdottaneet termiä "fotonin rakennemalli". Analysoitaessa nykyään lainausmerkeissä olevaa sanayhdistelmää, on välttämätöntä tunnustaa se erittäin epäonnistuneeksi. Asia on siinä, että mallissamme fotonia paikallisena hiukkasena ei ole olemassa. Säteilyenergian kvantti tunnistettu vuonna moderni teoria fotonilla, mallissamme - sarja tyhjiön viritteitä, joita kutsutaan fotonipareiksi. Herätykset jakautuvat avaruuteen liikkeen suunnassa. Huolimatta mikromaailman mittakaavan valtavasta laajuudesta, johtuen pienestä aikavälistä, jonka aikana tällainen parien joukko lentää minkä tahansa mikroobjektin ohi tai törmää siihen, ja myös mikromaailman esineiden suhteellisesta inertiasta, nämä mikroobjektit voivat absorboida kvantit täysin. Kvanttifotoni nähdään erillisenä hiukkasena vain tällaisessa vuorovaikutuksessa mikroobjektien kanssa, kun mikroobjektin vuorovaikutuksesta kunkin fotoniparin kanssa voi kertyä vaikutus esimerkiksi atomin tai molekyylin elektronikuoren virittymisen muodossa. Valolla ilmenee korpuskulaarisia ominaisuuksia tällaisen vuorovaikutuksen aikana, kun olennainen, mallitietoinen, teoreettisesti huomioitu tekijä on tietyn erillisen valoenergiamäärän emissio tai absorptio.

Jopa muodollinen ajatus energiakvanteista antoi Planckille mahdollisuuden selittää mustan kappaleen säteilyn piirteet ja Einsteinin ymmärtää valosähköisen vaikutuksen olemuksen. Energian erillisten osien käsite auttoi kuvailemaan uudella tavalla sellaisia ​​fysikaalisia ilmiöitä kuin valonpaine, valon heijastus, dispersio - mitä on jo kuvattu aaltomallin kielellä. Ajatus energian diskreettisuudesta, ei ajatus pistehiukkasista-fotoneista - se on todella olennaista nykyaikaisessa valon korpuskulaarisessa mallissa. Energiakvantin diskreetti mahdollistaa atomien ja molekyylien spektrien selittämisen, mutta kvantin energian lokalisointi yhteen eristettyyn hiukkaseen on ristiriidassa sen kokeellisen tosiasian kanssa, että emissio- ja energiakvantin absorption aika atomin toimesta on melko suuri mikromaailman mittakaavassa. Jos kvantti on paikallinen pistehiukkanen, niin mitä tälle hiukkaselle tapahtuu 10–8 sekunnissa? Laajennetun kvanttifotonin lisääminen valon fysikaaliseen malliin mahdollistaa kvalitatiivisen ymmärtämisen emissio- ja absorptioprosessien lisäksi myös säteilyn korpuskulaariset ominaisuudet yleensä.

Valokuvien kvantitatiiviset parametrit

Mallissamme pääkohteena on pari valokuvaa. Fotonin mittoihin (näkyvän valon pituusmitat ovat metrejä) verrattuna fotoniparin muodossa tapahtuvaa tyhjiöviritystä voidaan pitää pisteenä (pituusmitta noin 10-14 m) . Lasketaanpa joitain valokuvaparametreja. Tiedetään, että y-kvantit syntyvät elektronin ja positronin tuhoutuessa. Syntykööt kaksi γ-kvanttia. Arvioidaan niiden kvantitatiivisten parametrien yläraja olettaen, että elektronin ja positroni energia on yhtä suuri kuin näiden hiukkasten lepoenergia:

. (1)

Näkyviin tulevien valokuvaparien määrä on:

. (2)

Kaikkien (–) fotonien kokonaisvaraus on –e, missä e on elektronin varaus. Kaikkien (+) fotonien kokonaisvaraus on +e. Lasketaan yhden valokuvan kantaman varauksen moduuli:

Cl. (3)

Suunnilleen, ottamatta huomioon liikkuvien varausten dynaamista vuorovaikutusta, voimme olettaa, että pyörivän fotoniparin sentripetaalinen voima on niiden sähköstaattisen vuorovaikutuksen voima. Koska pyörivien varausten lineaarinen nopeus on yhtä suuri kuin C, saamme (SI-järjestelmässä):

, (4)

missä m 0 / 2 \u003d h E / C 2 - yhden valokuvan massa. Kohdasta (4) saadaan lauseke fotonivarauskeskusten pyörimissäteelle:

m. (5)

