През последните сто години науката постигна голям напредък в изучаването на структурата на нашия свят както на микроскопично, така и на макроскопско ниво. Удивителните открития, донесени до нас от специалната и общата теория на относителността, квантовата механика, все още вълнуват умовете на обществеността. Всеки образован човек обаче трябва да разбере поне основите на съвременните научни постижения. Една от най-впечатляващите и важни точки е дуалността вълна-частица. Това е парадоксално откритие, чието разбиране е извън контрола на интуитивното всекидневно възприятие.
Корпускули и вълни
Дуализмът е открит за първи път при изучаването на светлината, която се държи напълно различно в зависимост от условията. От една страна се оказа, че светлината е оптична електромагнитна вълна. От друга страна, има дискретна частица (химическо действие на светлината). Първоначално учените вярваха, че двете възгледи се изключват взаимно. Многобройни експерименти обаче показват, че това не е така. Постепенно реалността на такава концепция като дуализъм вълна-частица стана обичайна. Тази концепция дава основа за изследване на поведението на сложни квантови обекти, които не са нито вълни, нито частици, а само придобиват свойствата на втория или първия, в зависимост от определени условия.
Експериментирайте с два прореза
Дифракцията на фотоните е ясна демонстрация на дуализъм. Детекторът на заредени частици е фотографска плоча или луминесцентен екран. Всеки отделен фотон беше маркиран с осветяване или точна светкавица. Комбинацията от такива белези дава интерференционна картина - редуване на слабо и силно преекспонирани ивици, което е характеристика на дифракцията на вълните. Това се обяснява с такава концепция като дуализъм вълна-частица. Известният физик и Нобелов лауреат Ричард Файнман каза, че материята се държи в малък мащаб по такъв начин, че е невъзможно да се усети „естественото“ поведение на квантите.
Универсален дуализъм
Този експеримент обаче е валиден не само за фотоните. Оказа се, че дуализмът е свойство на цялата материя и е универсален. Хайзенберг твърди, че материята съществува и в двата варианта последователно. Към днешна дата е абсолютно доказано, че и двата имота се появяват напълно едновременно.
Корпускулна вълна
Как да обясним това поведение на материята? Вълната, която е присъща на корпускулите (частиците), се нарича вълна на де Бройл, на името на младия аристократ-учен, който предложи решение на този проблем. Общоприето е, че уравненията на дьо Бройл описват вълновата функция, която на квадрат определя само вероятността една частица да се намира в различно време в различни точки от пространството. Просто казано, вълната на де Бройл е вероятност. Така се установи равенството между математическа концепция (вероятност) и реален процес.
Квантово поле
Какво представляват частиците от материя? Като цяло това са кванти на вълнови полета. Фотонът е квант на електромагнитно поле, позитрон и електрон е електрон-позитронно, мезонът е квант на мезонно поле и т.н. Взаимодействието между вълновите полета се обяснява с обмена на някои междинни частици между тях, например по време на електромагнитно взаимодействие има обмен на фотони. Това директно предполага още едно потвърждение, че вълновите процеси, описани от дьо Бройл, са абсолютно реални физически явления. И дуализмът вълна-частица не се явява като "мистериозно скрито свойство", което характеризира способността на частиците да се "превъплъщават". Той ясно демонстрира две взаимосвързани действия - движението на обект и свързания с него вълнов процес.
Тунелен ефект
Вълново-корпускуларният дуализъм на светлината се свързва с много други интересни явления. Посоката на вълната на де Бройл се проявява в така наречения тунелен ефект, тоест когато фотоните проникват през енергийната бариера. Това явление се дължи на превишението на средната стойност от импулса на частицата в момента на антивъзела на вълната. Тунелирането направи възможно разработването на различни електронни устройства.
