Жарықтың корпускулалық қасиеттері. Толқындық және корпускулярлық теориялар. Жарықтың корпускулалық қасиеттері Толқын және жарықтың корпускулалық қасиеттері қысқаша

Соңғы жүз жылда ғылым біздің дүниенің құрылымын микроскопиялық және макроскопиялық деңгейде зерттеуде үлкен жетістіктерге жетті. Арнайы және жалпы салыстырмалық теорияларының, кванттық механиканың бізге әкелген таңғажайып жаңалықтары әлі күнге дейін жұртшылықты толғандырады. Дегенмен, кез келген білімді адамкем дегенде ғылымның қазіргі жетістіктерінің негіздерін түсіну қажет. Ең әсерлі және маңызды сәттердің бірі - толқындық-бөлшектік дуализм. Бұл парадоксалды жаңалық, оны түсіну интуитивті күнделікті қабылдауға бағынбайды.

Корпускулалар мен толқындар

Жағдайға байланысты өзін мүлде басқаша ұстайтын жарықты зерттеуде алғаш рет дуализм ашылды. Бір жағынан жарықтың оптикалық электромагниттік толқын екені белгілі болды. Екінші жағынан, дискретті бөлшек бар (жарықтың химиялық әрекеті). Бастапқыда ғалымдар бұл екі көзқарас бір-бірін жоққа шығарады деп есептеді. Дегенмен, көптеген тәжірибелер бұлай емес екенін көрсетті. Бірте-бірте толқындық-бөлшектік дуализм сияқты тұжырымдаманың шындығы әдеттегідей болды. Бұл концепция толқындар да, бөлшектер де емес, белгілі бір шарттарға байланысты тек соңғысының немесе біріншісінің қасиеттерін ғана алатын күрделі кванттық объектілердің әрекетін зерттеуге негіз болады.

Екі саңылаумен тәжірибе жасаңыз

Фотонның дифракциясы дуализмнің айқын көрінісі болып табылады. Зарядталған бөлшектердің детекторы фотопластинка немесе люминесцентті экран болып табылады. Әрбір жеке фотон жарқылмен немесе нүктелік жарқылмен белгіленді. Мұндай белгілердің комбинациясы интерференциялық үлгіні берді - әлсіз және күшті жарықтандырылған жолақтардың кезектесуі, бұл толқын дифракциясына тән. Бұл корпускулярлық-толқындық дуализм сияқты тұжырымдамамен түсіндіріледі. атақты физик және Нобель сыйлығының лауреатыРичард Фейнман материя өзін шағын масштабта кванттар әрекетінің «табиғилығын» сезіну мүмкін болмайтындай әрекет етеді деп айтты.

Әмбебап дуализм

Дегенмен, бұл тәжірибе тек фотондарға ғана қатысты емес. Дуализм барлық материяның қасиеті және ол жалпыға бірдей болып шықты. Гейзенберг материяның екі нұсқада да кезектесіп бар екенін дәлелдеді. Осы уақытқа дейін екі қасиет те бір мезгілде толықтай көрінетіні толық дәлелденді.

корпускулярлық толқын

Заттың мұндай әрекетін қалай түсіндіруге болады? Корпускулдарға (бөлшектерге) тән толқын осы мәселенің шешімін ұсынған жас ақсүйек ғалымның атымен де Бройль толқыны деп аталады. Де Бройль теңдеулері толқындық функцияны сипаттайтыны жалпы қабылданған, оның квадраты бөлшектің әртүрлі уақытта кеңістіктің әртүрлі нүктелерінде болу ықтималдығын ғана анықтайды. Қарапайым тілмен айтқанда, де Бройль толқыны - бұл ықтималдық. Осылайша, математикалық түсінік (ықтималдық) мен нақты процесс арасында теңдік орнатылды.

кванттық өріс

Заттың корпускулалары дегеніміз не? Жалпы алғанда, бұл толқын өрістерінің кванттары. Фотон – электромагниттік өрістің кванты, позитрон мен электрон – электрон-позитрон өрісінің, мезон – мезон өрісінің кванты және т.б. Толқындық өрістер арасындағы өзара әрекеттесу олардың арасындағы кейбір аралық бөлшектердің алмасуымен түсіндіріледі, мысалы, электромагниттік әрекеттесу кезінде фотондар алмасады. Бұл де Бройль сипаттаған толқындық процестердің абсолютті шынайы екендігін тағы бір растауды тікелей білдіреді. физикалық құбылыстар. Ал корпускулалық-толқындық дуализм бөлшектердің «реинкарнация» қабілетін сипаттайтын «жұмбақ жасырын қасиет» қызметін атқармайды. Ол өзара байланысты екі әрекетті – объектінің қозғалысын және онымен байланысты толқындық процесті анық көрсетеді.

туннель әсері

Жарықтың толқындық-бөлшектік дуализмі басқа да көптеген қызықты құбылыстармен байланысты. Де Бройль толқынының әсер ету бағыты туннельдік эффект деп аталатында, яғни фотондар энергетикалық тосқауыл арқылы енгенде көрінеді. Бұл құбылыс толқынның антитүйінді сәтіндегі бөлшектің импульсінің орташа мәнінен асып кетуіне байланысты. Туннельдеудің көмегімен әртүрлі электронды құрылғыларды жасауға мүмкіндік туды.

Жарық кванттарының интерференциясы

қазіргі ғылымфотондардың интерференциясы туралы электрондардың интерференциясы туралы сияқты жұмбақ айтады. Бөлінбейтін бөлшек болып табылатын фотон бір мезгілде өзіне ашық кез келген жолдан өтіп, өзіне кедергі жасай алады екен. Зат пен фотон қасиеттерінің корпускулярлық-толқындық дуализмі көп нәрсені қамтитын толқын екенін ескерсек. құрылымдық элементтер, онда оның бөлінгіштігі жоққа шығарылмайды. Бұл бөлшекті элементар бөлінбейтін түзіліс ретіндегі бұрынғы көзқарастарға қайшы келеді. Белгілі бір қозғалыс массасына ие бола отырып, фотон осы қозғалысқа байланысты бойлық толқынды құрайды, ол бөлшектің өзінен бұрын болады, өйткені жылдамдық бойлық толқынкөлденең электромагниттік қарағанда көбірек. Сондықтан фотонның өзімен интерференциясының екі түсіндірмесі бар: бөлшек бір-біріне кедергі жасайтын екі компонентке бөлінеді; фотон толқыны екі жол бойымен қозғалады және интерференция үлгісін құрайды. Бір зарядты фотондар интерферометр арқылы кезекпен өткенде интерференциялық үлгі де құрылатыны эксперименталды түрде анықталды. Бұл әрбір жеке фотонның өзіне кедергі жасайтыны туралы тезисті растайды. Бұл, әсіресе, жарықтың (когерентті емес және монохроматикалық емес) өзара байланыссыз және кездейсоқ процестерде атомдар шығаратын фотондар жиынтығы екенін ескергенде анық көрінеді.

Жарық деген не?