Kun otetaan huomioon fotonin "sähköinen" poikkileikkaus säde R El:n ympyrän S pinta-alana, saadaan:

Paperi tarjoaa kaavan fotonin poikkileikkauksen laskemiseksi QED:n puitteissa:

, (7)

jossa σ mitataan cm2. Olettaen ω = 2πν ja ν = n (ulottamatta mittaa), saamme poikkileikkauksen arvion QED-menetelmällä:

. (8)

Ero fotonipoikkileikkausarvioihimme on 6 suuruusluokkaa eli noin 9 %. Samalla on huomioitava, että tuloksemme fotonin poikkileikkaukselle ~10 –65 cm 2 saatiin ylemmäksi estimaatiksi liikkumattomien hiukkasten tuhoutumisesta, kun taas todellisella elektronilla ja positronilla on liikeenergia. Kineettinen energia huomioon ottaen poikkileikkauksen tulisi olla pienempi, koska kaavassa (1) säteilyyn siirtyvien hiukkasten energia on suurempi, ja sen seurauksena fotoniparien määrä on suurempi. Yhden valokuvan varauksen laskennallinen arvo on pienempi (kaava 3), joten R El (kaava 5) ja poikkileikkaus S (kaava 6) ovat pienempiä. Tätä silmällä pitäen arviomme fotonien poikkileikkauksesta tulisi tunnistaa suunnilleen samansuuntaiseksi QED-estimaatin kanssa.

Huomaa, että foton ominaisvaraus on sama kuin elektronin (positronin) ominaisvaraus:

. (9)

Jos valolla (kuten elektronilla) on hypoteettinen "ydin", johon sen varaus on keskittynyt, ja "turkki" häiriintyneestä fysikaalisesta tyhjiöstä, fotoniparin "sähköinen" poikkileikkaus ei saa olla sama kuin "mekaaninen" poikkileikkaus. Pyörivät fotonien massakeskukset säde R Mex ympyrän ympäri nopeudella C. Koska C = ωR Mex, saadaan:

. (10)

Siten ympyrän pituus, jota pitkin massakeskipisteet pyörivät, on yhtä suuri kuin aallonpituus, mikä on aivan luonnollista, kun translaatio- ja pyörimisnopeudet ovat yhtä suuret tulkinnassamme "aallonpituuden" käsitteestä. Mutta tässä tapauksessa käy ilmi, että yllä mainitun tuhoamisen tuloksena saaduille fotoneille R Mex ≈ 3,8∙10 –13 m ≈ 10 22 ∙R El. Fotonien ytimiä ympäröivällä häiriintyneen tyhjiön turkkilla on jättimäiset mitat itse ytimeen verrattuna.

Tietenkin nämä ovat kaikki melko karkeita arvioita. Mikään uusi malli ei voi kilpailla tarkkuudessa jo olemassa olevan mallin kanssa, joka on saavuttanut aamunkoittoonsa. Esimerkiksi Kopernikuksen heliosentrinen mallin ilmestyessä noin 70 vuoden ajan suoritettiin käytännön tähtitieteellisiä laskelmia Ptolemaioksen geosentrisen mallin mukaisesti, koska tämä johti tarkempaan tulokseen.

Pohjimmiltaan uusien mallien tuominen tieteeseen ei ole vain törmäys subjektiiviseen oppositioon, vaan myös laskelmien ja ennusteiden tarkkuuden objektiivinen menetys. Myös paradoksaaliset tulokset ovat mahdollisia. Tuloksena oleva ~10 22 kertalukusuhde fotonien sähköisten ja mekaanisten pyörimissäteiden välillä ei ole vain odottamaton, vaan myös fyysisesti käsittämätön. Ainoa tapa jotenkin ymmärtää saatu suhde on olettaa, että fotoniparin pyörimisellä on pyörreluonne, koska tässä tapauksessa, jos komponenttien lineaariset nopeudet eri etäisyyksillä pyörimiskeskipisteestä ovat yhtä suuret, niiden kulmanopeuksien tulisi olla erilaisia.

Intuitiivisesti kolmiulotteisen rakenteen pyörimisen pyörteinen luonne ohuesta väliaineesta - fysikaalisesta tyhjiöstä on jopa ymmärrettävämpää kuin ajatus fotoniparin pyörimisestä, joka muistuttaa pyörimistä kiinteä runko. Pyörteen liikkeen analyysin pitäisi edelleen johtaa tarkasteltavan prosessin uuteen laadulliseen ymmärtämiseen.