Интерференция на светлинни кванти
Съвременната наука говори за интерференцията на фотоните толкова мистериозно, колкото и за намесата на електроните. Оказва се, че един фотон, който е неделима частица, може едновременно да премине по всеки отворен за себе си път и да си пречи. Ако вземем предвид, че частици-вълновият дуализъм на свойствата на материята и фотона са вълна, която покрива много структурни елементи, то не е изключена нейната делимост. Това противоречи на предишните възгледи за частицата като елементарна неделима единица. Притежавайки определена маса на движение, фотонът образува надлъжна вълна, свързана с това движение, която предхожда самата частица, тъй като скоростта на надлъжната вълна е по-голяма от тази на напречната електромагнитна вълна. Следователно има две обяснения за интерференцията на фотон със себе си: частицата се разделя на два компонента, които си пречат един на друг; фотонната вълна се движи по два пътя и образува интерференционна картина. Експериментално е установено, че интерференционна картина се създава и при преминаване на единични заредени частици-фотони през интерферометъра на свой ред. Това потвърждава тезата, че всеки отделен фотон си пречи сам. Това е особено ясно, когато вземете предвид факта, че светлината (не кохерентна и не монохроматична) е съвкупност от фотони, които се излъчват от атоми при взаимосвързани и произволни процеси.
Какво е светлина?
Светлинната вълна е електромагнитно нелокализирано поле, което се разпространява в пространството. Електромагнитното поле на вълната има обемна плътност на енергията, която е пропорционална на квадрата на амплитудата. Това означава, че енергийната плътност може да се промени с произволна величина, тоест тя е непрекъсната. От една страна, светлината е поток от кванти и фотони (корпускули), които поради универсалността на такова явление като дуалност вълна-частица представляват свойствата на електромагнитната вълна. Например, при явленията на интерференция и дифракция и в мащаби, светлината ясно проявява характеристиките на вълна. Например, единичен фотон, както е описано по-горе, преминавайки през двоен процеп, създава интерференционна картина. Експериментите показват, че един фотон не е електромагнитен импулс. Той не може да бъде разделен на лъчи с разделители на лъчи, както показват френските физици Аспе, Роджър и Гранжие.
Светлината притежава и корпускулярни свойства, които се проявяват в ефекта на Комптън и във фотоелектричния ефект. Фотонът може да се държи като частица, която се абсорбира от обекти като цяло, чиито размери са много по-малки от дължината на вълната му (например атомно ядро). В някои случаи фотоните обикновено могат да се считат за точкови обекти. Няма разлика от каква позиция да видите свойствата на светлината. В областта на цветното зрение потокът светлина може да изпълнява функциите както на вълни, така и на частица-фотон като квант на енергия. Обектна точка, фокусирана върху фоторецептора на ретината, като конусна мембрана, може да позволи на окото да формира своя собствена филтрирана стойност като основни спектрални лъчи на светлината и да ги сортира по дължина на вълната. Според стойностите на енергията на квантите, обектната точка в мозъка ще бъде преведена в усещане за цвят (фокусирано оптично изображение).
През 1900 г. излиза работата на М. Планк, посветена на проблема за топлинното излъчване на телата. М. Планк моделира материята като набор от хармонични осцилатори с различни честоти. Приемайки, че излъчването не се случва непрекъснато, а на порции - кванти, той получава формула за разпределение на енергията в спектъра на топлинното излъчване, която е в добро съответствие с експерименталните данни
където h е константата на Планк, k е константата на Болцман, T е температурата, ν е честотата на излъчване.
Така за първи път във физиката се появи нова фундаментална константа - константата на Планк. Хипотезата на Планк за квантовата природа на топлинното излъчване противоречи на основите на класическата физика и показва границите на нейната приложимост.
Пет години по-късно А. Айнщайн, обобщавайки идеята на М. Планк, показа, че квантуването е общо свойство на електромагнитното излъчване. Според Айнщайн електромагнитното излъчване се състои от кванти, наречени по-късно фотони. Всеки фотон има специфична енергия и импулс:
E = hν, = (h / λ),
където λ и ν са дължината на вълната и честотата на фотона, е единичният вектор в посоката на разпространение на вълната.