Жарық толқыны – кеңістікте таралатын электромагниттік локализацияланбаған өріс. Толқынның электромагниттік өрісі амплитуданың квадратына пропорционал болатын көлемдік энергия тығыздығына ие. Бұл энергия тығыздығы кез келген мөлшерде өзгеруі мүмкін дегенді білдіреді, яғни ол үздіксіз. Бір жағынан, жарық - бұл толқындық-бөлшектік дуализм сияқты құбылыстың әмбебаптығына байланысты электромагниттік толқынның қасиеттері болып табылатын кванттар мен фотондар (корпускулалар) ағыны. Мысалы, интерференция мен дифракция құбылыстарында және масштабта жарық толқынның сипаттамаларын анық көрсетеді. Мысалы, бір фотон, жоғарыда сипатталғандай, қос саңылаудан өтіп, интерференция үлгісін жасайды. Тәжірибелердің көмегімен бір фотонның электромагниттік импульс емес екендігі дәлелденді. Француз физиктері Аспе, Роджер және Гранжье көрсеткендей, оны сәуле бөлгіштері бар сәулелерге бөлуге болмайды.

Жарықтың да корпускулалық қасиеті бар, олар Комптон эффектісі мен фотоэффектте көрінеді. Фотон өзін толқын ұзындығынан әлдеқайда аз тұтас объектілер жұтатын бөлшек сияқты әрекет ете алады (мысалы, атом ядросы). Кейбір жағдайларда фотонды нүктелік объектілер деп санауға болады. Жарықтың қасиеттерін қандай позициядан қарастырудың ешқандай айырмашылығы жоқ. Түсті көру саласында жарық ағыны энергия кванты ретінде толқынның да, бөлшек-фотонның да функцияларын орындай алады. Конус мембранасы сияқты тордың фоторецепторына бағытталған нысан нүктесі көзге негізгі спектрлік жарық сәулелері ретінде өзінің сүзілген мәнін қалыптастыруға және оларды толқын ұзындығы бойынша сұрыптауға мүмкіндік береді. Мидағы кванттық энергияның мәндеріне сәйкес тақырып нүктесі түс сезіміне (фокусталған оптикалық кескін) ауысады.

Классикалық физиканың концепциялары бойынша жарық – белгілі бір жиілік диапазонындағы электромагниттік толқындар. Бірақ жарықтың затпен әрекеттесуі жарық бөлшектер ағыны сияқты жүреді.

Ньютон кезінде жарықтың табиғаты туралы екі гипотеза болды - корпускулярлыНьютон ұстанған , және толқын. Эксперименттік техника мен теорияның одан әрі дамуы пайдасына таңдау жасады толқындық теория .

Бірақ ХХ ғасырдың басында. жаңа мәселелер туындады: жарықтың затпен әрекеттесуін шеңберде түсіндіру мүмкін болмады толқындық теория.

Металл бөлігін жарықпен жарықтандырғанда, одан электрондар ұшып шығады ( фотоэффект). Шығарылатын электрондардың жылдамдығы (олардың кинетикалық энергиясы) неғұрлым көп болса, соғұрлым түсетін толқынның энергиясы (жарық қарқындылығы) үлкен болады деп күтуге болатын еді, бірақ электрондардың жылдамдығы әдетте электр энергиясына тәуелді емес екені анықталды. жарық қарқындылығы, бірақ оның жиілігімен (түсі) анықталады.

Фотосурет кейбір материалдардың жарықпен және кейінгі химиялық өңдеумен жарықтандырылғаннан кейін қарайып кетуіне және олардың қараю дәрежесі жарықтандыру мен жарықтандыру уақытына пропорционалды болуына негізделген. Егер мұндай материалдың қабаты (фотографиялық пластина) белгілі бір жиілікте жарықпен жарықтандырылса, онда дамығаннан кейін біртекті бет қара түске айналады. Жарық интенсивтілігінің төмендеуімен біз қараңғылану дәрежесі (әртүрлі реңктер) бар біртекті беттерді аламыз. сұр түсті). Мұның бәрі өте төмен жарықтандыру кезінде біз беттің қараюының өте аз дәрежесін емес, бетінде кездейсоқ шашыраңқы қара нүктелерді аламыз! Жарық тек осы жерлерге түскендей.

Жарықтың затпен әрекеттесу ерекшеліктері физиктерді қайта оралуға мәжбүр етті корпускулярлық теория.

Жарықтың затпен әрекеттесуі жарық бөлшектер ағыны сияқты жүреді, энергияЖәне импульсқатынастар арқылы жарық жиілігіне байланысты

E=hv;p=E /c=hv /в,

Қайда h – Планк тұрақтысы.Бұл бөлшектер деп аталады фотондар.

фотоэффекткөзқарасты ұстанса, түсінуге болар еді корпускулярлық теорияжәне жарықты бөлшектер ағыны ретінде қарастырыңыз. Бірақ содан кейін мәселе туындайды, физиканың кең саласы айналысқан жарықтың басқа қасиеттерімен не істеу керек - оптикажарықтың электромагниттік толқын екендігіне негізделген.

Жеке құбылыстардың бір-біріне сәйкес келмейтін немесе тіпті бір-біріне қайшы келетін арнайы болжамдардың көмегімен түсіндірілетін жағдай қабылданбайды, өйткені физика әлемнің біртұтас бейнесін жасайды деп мәлімдейді. Және бұл тұжырымның дұрыстығын растау фотоэффектке байланысты туындаған қиындықтардың алдында оптиканың электродинамикаға дейін қысқаруы болды. Құбылыстар кедергіЖәне дифракциябөлшектер туралы идеялармен келіспеді, бірақ жарықтың кейбір қасиеттері екі жағынан да бірдей жақсы түсіндіріледі. Электромагниттік толқынның энергиясы мен импульсі бар, ал импульс энергияға пропорционал. Жарық жұтылған кезде ол өзінің импульсін береді, яғни кедергіге жарық қарқындылығына пропорционал қысым күші әсер етеді. Бөлшектердің ағыны да кедергіге қысым жасайды және бөлшектің энергиясы мен импульсі арасындағы сәйкес қатынаста қысым ағынның қарқындылығына пропорционалды болады. Маңызды жетістіктеория жарықтың ауада шашырауын түсіндіру болды, бұл, атап айтқанда, аспанның неліктен көгілдір екенін анық көрсетті. Теориядан шашырау кезінде жарық жиілігі өзгермейді деген қорытынды шықты.

Дегенмен, егер сіз көзқарасты алсаңыз корпускулярлық теорияжәне толқындық теорияда жиілікпен (түспен) байланысты болатын жарықтың сипаттамасы корпускулалық теорияда бөлшектің энергиясымен байланысты екенін ескерсек, шашырау кезінде (фотонның шашыраңқы бөлшекпен соқтығысуы) шығады. , шашыраңқы фотонның энергиясы азаюы керек. Көрінетін жарыққа қарағанда энергиясы үш рет жоғары бөлшектерге сәйкес келетін рентген сәулелерінің шашырауы бойынша арнайы жүргізілген тәжірибелер көрсетті. корпускулярлық теориярас. Жарықты бөлшектер ағыны деп қарастыру керек, ал интерференция мен дифракция құбылыстары кванттық теория шеңберінде түсіндірілді. Бірақ сонымен бірге бөлшектің белгілі бір траектория бойынша қозғалатын және әр нүктеде белгілі бір жылдамдыққа ие болатын жоғалып кететін шағын өлшемді объект ретіндегі түсінігі де өзгерді.

Жаңа теория ескінің дұрыс нәтижелерін жоққа шығармайды, бірақ олардың интерпретациясын өзгерте алады. Сонымен, егер кірсе толқындық теорияТүс толқын ұзындығымен байланысты корпускулярлықол сәйкес бөлшектің энергиясымен байланысты: біздің көзімізде қызыл түс сезімін тудыратын фотондардың энергиясы көк түске қарағанда аз. сайтынан алынған материал

Жарық үшін электрондармен тәжірибе жүргізілді (Юн-ха тәжірибесі).Тесіктердің артындағы экранның жарықтандыруы электрондардағыдай және бұл суреттегідей болды жарық интерференциясы,экранға екі саңылаудан түсіп, жарықтың толқындық табиғатының дәлелі болды.