Tulokset ja johtopäätökset

Työ jatkaa ajatusten kehittämistä valon fysikaalisesta luonteesta. Korpuskulaaristen aaltojen dualismin fyysistä luonnetta analysoidaan. Pohjimmiltaan todennettavissa olevia vaikutuksia ennustetaan heikkojen valovirtojen interferenssiä ja diffraktiota koskevissa kokeissa. Fotonien mekaanisista ja sähköisistä parametreista on tehty kvantitatiivisia laskelmia. Lasketaan fotoniparin poikkileikkaus ja tehdään johtopäätös parin pyörrerakenteesta.

Kirjallisuus

1. Moiseev B.M. Fotonirakenne. - Dep. VINITI:ssä 12.02.98, nro 445 - B98.

2. Moiseev B.M. Massa ja energia fotonin rakennemallissa. - Dep. VINITIssä 01.04.98, nro 964 - B98.

3. Moiseev B.M. Liiketilassa olevan kehon kokonaisenergiasta ja -massasta. - Dep. VINITI:ssä 12.05.98, nro 1436 - B98.

4. Moiseev B.M. Fotoni gravitaatiokentässä. - Dep. VINITIssä 27.10.99, nro 3171 - B99.

5. Moiseev B.M. Fotonin rakenteen mallintaminen. - Kostroma: KSU:n kustantamo im. PÄÄLLÄ. Nekrasova, 2001.

5. Moiseev B.M. Fotonimikrorakenne // Proceedings of the Congress-2002 “Luonnontieteen ja tekniikan perusongelmat”, osa III, s. 229–251. - Pietari, Pietarin valtionyliopiston kustantamo, 2003.

7 Phys. Rev. Lett. 90 081 801 (2003). http://prl.aps.org

8. Sivukhin D.V. Ydinvoima ja ydinfysiikka. 2 tunnissa Osa 1. Atomifysiikka. – M.: Nauka, 1986.

9. Fyysinen tietosanakirja. Viidessä osassa - M .: Neuvostoliiton tietosanakirja, 1960-66.

10. Fysiikka. Suuri tietosanakirja. - M .: Suuri venäläinen tietosanakirja, 1999.

11. Kudrjavtsev P.S. Fysiikan historian kurssi. - M .: Koulutus, 1974.

12. Akhiezer A.I. Kvanttielektrodynamiikka / A.I. Akhiezer, V.V. Berestetsky - M .: Nauka, 1981.

Alkuainehiukkasten aalto- ja korpuskulaariset ominaisuudet

Valon aaltoominaisuudet

Se tosiasia, että valolla on aaltoominaisuuksia, on tiedetty pitkään. Robert Hooke vertaa Micrographiassa (1665) valoa aaltojen etenemiseen. Christian Huygens julkaisi vuonna 1690 "Treatise on Light", jossa hän kehittää valon aaltoteoriaa. Mielenkiintoista on, että Newton, joka tunsi nämä teokset, optiikkaa käsittelevässä tutkielmassaan vakuuttaa itselleen ja muille, että valo koostuu hiukkasista - verisoluista. Newtonin auktoriteetti esti jonkin aikaa jopa valon aaltoteorian tunnustamisen. Tämä on sitäkin yllättävämpää, koska Newton ei vain kuullut Hooken ja Huygensin työstä, vaan myös suunnitteli ja valmisti laitteen, jolla hän havaitsi interferenssin ilmiötä, joka tunnetaan nykyään jokaiselle koululaiselle nimellä "Newton's Rings". Diffraktio- ja häiriöilmiöt selitetään yksinkertaisesti ja luonnollisesti aaltoteoriassa. Hänen, Newtonin, täytyi muuttaa itseään ja turvautua "keksimään hypoteeseja", joiden sisältö oli hyvin epämääräinen, saadakseen verisolut liikkumaan kunnolla.