Концепцията за квантуването на електромагнитното излъчване даде възможност да се обяснят закономерностите на фотоелектричния ефект, изследван експериментално от Г. Херц и А. Столетов. Въз основа на квантовата теория А. Комптън през 1922 г. обяснява феномена на еластично разсейване на електромагнитното излъчване от свободни електрони, придружено от увеличаване на дължината на вълната на светлината. Откриването на двойната природа на електромагнитното излъчване - дуализъм на частици и вълни оказа значително влияние върху развитието на квантовата физика, обяснението на природата на материята.
През 1924 г. Луи дьо Бройл излага хипотеза за универсалността на дуалността вълна-частица. Според тази хипотеза не само фотоните, но и всякакви други частици на материята, наред с корпускулните, също имат вълнови свойства. Връзките, свързващи корпускулярните и вълновите свойства на частиците, са същите като установените преди за фотоните.
E = h = ω, =, | p | = h / λ /,
където h = 2π, ω = 2πν, = 2π е дължината на вълната (де Бройл), която може да бъде свързана с частица. Вълновият вектор е ориентиран в посоката на движение на частицата. Директни експерименти, потвърждаващи идеята за дуализъм частици-вълна на частиците, са експериментите, проведени през 1927 г. от К. Дейвисън и Л. Гермър върху дифракцията на електрони от единичен никелов кристал. По-късно се наблюдава и дифракция на други микрочастици. Методът на дифракция на частици в момента се използва широко при изследване на структурата и свойствата на материята.
Експерименталното потвърждение на идеята за дуализма частица-вълна доведе до преразглеждане на обичайните идеи за движението на частиците и начина на описание на частиците. За класическите материални точки е характерно движението по определени траектории, така че техните координати и импулси във всеки момент от време са точно известни. За квантовите частици това твърдение е неприемливо, тъй като за квантовата частица импулсът на частицата е свързан с нейната дължина на вълната и да се говори за дължината на вълната в дадена точка от пространството е безсмислено. Следователно за една квантова частица е невъзможно едновременно да се определят точно стойностите на нейните координати и импулс. Ако една частица заема точно определено положение в пространството, тогава нейният импулс е напълно неопределен и обратно, частица с определен импулс има напълно неопределена координата. Несигурността в стойността на координатата на частицата Δ x и несигурността в стойността на компонента на импулса на частицата Δ p x са свързани с установената връзка на неопределеност
Вълнови свойства.Съвременникът на Исак Нютон, холандският физик Кристиан Хюйгенс, не отхвърля съществуването на корпускулите, но вярва, че те не се излъчват от светещи тела, а запълват цялото пространство. Хюйгенс представя процеса на разпространение на светлината не като транслационно движение, а като последователен процес на прехвърляне на въздействието на една частица в друга.
Привържениците на Хюйгенс изразиха мнението, че светлината е разпространяваща се вибрация в специална среда - "етер", която изпълва цялото световно пространство и която свободно прониква във всички тела. Светлинното вълнение от източник на светлина се предава от етер във всички посоки.
Така възникват първите вълнови идеи за природата на светлината. Основната стойност на първоначалната вълнова теория на светлината е принципът, първоначално формулиран от Хюйгенс и след това разработен от Френел. Принципът на Хюйгенс-Френел твърди, че всеки бъбрек, до който е достигнало светлинното възбуждане, от своя страна става център на вторични вълни и ги предава във всички посоки към съседните бъбреци.
Вълновите свойства на светлината се проявяват най-ясно в явленията на интерференция и дифракция.
Интерференцията на светлината е, че когато две вълни са взаимно разположени, може да се получи усилване или отслабване на трептенията.Принципът на интерференцията е открит през 1801 г. от англичанина Томас Юнг (1773-1829), лекар по професия. Юнг извърши класическия експеримент с две дупки. На екрана върхът на щифт проби две близко разположени дупки, които бяха осветени от слънчева светлина от малка дупка в прозорец със завеси. Зад екрана, вместо две ярки to-1, се наблюдава поредица от редуващи се тъмни и светли пръстени.
Необходимо условие за наблюдение на интерференционна картина е кохерентността на вълните (координиран ход на колебателни или вълнови процеси).
Явлението интерференция намира широко приложение в устройствата - интерферометрите, с помощта на които се извършват различни прецизни измервания и се следи чистотата на повърхностната обработка на детайлите, както и много други контролни операции.