байланысты мәселе бөлшектердің толқындық және корпускулалық қасиеттерішынымен ұзақ тарихы бар. Ньютон жарықты бөлшектер ағыны деп есептеді. Бірақ сонымен бірге жарықтың толқындық табиғаты туралы гипотеза, атап айтқанда, Гюйгенс есімімен байланысты болды. Сол кездегі жарықтың әрекеті туралы деректер (түзу сызықты таралу, шағылу, сыну және дисперсия) екі тұрғыдан да бірдей жақсы түсіндірілді. Бұл жағдайда, әрине, жарық толқындарының немесе бөлшектердің табиғаты туралы нақты ештеңе айту мүмкін емес еді.

Кейінірек, алайда, құбылыстар ашылғаннан кейін кедергіЖәне дифракцияСвета ( басы XIXв.) Ньютондық гипотезадан бас тартылды. Жарық үшін «толқын немесе бөлшек» дилеммасы эксперименталды түрде толқынның пайдасына шешілді, бірақ жарық толқындарының табиғаты түсініксіз болды. Әрі қарай олардың табиғаты айқын болды. Жарық толқындары белгілі бір жиіліктегі электромагниттік толқындар болып шықты, яғни электромагниттік өрістегі бұзылулардың таралуы. Толқын теориясы ақыры жеңіске жеткендей болды.

Бұл бетте тақырыптар бойынша материалдар:

1900 жылы М.Планктың мәселеге арналған еңбегі жарық көрді термиялық сәулеленутел. М.Планк материяны әртүрлі жиіліктегі гармоникалық осцилляторлар жиынтығы ретінде модельдеді. Сәулелену үздіксіз емес, бөліктерде – кванттарда пайда болады деп есептей отырып, ол жылулық сәулелену спектрі бойынша энергияның таралу формуласын алды, ол эксперименттік мәліметтермен жақсы үйлеседі.

мұндағы h - Планк тұрақтысы, k - Больцман тұрақтысы, T - температура, ν - сәулелену жиілігі.

Сонымен, физикада алғаш рет жаңа іргелі тұрақты – Планк тұрақтысы пайда болды. Планктың жылулық сәулеленудің кванттық табиғаты туралы гипотезасы классикалық физика негіздеріне қайшы келеді және оның қолданылу шегін көрсетті.
Бес жылдан кейін А.Эйнштейн М.Планк идеясын жалпылай отырып, кванттау дегеніміз ортақ мүлікэлектромагниттік сәулелену. Эйнштейннің айтуынша, электромагниттік сәулелену кванттардан тұрады, кейінірек фотондар деп аталады. Әрбір фотонның белгілі бір энергиясы мен импульсі бар:

E = hν , = (h/λ ),

мұндағы λ және ν - фотонның толқын ұзындығы мен жиілігі, толқынның таралу бағытындағы бірлік векторы.

Электромагниттік сәулеленуді кванттау туралы идеялар Г.Герц пен А.Столетов тәжірибе жүзінде зерттеген фотоэффект заңдылықтарын түсіндіруге мүмкіндік берді. Кванттық теория негізінде А.Комптон 1922 жылы жарық толқын ұзындығының ұлғаюымен жүретін бос электрондармен электромагниттік сәулеленудің серпімді шашырау құбылысын түсіндірді. Электромагниттік сәулеленудің екі жақты табиғатының – толқындық-бөлшектік қосарлылығының ашылуы кванттық физиканың дамуына, материяның табиғатын түсіндіруге айтарлықтай әсер етті.

1924 жылы Луи де Бройль толқындық-бөлшектік дуализмнің әмбебаптығы туралы гипотезаны алға тартты. Бұл гипотеза бойынша тек фотондар ғана емес, корпускулалық бөлшектермен бірге материяның кез келген басқа бөлшектері де толқындық қасиетке ие. Бөлшектердің корпускулалық және толқындық қасиеттерін байланыстыратын байланыстар фотондар үшін бұрын орнатылған байланыстармен бірдей

E = h = ω , = , |p| = h/λ /,

мұндағы h = 2π, ω = 2πν, = 2π - бөлшекпен байланыстыруға болатын (де Бройль) толқын ұзындығы. Толқын векторы бөлшектер қозғалысының бағытына бағытталған. Толқын-бөлшектердің екі жақтылығы идеясын растайтын тікелей эксперименттер 1927 жылы К.Дэвиссон мен Л.Гермердің никель монокристалындағы электрондардың дифракциясы бойынша жүргізген тәжірибелері болды. Кейінірек басқа микробөлшектердің дифракциясы да байқалды. Бөлшектік дифракция әдісі қазіргі кезде заттардың құрылымы мен қасиеттерін зерттеуде кеңінен қолданылады.
Корпускулярлы-толқындық дуализм идеясын эксперименталды түрде растау бөлшектердің қозғалысы және бөлшектерді сипаттау тәсілі туралы әдеттегі идеяларды қайта қарауға әкелді. Классикалық үшін материалдық нүктелербелгілі бір траекториялар бойынша қозғалыспен сипатталады, сондықтан олардың координаттары мен кез келген уақытта импульсі нақты белгілі болады. Үшін кванттық бөлшектербұл мәлімдеме қабылданбайды, өйткені кванттық бөлшек үшін бөлшектің импульсі оның толқын ұзындығына байланысты және кеңістіктегі берілген нүктедегі толқын ұзындығы туралы айтудың мағынасы жоқ. Сондықтан кванттық бөлшек үшін оның координаталары мен импульсінің мәндерін бір уақытта дәл анықтау мүмкін емес. Бөлшек кеңістікте нақты анықталған орынға ие болса, онда оның импульсі толығымен белгісіз болады, ал керісінше, белгілі бір импульсі бар бөлшектің координатасы толығымен анықталмаған. Бөлшек координатасы Δ x мәніндегі белгісіздік және бөлшектің Δ p x импульс компонентінің мәніндегі белгісіздік келесідей белгіленген белгісіздік қатынасымен байланысты.

Жарықтың толқындық және корпускулалық қасиеттері - №1/1 бет

ЖАРЫҚТЫҢ ТОЛҚЫНДЫҚ ЖӘНЕ корпускулярлық қасиеттері

© Моисеев Б.М., 2004

Кострома мемлекеттік университеті
156001, Ресей, Кострома, Майя көшесі, 14
Электрондық пошта: [электрондық пошта қорғалған] ; [электрондық пошта қорғалған]

Жарықты физикалық вакуумның қозуының периодты тізбегі ретінде қарастыру мүмкіндігі логикалық түрде шығарылады. Бұл тәсілдің салдары ретінде жарықтың толқындық және корпускулалық қасиеттерінің физикалық табиғаты түсіндіріледі.

Жарықты физикалық вакуумдық қозулардың периодтық тізбегі ретінде қарастыру мүмкіндігінің логикалық қорытындысы мақалада келтірілген. Мұндай тәсілдің салдары ретінде мұнда жарықтың толқындық және корпускулалық сипаттамаларының физикалық табиғаты түсіндіріледі.