Newton saavutti tiedemiehenä suurimman menestyksen selittäessään planeettojen liikettä löytämiensä mekaniikan lakien avulla. Luonnollisesti hän yritti käyttää samoja lakeja valon liikkeen selittämiseen, mutta jotta tämä olisi mahdollista, valon täytyy välttämättä koostua soluista. Jos valo koostuu hiukkasista, niihin pätevät mekaniikan lait, ja niiden liikkeen lakien löytämiseksi on vain selvitettävä, mitkä voimat vaikuttavat niiden ja aineen välillä. Sellaisten erilaisten ilmiöiden, kuten planeettojen liikkeen ja valon etenemisen, selittäminen samoilla periaatteilla on valtava tehtävä, eikä Newton voinut kieltää itseltään mielihyvää etsiä sen ratkaisua. Nykytiede ei tunnusta Newtonin korpuskulaariteoriaa, mutta valosähköistä vaikutusta käsittelevän Einsteinin työn julkaisusta lähtien valon on katsottu koostuvan fotonihiukkasista. Newton ei erehtynyt siinä, että planeettojen liikettä ja valon etenemistä säätelevät eräät hänelle tuntemattomat yleisperiaatteet.

Muistakaamme tunnetuimmat kokeet, laitteet ja laitteet, joissa valon aaltoluonne ilmenee selkeimmin.

1. "Newtonin sormukset".

2. Valon häiriö sen kulkiessa kahden reiän läpi.

3. Ohutkalvoilta heijastuvan valon häiriö.

4. Erilaiset instrumentit ja laitteet: Fresnel-biprisma, Fresnel-peilit, Lloydin peili; interferometrit: Michelson, Mach-Zander, Fabry-Perot.

5. Valon taittuminen kapealla raolla.

6. Diffraktiohila.

7. Poissonin paikka.

Kaikki nämä kokeet, laitteet, laitteet tai ilmiöt ovat hyvin tunnettuja, joten emme viivyttele niitä. Haluaisin muistaa vain yhden uteliaan yksityiskohdan, joka liittyy nimeen "Poissonin täplät". Poisson oli aaltoteorian vastustaja. Fresnelin menetelmää tarkasteltaessa hän tuli siihen tulokseen, että jos valo on aalto, niin läpinäkymättömän kiekon geometrisen varjon keskellä pitäisi olla kirkas piste. Koska tämä johtopäätös on absurdi, hän esitti sen vakuuttavana vastalauseena aaltoteorialle. Aragon kuitenkin vahvisti tämän absurdin ennustuksen kokeellisesti.

Valon korpuskulaariset ominaisuudet

Vuodesta 1905 lähtien tiede on tiennyt, että valo ei ole vain aalto, vaan myös hiukkasvirta - fotonit. Kaikki alkoi valosähköisen efektin löytämisestä.

Hertz löysi valosähköisen efektin vuonna 1887.

1888 - 1889 Stoletov tutki ilmiötä kokeellisesti.

1898 Lenard ja Thompson totesivat, että valon lähettämät hiukkaset ovat elektroneja.

Suurin ongelma, jonka valosähköinen vaikutus aiheutti tutkijoille, oli se, että valon aineesta irroittamien elektronien energia ei riipu aineeseen osuvan valon voimakkuudesta. Se riippuu vain sen taajuudesta. Klassinen aaltoteoria ei pystynyt selittämään tätä vaikutusta.

1905 Einstein antoi teoreettisen selityksen valosähköisestä vaikutuksesta, josta hän sai Nobel-palkinnon vuonna 1921.

Einsteinin oletuksen mukaan valo koostuu fotoneista, joiden energia riippuu vain taajuudesta ja lasketaan Planckin kaavalla: . Valo voi vetää elektronin ulos aineesta, jos fotonilla on tarpeeksi energiaa siihen. Valaistulle pinnalle putoavien fotonien määrällä ei ole väliä. Siksi valon voimakkuudella ei ole merkitystä valosähköisen vaikutuksen alkaessa.

Selittäessään valosähköistä vaikutusta Einstein käytti Planckin tunnettua hypoteesia. Planck ehdotti aikoinaan, että valo säteilee osissa - kvantteina. Nyt Einstein ehdotti, että valo lisäksi absorboituu osissa. Tämä oletus oli riittävä selittämään valosähköisen vaikutuksen. Einstein menee kuitenkin pidemmälle. Se olettaa, että valo jakautuu osiin tai fotoneihin. Tuolloin tällaiselle lausunnolle ei ollut kokeellisia perusteita.

Suorin vahvistus Einsteinin hypoteesille tuli Bothen kokeesta.