През 1818 г. Френел представя обширна статия за дифракцията на светлината за конкурс в Парижката академия на науките. Разглеждайки този доклад, А. Поасон (1781-1840) стига до заключението, че според теорията, предложена от Френел, при определени условия, в центъра на дифракционната картина от непрозрачно кръгло препятствие по пътя на светлината трябва да има бъде светло петно, а не сянка. Това беше зашеметяващо заключение. Д. Ф. Араго (1786-1853) незабавно поставя експеримент и изчисленията на Поасон се потвърждават. Така заключението, направено от Поасон, което външно противоречи на теорията на Френел, се превърна с помощта на опита на Араго в едно от доказателствата за неговата валидност и също така постави основата за признаването на вълновата природа на светлината.
Явлението на отклонение на светлината от праволинейната посока на разпространение се нарича дифракция.
Много оптични устройства се основават на явлението дифракция. По-специално, рентгеновата дифракция се използва в кристалографското оборудване.
Вълновата природа на светлината и напречната природа на светлинните вълни се доказва освен това от явлението поляризация.Същността на поляризацията е ясно демонстрирана от прост експеримент: когато светлината се предава през два прозрачни кристала, нейният интензитет зависи от взаимната ориентация на кристалите. При същата ориентация светлината преминава без затихване. Когато един от кристалите се завърти на 90 °, светлината напълно изгасва, т.е. не преминава през кристали.
Вълновата природа на светлината се потвърждава и от явлението светлинна дисперсия. Тесен паралелен лъч бяла светлина, преминавайки през стъклена призма, се разлага на лъчи светлина с различни цветове. Цветната ивица се нарича плътен спектър. Зависимостта на скоростта на разпространение на светлината в среда от дължината на вълната се нарича светлинна дисперсия.Дисперсията е открита от И. Нютон.
Разлагането на бялата светлина се обяснява с факта, че тя се състои от електромагнитни вълни с различни дължини на вълната и показателят на пречупване зависи от дължината на вълната. Най-високата стойност на коефициента на пречупване за светлина с най-къса дължина на вълната е виолетовата, най-ниската за светлината с най-дълга дължина на вълната е червената. Експериментите показват, че във вакуум скоростта на светлината е еднаква за светлината с всякаква дължина на вълната.
Изучаването на явленията на дифракция, интерференция, поляризация и дисперсия на светлината доведе до утвърждаването на вълновата теория на светлината.
Квантовите свойства на светлината.През 1887 г. Г. Херц, когато осветява цинкова плоча, свързана с пръчката на електрометър, открива феномена на фотоелектричния ефект. Ако положителен заряд се прехвърли върху плочата и пръчката, тогава електрометърът не се разрежда, когато пластината е осветена. Когато на плочата се придаде отрицателен електрически заряд, електрометърът се разрежда веднага щом радиацията удари пластината. Този опит доказва, че отрицателните центрични заряди се изхвърлят от повърхността на метална плоча под въздействието на светлина. Измерванията на заряда и масата на частиците, изхвърлени от светлината, показаха, че тези частици са електрони. Явлението на излъчване на електрони от вещество под въздействието на електромагнитно излъчване се нарича фотоелектричен ефект.
Количествените закони на фотоелектричния ефект са установени през 1888-1889 г. Руският физик A.G. Столетов (1839-1896).
Не беше възможно да се обяснят основните закони на фотоелектричния ефект на базата на електромагнитната теория на светлината. Електромагнитната теория на светлината не може да обясни независимостта на енергията на фотоелектроните от интензитета на светлинното излъчване, наличието на червената граница на фотоелектричния ефект, пропорционалността на кинетичната енергия на фотоелектроните към честотата на светлината.
Електромагнитната теория на Максуел и електронната теория на Лоренц, въпреки огромните си успехи, бяха донякъде противоречиви и при прилагането им бяха срещнати редица трудности. И двете теории се основават на етерната хипотеза, като само "еластичният етер" е заменен от "електромагнитния етер" (теорията на Максуел) или "стационарния етер" (теорията на Лоренц). Теорията на Максуел не е в състояние да обясни процесите на излъчване и поглъщане на светлината, фотоелектричния ефект, комптоновото разсейване и т.н. излъчване на черно тяло.