Кіріспе

Жарық құбылыстарының физикалық табиғатын түсінудің ғасырлар бойғы әрекеттері 20 ғасырдың басында теорияның аксиоматикасына материяның қос қасиеттерін енгізу арқылы үзілді. Жарық бір мезгілде толқын және бөлшек ретінде қарастырыла бастады. Дегенмен, радиациялық кванттық модель формальды түрде жасалды және радиациялық кванттың физикалық табиғаты туралы біржақты түсінік әлі жоқ.

Бұл жұмыс жарықтың физикалық табиғаты туралы жаңа теориялық идеяларды қалыптастыруға арналған, олар жарықтың толқындық және корпускулалық қасиеттерін сапалы түрде түсіндіруі керек. Бұрын әзірленген модельдің негізгі ережелері және осы модель аясында алынған нәтижелер жарияланған:

1. Фотон – жарық көзінің жылдамдығына тәуелсіз вакуум жылдамдығына қатысты тұрақты қозулар тізбегі түріндегі кеңістікте таралатын вакуумның элементар қозуларының жиынтығы. Бақылаушы үшін фотонның жылдамдығы бақылаушының абсолютті кеңістік ретінде логикалық түрде модельденген вакуумға қатысты жылдамдығына байланысты.

2. Элементарлы вакуумдық қозу - бұл екі (+) және (-) зарядталған бөлшектерден құралған диполь, фотондар жұбы. Дипольдер айналады және бұрыштық импульске ие, фотонның спинін біріктіреді. Фотондардың айналу радиусы мен бұрыштық жылдамдығы Rω = const тәуелділігімен байланысты.

3. Фотондарды жіңішке ұзын цилиндрлік инелер ретінде қарастыруға болады. Цилиндр-инелердің ойдан шығарылған беттері фотондардың спиральды траекториялары арқылы қалыптасады. Айналу жиілігі неғұрлым жоғары болса, фотон инесі жіңішке болады. Фотон жұбының бір толық айналымы қозғалыс бағыты бойынша кеңістіктегі толқын ұзындығын анықтайды.

4. Фотонның энергиясы бір фотондағы n жұп фотондар санымен анықталады: ε = nh E, мұндағы h E - энергия бірлігіндегі Планк тұрақтысына тең шама .

5. Фотон спинінің ћ сандық мәні алынады. Фотонның энергетикалық және кинематикалық параметрлері арасындағы байланысты талдау жүргізілді. Мысал ретінде сутегі атомындағы 3d2p ауысуы нәтижесінде пайда болған фотонның кинематикалық параметрлері есептеледі. Спектрдің көрінетін бөлігіндегі фотонның ұзындығы метрге тең.

6. Фотондар жұбының массасы m 0 = 1,474 10 -53 г болып есептелді, ол шама ретімен фотонның m  массасының жоғарғы бағасымен сәйкес келеді.

7. Фотон гравитациялық өрісте қозғалғанда C және h тұрақтыларының өзгеруі туралы қорытынды жасалды.

Фотонның периодтық құрылымынан жарықтың толқындық қасиеттерінің себебі интуитивті түрде түсінікті: физикалық ортаның механикалық тербеліс процесі ретінде толқынның математикасы және кез келген сапалық сипаттағы периодтық процестің математикасы сәйкес келеді. . Жұмыстарда жарықтың толқындық және корпускулалық қасиеттеріне сапалы түсініктеме берілген. Бұл мақала жарықтың физикалық табиғаты туралы идеяларды дамытуды жалғастырады.

Жарықтың толқындық қасиеттері

Жоғарыда айтылғандай, жарықтың физикалық табиғатымен байланысты кезеңділік элементтері толқындық қасиеттердің көрінісін тудырады. Жарықтың толқындық қасиеттерінің көрінісі көптеген бақылаулар мен тәжірибелер арқылы анықталған, сондықтан күмән тудырмайды. Доплер эффектісі, интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия, жұтылу және жарық шашырауының математикалық толқындық теориясы жасалды. Жарықтың толқындық теориясы геометриялық оптикамен органикалық түрде байланысты:  → 0 шегінде оптика заңдарын геометрия тілінде тұжырымдауға болады.

Біздің модель толқындық модельдің математикалық аппаратын жоққа шығармайды. Теория аксиоматикасына құбылыстың физикалық мәнін тереңдетіп, парадокстарды жоятын осындай өзгерістерді енгізу біздің жұмысымыздың негізгі мақсаты мен негізгі нәтижесі болып табылады.

Негізгі парадокс заманауи идеяларжарық туралы – толқындық-бөлшектік дуализм (CWD). Формальды логика заңдарына сәйкес, бұл терминдердің дәстүрлі мағынасында жарық толқын да, бөлшек те бола алмайды. Толқын ұғымы континуумды, континуум элементтерінің периодты күйзелістері пайда болатын біртекті ортаны білдіреді. Бөлшек ұғымы жеке элементтердің оқшаулануын және автономиясын білдіреді. HPC физикалық түсіндірмесі соншалықты қарапайым емес.

Корпускулярлық және толқындық модельдердің «толқын - бөлшектер жиынтығының бұзылуы» принципі бойынша үйлесуі қарсылық тудырады, өйткені жарықтың бір, бір бөлшекте толқындық қасиеттерінің болуы берік бекітілген деп есептеледі. Сирек ұшатын фотондардың интерференциясын Джаноши ашты, бірақ сандық нәтижелер, мәліметтер және егжей-тегжейлі талдаутәжірибе оқу курсыЖоқ. Мұндай маңызды, іргелі нәтижелер туралы ақпарат анықтамалықтарда да, физика тарихы курсында да жоқ. Шамасы, жарықтың физикалық табиғаты туралы мәселе қазірдің өзінде ғылымның терең артындағы.

Биберманның, Сушкиннің және Фабриканттың электрондармен ұқсас эксперименттерінің үнемді сипаттамасына сүйене отырып, нәтижелерді түсіндіру үшін логикалық маңызды болып табылатын Яноши тәжірибесінің сандық параметрлерін қайта құруға тырысайық. Әлбетте, Яноши экспериментінде, қысқа алынған интерференция үлгісі жеңіл импульсүшін алынған суретпен жоғары қарқынды J B ұзақ уақытәлсіз фотон ағынынан J M. Қарастырылып отырған екі жағдайдың арасындағы маңызды айырмашылық J M ағыны жағдайында дифракциялық құрал ішіндегі фотондардың өзара әрекеттесуін алып тастау керек.

Джаноши интерференциялық үлгілерде ешқандай айырмашылық таппағандықтан, біздің модель аясында бұл үшін қандай шарттар қажет екенін көрейік.

Ұзындығы L f = 4,5 м фотон кеңістіктегі берілген нүктеден τ = L f / C = 4,5 /3ּ10 8 ≈ 1,5ּ10 –8 с уақыт ішінде өтеді. Егер дифракциялық жүйенің (құрылғының) өлшемі шамамен 1 м болса, онда ұзындығы L f құрылғыдан фотонның өту уақыты ұзағырақ болады: τ' = (L f + 1) / C ≈ 1,8ּ10 –8 с.

Сыртқы бақылаушы бір фотонды көре алмайды. Фотонды түзету әрекеті оны бұзады - жарықтың электрлік бейтарап бөлшектерін «көрудің» басқа мүмкіндігі жоқ. Тәжірибеде жарықтың уақыт бойынша орташа қасиеттері, атап айтқанда, қарқындылық (уақыт бірлігіндегі энергия) қолданылады. Фотондар дифракциялық құрылғының ішінде қиылыспауы үшін оларды қозғалыс траекториясы бойынша кеңістікте бөлу керек, сонда құрылғының өту уақыты τ' кезекті фотондардың қондырғыға келуін бөлетін t уақытынан аз болады. , яғни τ' 1,8ּ10 –8 с.