Bothen kokeessa ohut metallikalvo F asetettiin kahden kaasupurkauslaskurin Cch väliin. Kalvoa valaistiin heikolla röntgensäteellä, jonka vaikutuksesta siitä tuli röntgensäteiden lähde. Toissijaiset fotonit vangittiin Geiger-laskurilla. Kun laskuri laukaistiin, signaali välitettiin mekanismeille M, jotka tekivät merkin liikkuvaan nauhaan L. Jos sekundäärinen säteily lähetettäisiin palloaaltoina, niin molempien laskurien tulisi toimia samanaikaisesti. Kokemus on kuitenkin osoittanut, että liikkuvan nauhan merkit sijaitsivat täysin toisistaan ​​riippumatta. Tämä voidaan selittää vain yhdellä tavalla: sekundäärinen säteily esiintyy yksittäisten hiukkasten muodossa, jotka voivat lentää joko yhteen tai vastakkaiseen suuntaan. Siksi molemmat laskurit eivät voi toimia samanaikaisesti.

Comptonin kokemus

Vuonna 1923 yhdysvaltalainen fyysikko Arthur Holly Compton, joka tutki eri aineiden aiheuttamaa röntgensäteiden sirontaa, havaitsi, että aineen hajottamissa säteissä on alkuperäisen säteilyn lisäksi säteitä, joiden aallonpituus on pidempi. Tämä röntgensäteiden käyttäytyminen on mahdollista vain kvanttimekaanisesta näkökulmasta. Jos röntgensäteet koostuvat kvanttihiukkasista, niin näiden hiukkasten täytyy menettää energiaa törmäyksissä elektronien kanssa levossa, aivan kuten nopeasti lentävä pallo menettää energiaa törmäessään lepäävään. Lentävä pallo, joka on menettänyt energiaa, hidastuu. Fotoni ei voi hidastua, sen nopeus on aina yhtä suuri kuin valon nopeus, itse asiassa hän itse on kevyt. Mutta koska fotonin energia on , fotoni reagoi törmäykseen vähentämällä taajuutta.

Olkoon fotonin energia ja liikemäärä ennen törmäystä:

;

Fotonin energia ja liikemäärä elektronin sironnan jälkeen:

;

.

Elektronin energia ennen törmäystä fotonin kanssa:

Sen liikemäärä ennen törmäystä on nolla - elektroni on levossa ennen törmäystä.

Törmäyksen jälkeen elektroni saa vauhtia ja sen energia kasvaa vastaavasti: . Viimeinen relaatio saadaan tasa-arvosta: .

Verrataan systeemin energia ennen fotonin törmäystä elektronin kanssa törmäyksen jälkeiseen energiaan.

Toinen yhtälö saadaan liikemäärän säilymisen laista. Tässä tapauksessa ei tietenkään pidä unohtaa, että liikemäärä on vektorisuure.

;

Muunnetaan energiansäästöyhtälö

,

ja suoraksi oikea ja vasen puoli

.

Yhdistämme saadut lausekkeet elektronin liikemäärän neliölle

, mistä saamme: . Kuten tavallista,

esittelemme merkinnän .

Suuruutta kutsutaan elektronin Compton-aallonpituudeksi ja sitä merkitään . Tällä merkinnällä voimme kirjoittaa lausekkeen, joka edustaa Comptonin kokeellisen tuloksen teoreettista johtamista: .

De Broglien hypoteesi ja muiden hiukkasten aalto-ominaisuudet

Vuonna 1924 de Broglie oletti, että fotonit eivät ole poikkeus. Myös muilla hiukkasilla on de Broglien mukaan oltava aalto-ominaisuuksia. Lisäksi toisaalta energian ja liikemäärän sekä toisaalta aallonpituuden ja taajuuden välisen suhteen on oltava täsmälleen sama kuin sähkömagneettisilla fotoneilla.

Fotoneille , . De Broglien oletuksen mukaan hiukkanen täytyy liittyä aineen aaltoon, jolla on taajuus ja aallonpituus .

Mikä tämä aalto on ja mikä se on fyysinen merkitys, de Broglie ei osannut sanoa. Nykyään on yleisesti hyväksyttyä, että de Broglien aallolla on todennäköisyyspohjainen merkitys ja se kuvaa todennäköisyyttä löytää hiukkanen eri kohdista avaruudessa.

Mielenkiintoisin asia tässä on, että hiukkasten aalto-ominaisuudet löydettiin kokeellisesti.

Vuonna 1927 Davisson ja Jammer löysivät elektronisuihkun diffraktion heijastuessaan nikkelikiteestä.

Vuonna 1927 poika J.J. Thomson ja hänestä riippumatta Tartakovsky saivat diffraktiokuvion, kun elektronisuihku kulki metallikalvon läpi.

Myöhemmin he saivat diffraktiokuvioita ja molekyylisäteille.