Изброените трудности и противоречия са преодолени благодарение на една смела хипотеза, издигната през 1900 г. от немския физик М. Планк, според която излъчването на светлина не се случва непрекъснато, а дискретно, тоест на определени части (кванти), чиято енергия се определя от честотата n:
където зе константа на Планк.
Теорията на Планк не се нуждае от концепцията за етер. Тя обясни топлинното излъчване на черно тяло.
А. Айнщайн през 1905 г. създава квантовата теория на светлината:не само излъчването на светлина, но и нейното разпространение се случва във формата поток от светлинни кванти - фотони,чиято енергия се определя от горната формула на Планк и импулса
където l е дължината на вълната.
Квантовите свойства на електромагнитните вълни се проявяват най-пълно в Комптън ефект:Когато монохроматичното рентгеново лъчение се разсейва от вещество със светлинни атоми в състава на разсеяното лъчение, заедно с излъчване, характеризиращо се с първоначалната дължина на вълната, се наблюдава лъчение с по-голяма дължина на вълната.
Квантовите концепции за светлината са в добро съответствие със законите за излъчване и поглъщане на светлината, законите на взаимодействието, излъчването с материята. Добре проучените явления като интерференция, дифракция и поляризация на светлината са добре обяснени от гледна точка на концепциите за вълни. Това показва цялото разнообразие от изследвани свойства и закони на разпространение на светлината, нейното взаимодействие с материята светлината има сложна природа: тя е единство от противоположни свойства - корпускулярни (квантови) и вълнови (електромагнитни).Дълъг път на развитие доведе до съвременни концепции за двойната вълна-частична природа на светлината.Горните изрази свързват корпускулярните характеристики на излъчването - масата и енергията на кванта - с характеристиките на вълната - честотата на трептенията и дължината на вълната. Поради това, светлината е единство от дискретност и приемственост.
Въпроси за самотест
Въпрос 1. Коя е най-важната задача на естествените науки.
1.познавателен
2. мироглед
3.телеологични
4.създаване на естествено-научна картина на света
Въпрос 2. Кои са най-общите, важни фундаментални понятия на физическото описание на природата.
1.материя
2.движение
3.пространство
Въпрос 3. Каква е философската категория за обозначаване на обективната реалност, която се показва от нашите усещания, съществуващи независимо от тях.
1.съзнание
2.дисплей
3.материя
30.12.2015. 14:00
Мнозина, които започват да учат физика както в училищни години, така и във висши учебни заведения, рано или късно се сблъскват с въпроси за светлината. Първо, това, което най-много не ми харесва във физиката, която познаваме днес. Така че това е тълкуването на някои понятия, с абсолютно спокойно изражение на лицето и без да се обръща внимание на други явления и ефекти. Тоест с помощта на някакви закони или правила те се опитват да обяснят определени явления, но в същото време се опитват да не забелязват ефектите, които противоречат на това обяснение. Това вече е един вид правило за тълкуване - Но какво да кажем за това и това? Скъпа, слушай, сега говорим за нещо друго, просто не обръщай внимание. В крайна сметка, в рамките на този въпрос всичко бие? Е, това е хубаво.
Следващата "котка на Шрьодингер" за всяко познание е KVD (корпускуларна вълна дуализъм). Когато състоянието на фотон (частица светлина) или електрон може да бъде описано както с вълнови ефекти, така и с корпускулярно (частици). Що се отнася до явленията, показващи вълновите свойства на материята, тук всичко е повече или по-малко ясно, с изключение на едно - средата, в която се предава самата тази вълна. Но относно корпускулните свойства и особено наличието на такива "частици" светлина като фотоните, имам много съмнения.