Электрондармен жүргізілген тәжірибелерде дифракциялық жүйе арқылы дәйекті өтетін екі бөлшек арасындағы орташа уақыт аралығы бір электронның бүкіл құрылғыдан өту уақытынан шамамен 3-10 4 есе көп болды. Нүктелік бөлшектер үшін бұл қатынас сенімді.

Жарықпен жасалған тәжірибенің электрондармен жасалған тәжірибеден айтарлықтай айырмашылығы бар. Егер электрондардың бірегейлігін олардың энергиясының аздап бұрмалануына байланысты басқаруға болатын болса, онда бұл фотондармен мүмкін емес. Фотондармен жүргізілген тәжірибеде фотондардың кеңістікте оқшаулануына сенім толық болуы мүмкін емес; екі фотонның бір уақытта дерлік келуі статистикалық мүмкін. Бұл ұзақ бақылау уақытында әлсіз кедергі үлгісін бере алады.

Яноши эксперименттерінің нәтижелері даусыз, алайда тәжірибе теориясы туралы мұндай қорытынды жасауға болмайды. Теориялық тұрғыдан, интерференциялық үлгі тек экран бетіндегі бөлшектердің бір-бірімен әрекеттесуінің нәтижесінде пайда болады деген болжам бар. Күшті жарық ағындары және көптеген бөлшектер болған жағдайда, бұл интуитивті түрде кедергінің ең ықтимал себебі болып табылады, бірақ әлсіз жарық ағындары үшін экран жарықтандыруында мерзімділіктің пайда болуының тағы бір себебі де маңызды болуы мүмкін. Жарық қатты денемен әрекеттескенде бағытын өзгертеді. Кесілген жиектер, штрихтар торжәне дифракцияны тудыратын басқа кедергілер - бұл беттің әрлеуі бойынша ғана емес, идеалдан алыс бет. Беткі қабаттың атомдары - периодты атом өлшемімен салыстырылатын периодты құрылым, яғни периодтылығы ангстромдық тәртіпте. Фотонның ішіндегі фотон жұптарының арақашықтығы L 0 ≈ 10 –12 см, яғни 4 рет кішірек. Бетінің периодтық құрылымынан фото жұптардың шағылысуы экранда жарықтандырылған және жарықтанбаған орындардың қайталануын тудыруы керек.

Шағылған жарықтың таралу бағыттарындағы теңсіздік әрқашан кез келген беттен шағылған кезде болуы керек, бірақ күшті жарық ағындары кезінде тек орташа сипаттамалар маңызды және бұл әсер пайда болмайды. Әлсіз жарық ағындары үшін бұл кедергіге ұқсайтын экран жарықтандыруына әкелуі мүмкін.

Электронның өлшемдері де дене бетінің периодтық құрылымының өлшемдерінен әлдеқайда аз болғандықтан, электрондар үшін дифракциялық бөлшектердің бағыттарында да теңсіздік болуы керек, ал әлсіз электронды ағындар үшін бұл жалғыз себеп болуы мүмкін. толқындық қасиеттердің көрінісі үшін.

Осылайша, фотондар немесе электрондар болсын, бөлшектерде толқындық қасиеттердің болуын дифракциялық құралдың шағылыстыру немесе сыну бетінің толқындық қасиеттерінің болуымен түсіндіруге болады.

Мүмкін үшін эксперименттік растауБұл гипотезаны (немесе теріске шығару) кейбір әсерлерді болжауға болады.

Әсер 1

Күшті жарық ағындары үшін жарықтың интерференциялық қасиеттерінің негізгі себебі жарықтың өзінің периодтық құрылымы, ұзартылған фотон болып табылады. Әртүрлі фотондардың жұп фотондары фаза сәйкес келген кезде экранда бір-бірін күшейтеді (векторлар rөзара әрекеттесетін жұптардың фотондарының орталықтары бағыты бойынша сәйкес келеді) немесе фазалық сәйкессіздік жағдайында әлсірейді (векторлар). rфотосуреттердің орталықтары бағыты бойынша сәйкес келмейді). Соңғы жағдайда әртүрлі фотондардан алынған жұп фотосуреттер бір мезгілде бірлескен әрекетті тудырмайды, бірақ олар экранның жарықтандырудың төмендеуі байқалатын бөліктеріне түседі.

Егер экран мөлдір пластина болса, онда келесі әсерді байқауға болады: шағылысқан жарықтағы минимум жіберілетін жарықтағы максимумға сәйкес келеді. Шағылған жарықта минималды жарықтандыру байқалатын жерлерде жарық та кіреді, бірақ ол бұл жерлерде шағылыспайды, бірақ пластинаның ішінен өтеді.

Интерференция құбылысында пластина арқылы шағылысқан және жіберілген жарықтың өзара бірін-бірі толықтыруы жарықтың толқындық моделінің жақсы дамыған формальды математикалық аппаратымен теорияда сипатталған белгілі факт. Атап айтқанда, теория шағылысу кезінде жарты толқынның жоғалуын енгізеді және бұл берілген және шағылысқан компоненттер арасындағы фазалар айырмашылығын «түсіндіреді».

Біздің модельдегі жаңалық - бұл құбылыстың физикалық табиғатын түсіндіру. Біз әлсіз жарық ағындары үшін дифракциялық құрылғының ішіндегі фотондардың өзара әрекеттесуін алып тастаған кезде, интерференциялық үлгінің пайда болуының маңызды себебі жарықтың периодтық құрылымы емес, жарықтың бетінің периодтық құрылымы болады деп дәлелдейміз. дифракцияны тудыратын құрылғы. Бұл жағдайда экран бетінде әр түрлі фотондардың жұп фотондарының өзара әрекеттесуі бұдан былай болмайды және интерференция жарық түсетін жерлерде максималды жарықтандыру болатындығынан көрінуі керек. басқа жерлерде олай болмайды. Ең аз жарықтандырылған жерлерде жарық мүлдем түспейді және оны тексеруге болады шағылған және өтетін жарық үшін интерференциялық үлгінің өзара толықтырғыштығының болмауы.

Әсер 2

Қарастырылып отырған болжамды және жалпы біздің гипотезаны тексерудің тағы бір мүмкіндігі мынада әлсіз жарық ағындары үшін басқа материалдан жасалған дифракциялық құрылғыатомдардың бетінің басқа тығыздығымен ерекшеленетін , бірдей жарық шығысы үшін басқа интерференция үлгісін беруі керек. Бұл болжам да негізінен тексеріледі.

Әсер 3

Шағылыстырушы дененің бетінің атомдары жылулық қозғалысқа қатысады, кристалдық тордың түйіндері гармоникалық тербелістер. Кристалл температурасының жоғарылауы әлсіз жарық ағындары кезінде интерференциялық үлгінің бұлыңғырлануына әкеліп соғуы керек, өйткені бұл жағдайда кедергі шағылыстыру бетінің мерзімді құрылымына ғана байланысты болады. Күшті жарық ағындары үшін дифракциялық құрылғы температурасының интерференция үлгісіне әсері әлсіз болуы керек, бірақ ол жоққа шығарылмайды, өйткені кристалдық тор учаскелерінің термиялық тербелісі әртүрлі фотондардан шағылысқан фотон жұптары үшін когеренттілік шартын бұзуы керек. . Бұл болжам да негізінен тексеріледі.

Жарықтың корпускулалық қасиеттері

Біз өз басылымдарымызда «фотонның құрылымдық моделі» терминін ұсындық. Бүгінгі таңда тырнақшаға алынған сөздердің тіркесімін талдай отырып, оны өте сәтсіз деп тану керек. Мәселе мынада, біздің модельде локализацияланған бөлшек ретінде фотон жоқ. Анықталған сәулелену энергиясының кванты қазіргі заманғы теорияфотонмен, біздің модельде - фотон жұптары деп аталатын вакуумның қозуларының жиынтығы. Қозулар кеңістікте қозғалыс бағыты бойынша таралады. Микроәлемнің ауқымы үшін орасан зор ауқымға қарамастан, мұндай жұптар жиынтығы кез келген микрообъектінің жанынан ұшып өтетін немесе онымен соқтығысатын шағын уақыт интервалына байланысты, сондай-ақ микроәлем объектілерінің салыстырмалы инерциясына байланысты кванттар болуы мүмкін. бұл микрообъектілер толығымен сіңіреді. Кванттық фотон микрообъектілердің әрбір жұп фотондармен әрекеттесуінің әсері, мысалы, қозу түрінде жинақталуы мүмкін кезде ғана микрообъектілермен өзара әрекеттесу процесінде ғана жеке бөлшек ретінде қабылданады. атомның немесе молекуланың электрондық қабаты. Жарық мұндай өзара әрекеттесу барысында корпускулярлық қасиеттерді көрсетеді, маңызды, модельді саналы, теориялық ескерілетін фактор жарық энергиясының белгілі бір дискретті мөлшерін шығару немесе жұту болып табылады.

Тіпті энергия кванттарының ресми идеясы Планкқа қара дененің сәулеленуінің ерекшеліктерін түсіндіруге, ал Эйнштейнге фотоэффекттің мәнін түсінуге мүмкіндік берді. Энергияның дискретті бөліктерінің тұжырымдамасы толқындық модель тілінде сипатталған жарық қысымы, жарықтың шағылыуы, дисперсия сияқты физикалық құбылыстарды жаңа түрде сипаттауға көмектесті. Нүктелік бөлшектер-фотондар идеясы емес, энергияның дискреттілігі идеясы - жарықтың қазіргі корпускулярлық моделінде өте маңызды нәрсе. Энергиялық кванттың дискреттілігі атомдар мен молекулалардың спектрлерін түсіндіруге мүмкіндік береді, бірақ бір оқшауланған бөлшектегі кванттық энергияның локализациясы энергия квантының шығарылу уақыты мен жұтылуы уақытының эксперименттік фактісіне қайшы келеді. атом бойынша микроәлем ауқымында айтарлықтай үлкен – шамамен 10–8 с. Егер квант локализацияланған нүктелік бөлшек болса, онда бұл бөлшекпен 10–8 с уақыт ішінде не болады? Жарықтың физикалық моделіне кеңейтілген кванттық-фотонды енгізу тек сәуле шығару және жұту процестерін ғана емес, жалпы сәулеленудің корпускулалық қасиеттерін де сапалы түсінуге мүмкіндік береді.

Фотосуреттердің сандық параметрлері

Біздің модельде негізгі қарастырылатын нысан - бірнеше фотосуреттер. Фотонның өлшемдерімен салыстырғанда (көрінетін жарықтың бойлық өлшемдері метр), жұп фотондар түріндегі вакуумдық қозуды нүкте ретінде қарастыруға болады (бойлық өлшемі шамамен 10-14 м). Фотосуреттердің кейбір параметрлерін сандық түрде көрсетейік. γ-кванттар электрон мен позитронның аннигиляциясы кезінде түзілетіні белгілі. Екі γ-квант туылсын. Электрон мен позитронның энергиясын осы бөлшектердің тыныштық энергиясына тең деп есептей отырып, олардың сандық параметрлерінің жоғарғы шегін бағалайық:

. (1)

Пайда болған фото жұптарының саны:

. (2)

Барлық (–) фотондардың жалпы заряды –e, мұндағы e – электрон заряды. Барлық (+) фотондардың жалпы заряды +e. Бір фотосуреттің зарядының модулін есептейік:

Cl. (3)

Шамамен қозғалатын зарядтардың динамикалық әрекеттесуін есепке алмасақ, айналатын фотон жұбының центрге тартқыш күші олардың электростатикалық әсерлесу күші деп болжауға болады. Айналмалы зарядтардың сызықтық жылдамдығы С-ге тең болғандықтан, (SI жүйесінде) аламыз:

, (4)

мұндағы m 0/2 \u003d h E / C 2 - бір фотосуреттің массасы. (4) фотон заряд орталықтарының айналу радиусының өрнекін аламыз:

м (5)

Фотонның «электрлік» қимасын R El радиусы S шеңберінің ауданы ретінде қарастыра отырып, мынаны аламыз:

Жұмыста QED шеңберінде фотонның көлденең қимасын есептеу формуласы берілген:

, (7)

мұндағы σ см 2-мен өлшенеді. ω = 2πν, және ν = n деп (өлшемді есепке алмай) QED әдісі арқылы қиманың бағасын аламыз:

. (8)

Фотонның көлденең қимасының біздің бағалауымыздан айырмашылығы 6 реттік немесе шамамен 9% құрайды. Сонымен бірге, фотонның көлденең қимасы ~10 –65 см 2 үшін нәтижеміз қозғалмайтын бөлшектердің жойылуының жоғарғы бағасы ретінде алынғанын, ал нақты электрон мен позитронның қозғалыс энергиясы бар екенін атап өткен жөн. Кинетикалық энергияны ескере отырып, көлденең қима кішірек болуы керек, өйткені (1) формулада сәулеленуге өтетін бөлшектердің энергиясы көбірек болады, демек, фотондар жұптарының саны да көп болады. Бір фотосурет зарядының есептелген мәні аз болады (формула 3), демек, R El (5 формула) және көлденең қимасы S (формула 6) аз болады. Осыны ескере отырып, фотонның көлденең қимасын бағалауымыз шамамен QED бағалауымен сәйкес келеді деп танылуы керек.

Фоттың меншікті заряды электронның (позитронның) меншікті зарядымен сәйкес келетінін ескеріңіз:

. (9)

Егер фоттың (электрон сияқты) заряды шоғырланған гипотетикалық «ядросы» және бұзылған физикалық вакуумнан шыққан «түтік» болса, онда фотондар жұбының «электрлік» қимасы сәйкес келмеуі керек. «механикалық» қима. Фотондардың массалар центрлері R Mex радиусы бар шеңбердің айналасында C жылдамдықпен айналсын. C = ωR Mex болғандықтан, мынаны аламыз:

. (10)

Осылайша, массаның фотоцентрлері айналатын шеңбердің ұзындығы толқын ұзындығына тең, бұл біздің «толқын ұзындығы» түсінігін түсіндіруде аударма және айналу жылдамдықтары тең болған кезде табиғи нәрсе. Бірақ бұл жағдайда жоғарыда қарастырылған аннигиляция нәтижесінде алынған фотондар үшін R Mex ≈ 3,8∙10 –13 м ≈ 10 22 ∙R El. Фотондардың өзегін қоршап тұрған қоздырылған вакуумның жүн қабығы ядроның өзімен салыстырғанда үлкен өлшемдерге ие.

Әрине, мұның бәрі өте өрескел бағалар. Кез келген жаңа модель өз таңына жеткен бұрыннан бар модельмен дәлдікте бәсекелесе алмайды. Мысалы, Коперниктің гелиоцентрлік моделі пайда болған кезде, шамамен 70 жыл бойы Птолемейдің геоцентрлік моделіне сәйкес практикалық астрономиялық есептеулер жүргізілді, өйткені бұл дәлірек нәтижеге әкелді.

Модельдерді принципті жаңа негізде ғылымға енгізу субъективті қарама-қайшылықпен соқтығысу ғана емес, сонымен бірге есептеулер мен болжамдардың дәлдігін объективті жоғалту болып табылады. Парадоксальды нәтижелер де болуы мүмкін. Фотондардың айналуының электрлік және механикалық радиустары арасындағы ~10 22 реттік қатынасының нәтижесінде күтпеген жағдай ғана емес, сонымен бірге физикалық тұрғыдан да түсініксіз. Алынған қатынасты қандай да бір жолмен түсінудің жалғыз жолы - фотондар жұбының айналуы құйынды сипатқа ие деп болжауға болады, өйткені бұл жағдайда айналу центрінен әртүрлі қашықтықтағы компоненттердің сызықтық жылдамдықтары тең болса, олардың бұрыштық жылдамдықтары әртүрлі болуы керек.

Интуитивті түрде, үш өлшемді құрылымның жұқа ортадан - физикалық вакуумнан айналуының құйынды табиғаты айналуды еске түсіретін фотондар жұбының айналу идеясына қарағанда түсінікті. қатты дене. Құйынды қозғалысты талдау одан әрі қарастырылатын процесті жаңа сапалы түсінуге әкелуі керек.

Нәтижелер мен қорытындылар

Жұмыс жарықтың физикалық табиғаты туралы идеяларды дамытуды жалғастырады. Корпускулярлы-толқындық дуализмнің физикалық табиғаты талданады. Негізінен тексерілетін әсерлер әлсіз жарық ағындарының интерференциясы мен дифракциясы бойынша эксперименттерде болжанады. Фотондардың механикалық және электрлік параметрлерінің сандық есептеулері жүргізілді. Фотондар жұбының көлденең қимасы есептеліп, жұптың құйынды құрылымы туралы қорытынды жасалады.

Әдебиет

1. Моисеев Б.М. Фотон құрылымы. - Деп. VINITI 12.02.98 ж., № 445 - B98.

2. Моисеев Б.М. Фотонның құрылымдық моделіндегі масса және энергия. - Деп. VINITI 01.04.98 ж., № 964 - В98.

3. Моисеев Б.М. Қозғалыс күйіндегі дененің толық энергиясы мен массасы туралы. - Деп. VINITI 12.05.98, № 1436 - B98.

4. Моисеев Б.М. Гравитациялық өрістегі фотон. - Деп. VINITI 27.10.99, № 3171 - B99.

5. Моисеев Б.М. Фотонның құрылымын модельдеу. - Кострома: ҚМУ баспасы им. ҮСТІНДЕ. Некрасова, 2001 ж.

5. Моисеев Б.М. Фотонның микроқұрылымы // Конгресс материалдары-2002 «Жаратылыстану ғылымы мен техникасының іргелі мәселелері», III бөлім, 229–251 б. - Санкт-Петербург, Петербург мемлекеттік университетінің баспасы, 2003 ж.

7 Физ. Аян. Летт. 90 081 801 (2003 ж.). http://prl.aps.org

8. Сивухин Д.В. Ядролық және ядролық физика. 2 сағатта 1-бөлім Атомдық физика. – М.: Наука, 1986 ж.

9. Физикалық энциклопедиялық сөздік. 5 томда - М .: Совет энциклопедиясы, 1960-66.

10. Физика. Үлкен энциклопедиялық сөздік. - М .: Ұлы орыс энциклопедиясы, 1999 ж.

11. Кудрявцев П.С. Физика тарихы курсы. - М .: Білім, 1974.

12. Ахиезер А.И. Кванттық электродинамика / А.И. Ахиезер, В.В. Берестецкий - М .: Наука, 1981.

Элементар бөлшектердің толқындық және корпускулалық қасиеттері

Жарықтың толқындық қасиеттері

Жарықтың толқындық қасиеті бар екені бұрыннан белгілі. Роберт Гук өзінің «Микрографиясында» (1665) жарықты толқындардың таралуымен салыстырады. Кристиан Гюйгенс 1690 жылы «Жарық туралы трактат» жариялады, онда жарықтың толқындық теориясын дамытады. Бір қызығы, бұл еңбектермен таныс болған Ньютон өзінің оптика туралы трактатында жарықтың бөлшектер – корпускулалардан тұратынына өзін де, басқаларды да сендіреді. Ньютонның беделі біраз уақыт тіпті жарықтың толқындық теориясын тануға кедергі келтірді. Мұның бәрі таң қалдырады, өйткені Ньютон Гук пен Гюйгенстің жұмысы туралы естіп қана қойған жоқ, сонымен бірге ол «Ньютон сақиналары» деген атпен бүгінде әрбір мектеп оқушысына белгілі интерференция құбылысын бақылайтын құрылғыны жасап шығарды. Толқындық теорияда дифракция мен интерференция құбылыстары қарапайым және табиғи түрде түсіндіріледі. Ол, Ньютон, корпускулаларды дұрыс қозғалысқа келтіру үшін өзін өзгертуге және өте анық емес мазмұндағы «ойдан шығару гипотезаларына» жүгінуге мәжбүр болды.

Ньютон ғалым ретінде планеталардың қозғалысын өзі ашқан механика заңдарын қолдана отырып түсіндіруде ең үлкен жетістікке жетті. Әрине, ол жарықтың қозғалысын түсіндіру үшін бірдей заңдарды қолдануға тырысты, бірақ бұл мүмкін болу үшін жарық міндетті түрде денелерден тұруы керек. Егер жарық бөлшектерден тұратын болса, онда оларға механика заңдары қолданылады, ал олардың қозғалыс заңдарын табу үшін олар мен материяның арасында қандай күштер әрекет ететінін анықтау ғана қалады. Ғаламшарлардың қозғалысы және жарықтың бір қағидалар бойынша таралуы сияқты алуан түрлі құбылыстарды түсіндіру өте ауыр міндет және Ньютон оның шешімін іздеудің ләззатынан бас тарта алмады. Қазіргі ғылым Ньютонның корпускулярлық теориясын мойындамайды, алайда Эйнштейннің фотоэффект туралы жұмысы жарияланғаннан бері жарық фотонды бөлшектерден тұрады деп есептелді. Ньютон планеталардың қозғалысы мен жарықтың таралуы өзіне беймәлім кейбір жалпы принциптермен реттеледі деп қателеспеген.

Жарықтың толқындық табиғаты айқын көрінетін ең танымал эксперименттерді, құрылғылар мен құрылғыларды еске түсірейік.

1. «Ньютон сақиналары».

2. Жарықтың екі тесіктен өткендегі интерференциясы.

3. Жұқа қабықшалардан шағылысу кезіндегі жарықтың интерференциясы.

4. Әртүрлі аспаптар мен құрылғылар: Френель бипризмі, Френель айналары, Ллойд айнасы; интерферометрлер: Мишельсон, Мах-Зандер, Фабри-Перо.

5. Жарықтың тар саңылау арқылы дифракциясы.

6. Дифракциялық тор.

7. Пуассон орны.

Барлық осы эксперименттер, құрылғылар, құрылғылар немесе құбылыстар белгілі, сондықтан біз оларға тоқталмаймыз. «Пуассон дақтары» атауына қатысты бір ғана қызықты детальді еске түсіргім келеді. Пуассон толқындар теориясының қарсыласы болды. Френель әдісін қарастыра отырып, ол егер жарық толқын болса, онда мөлдір емес дискіден геометриялық көлеңкенің ортасында жарық нүкте болуы керек деген қорытындыға келді. Бұл тұжырымның абсурд екенін ескере отырып, ол оны толқындық теорияға сенімді қарсылық ретінде алға тартты. Алайда, бұл сандырақ болжамды Арагон тәжірибе жүзінде растады.

Жарықтың корпускулалық қасиеттері

1905 жылдан бастап ғылым жарық тек толқын ғана емес, сонымен қатар бөлшектер ағыны - фотондар екенін білді. Барлығы фотоэффекттің ашылуынан басталды.

Фотоэффектіні Герц 1887 жылы ашты.

1888 - 1889 жж. құбылысты Столетов тәжірибе жүзінде зерттеді.

1898 жылы Ленард пен Томпсон жарық шығаратын бөлшектердің электрон екенін анықтады.

Фотоэффект ғалымдардың алдында тұрған басты мәселе жарықтың әсерінен материядан жұлынған электрондардың энергиясы затқа түскен жарықтың қарқындылығына тәуелді емес. Бұл оның жиілігіне ғана байланысты. Классикалық толқын теориясы бұл әсерді түсіндіре алмады.

1905 ж. Эйнштейн фотоэффектке теориялық түсініктеме берді, ол үшін 1921 жылы Нобель сыйлығын алды.

Эйнштейннің болжамы бойынша жарық фотондардан тұрады, олардың энергиясы тек жиілікке тәуелді және Планк формуласы арқылы есептеледі: . Фотонның энергиясы жеткілікті болса, жарық электронды материядан шығара алады. Жарықтанған бетке түсетін фотондар саны маңызды емес. Сондықтан фотоэффекттің басталуы үшін жарықтың қарқындылығы маңызды емес.

Фотоэффектіні түсіндіргенде Эйнштейн Планктың белгілі гипотезасын пайдаланды. Планк бір кездері жарық бөліктермен – кванттармен шығарылады деп ұсынды. Енді Эйнштейн жарық, сонымен қатар бөліктерде жұтылады деп ұсынды. Бұл болжам фотоэффектіні түсіндіру үшін жеткілікті болды. Алайда Эйнштейн одан әрі қарай жүреді. Ол жарық бөліктерге немесе фотондарға бөлінеді деп болжайды. Ол кезде мұндай мәлімдемеге эксперименттік негіздер болған жоқ.

Эйнштейннің гипотезасын ең тікелей растау Боте тәжірибесінен келді.

Боте тәжірибесінде Cch екі газ разрядты есептегішінің арасына жұқа металл фольга F қойылды. Фольга рентген сәулелерінің әлсіз сәулесімен жарықтандырылды, оның әсерінен оның өзі рентген сәулелерінің көзіне айналды. Екінші фотондар Гейгер есептегіштерімен түсірілді. Есептегіш іске қосылған кезде сигнал қозғалыстағы L лентасында белгі жасаған М механизмдеріне жіберілді.Егер екінші реттік сәулелену сфералық толқындар түрінде шығарылса, онда екі есептегіш бір уақытта жұмыс істеуі керек еді. Дегенмен, тәжірибе көрсеткендей, қозғалатын таспадағы белгілер бір-бірінен мүлдем тәуелсіз орналасқан. Мұны бір ғана жолмен түсіндіруге болады: қайталама сәулелену бір бағытта да, қарама-қарсы бағытта да ұша алатын жеке бөлшектер түрінде болады. Сондықтан екі есептегіш бір уақытта жұмыс істей алмайды.

Комптон тәжірибесі

1923 жылы американ физигі Артур Холли Комптон рентген сәулелерінің әртүрлі заттардың шашырауын зерттей отырып, затпен шашыраған сәулелерде бастапқы сәулеленумен қатар толқын ұзындығы ұзағырақ сәулелер болатынын анықтады. Рентген сәулелерінің мұндай әрекеті тек кванттық механикалық тұрғыдан мүмкін. Егер рентген сәулелері кванттар – бөлшектерден тұратын болса, онда бұл бөлшектер тыныштықтағы электрондармен соқтығысқанда энергияны жоғалтуы керек, дәл солай тез ұшатын шар тыныштықтағымен соқтығысқанда энергиясын жоғалтады. Ұшатын доп энергияны жоғалтып, баяулайды. Фотон баяулай алмайды, оның жылдамдығы әрқашан жарық жылдамдығына тең, шын мәнінде оның өзі жарық. Бірақ фотонның энергиясы болғандықтан, фотон жиілікті азайту арқылы соқтығысуға әрекет етеді.

Соқтығысқа дейінгі фотонның энергиясы мен импульсі келесідей болсын:

;

Электронның шашырауынан кейінгі фотонның энергиясы мен импульсі:

;

.

Фотонмен соқтығысқанға дейінгі электронның энергиясы:

Соқтығыс алдында оның импульсі нөлге тең - электрон соқтығыс алдында тыныштықта болады.

Соқтығысқаннан кейін электрон импульс алады және оның энергиясы сәйкесінше артады: . Соңғы қатынас теңдіктен алынады: .

Фотон мен электрон соқтығысқанға дейінгі жүйенің энергиясын соқтығысқаннан кейінгі энергияға теңестірейік.

Екінші теңдеу импульстің сақталу заңынан алынады. Бұл жағдайда, әрине, импульстің векторлық шама екенін ұмытпау керек.

;

Энергияның сақталу теңдеуін түрлейік

,

және оң және сол жақтарын төртбұрышты

.

Алынған өрнектерді электрон импульсінің квадраты үшін теңестіреміз

, біз қайдан аламыз: . Әдеттегідей,

белгісін енгіземіз .

Шама электронның Комптон толқын ұзындығы деп аталады және онымен белгіленеді. Бұл белгілеу арқылы біз Комптонның эксперимент нәтижесінің теориялық туындысын көрсететін өрнек жаза аламыз: .

Де Бройль гипотезасы және басқа бөлшектердің толқындық қасиеттері

1924 жылы де Бройль фотондар ерекшелік емес деген болжам жасады. Де Бройльдің пікірінше, басқа бөлшектер де толқындық қасиеттерге ие болуы керек. Оның үстіне, бір жағынан, энергия мен импульс, екінші жағынан, толқын ұзындығы мен жиілік арасындағы байланыс электромагниттік фотондармен бірдей болуы керек.

Фотондар үшін, . Де Бройльдің болжамы бойынша бөлшек жиілігі мен толқын ұзындығы бар материя толқынымен байланысты болуы керек. .

Бұл не толқын және ол не физикалық мағынасы, де Бройль айта алмады. Бүгінгі таңда де Бройль толқынының ықтималдық мәні бар және кеңістіктің әртүрлі нүктелерінде бөлшекті табу ықтималдығын сипаттайтыны жалпы қабылданған.

Ең қызығы, бөлшектердің толқындық қасиеттері тәжірибе жүзінде ашылды.

1927 жылы Дэвиссон мен Джаммер никель кристалынан шағылу кезіндегі электрон сәулелерінің дифракциясын ашты.

1927 жылы ұлы Дж. Томсон және оған тәуелсіз Тартаковский металл фольгадан электронды сәуле өткенде дифракциялық заңдылық алды.

Кейіннен олар алды дифракциялық үлгілержәне молекулалық сәулелер үшін.