Как хората са знаели, че светлината има вълнова природа? Е, това беше улеснено от отворени ефекти и експерименти с дневна светлина. Например, такова понятие като спектър на светлината (видим спектър на светлината), където, в зависимост от дължината на вълната и съответно честотата, цветът на спектъра се променя от червено към виолетово, тогава ние го виждаме с нашето несъвършено око. Всичко, което е зад и пред него, принадлежи към инфрачервеното, радиолъчението, ултравиолетовото, гама лъчението и т.н.
Забележете как снимката по-горе показва спектъра на електромагнитното излъчване. В зависимост от честотата на вълната на електромагнитно проявление тя може да бъде както гама лъчение, така и видима светлина, а не само, например, дори радиовълна. Но това, което е най-изненадващо във всичко това, само видимият спектър на светлината, който е толкова незначителен в целия честотен диапазон, по някаква причина, ИЗНЕНАДНО и само на него, се приписва на свойствата на частиците - фотоните. По някаква причина само видимият спектър проявява корпускулярни свойства. Никога няма да чуете за корпускулните свойства на радиовълните или, да речем, гама-лъчението, тези вибрации на корпускулните свойства не показват. Само частично понятието "гама квант" се прилага към гама лъчението, но повече за това по-късно.
И кои са действителните явления или ефекти, които потвърждават наличието на корпускулярни свойства, дори и само във видимия спектър на светлината? И тук започва най-удивителното.
Според официалната наука корпускулните свойства на светлината се потвърждават от два добре известни ефекта. За откриването и обяснението на тези ефекти Нобеловите награди по физика бяха присъдени на Алберт Айнщайн (фотоефект), Артър Комптън (ефект на компот). Трябва да се отбележи с въпроса - защо фотоефектът не носи името на Алберт Айнщайн, все пак именно за него той получи Нобелова награда? И всичко е много просто, този ефект е открит не от него, а от други талантливи учени (Александър Бекерел 1839), Айнщайн само обясни ефекта.
Нека започнем с фото ефект. Къде според физиците съдържа потвърждение, че светлината има корпускулярни свойства?
Фотоефектът се нарича явлението, поради което се получава излъчване на електрони от вещество, когато то е изложено на светлина или друго електромагнитно излъчване. С други думи, светлината се абсорбира от материята и нейната енергия се прехвърля на електрони, принуждавайки ги да се движат по подреден начин, като по този начин се трансформира в електрическа енергия.
Всъщност не е ясно как физиците са стигнали до извода, че т. нар. фотон е частица, тъй като при феномена на фотоелектричния ефект се установява, че електроните излитат, за да срещнат фотони. Този факт дава представа за неправилното тълкуване на явлението фотоефект, тъй като е едно от условията за възникване на този ефект. Но според физиците този ефект показва, че фотонът е просто частица само поради факта, че се абсорбира напълно, както и поради факта, че освобождаването на електрони не зависи от интензитета на облъчване, а изключително от честотата на така наречения фотон. Ето защо се ражда концепцията за квант светлина или корпускула. Но тук трябва да се съсредоточите върху това какво е "интензивност" в този конкретен случай. В крайна сметка слънчевите панели все още дават повече електричество с увеличаване на количеството светлина, падащо върху повърхността на фотоклетката. Например, когато говорим за интензитета на звука, имаме предвид амплитудата на неговите вибрации. Колкото по-голяма е амплитудата, толкова повече енергия носи акустичната вълна и толкова повече мощност е необходима за създаването на такава вълна. При светлината тази концепция отсъства напълно. Според днешните представи във физиката светлината има честота, но няма амплитуда. Което отново поражда много въпроси. Например, радиовълната има амплитудни характеристики, но видимата светлина, чиито вълни, да кажем, са малко по-къси от радиовълните, нямат амплитуда. Всичко това, описано по-горе, само говори, че такова понятие като фотон е, меко казано, размазано и всички явления, показващи съществуването му като тяхната интерпретация, не издържат на критика. Или те просто са измислени в подкрепа на някаква хипотеза, което най-вероятно е така.
Що се отнася до комптоновото разсейване на светлината (ефектът на Компотон), като цяло не е ясно как въз основа на този ефект се прави изводът, че светлината е частица, а не вълна.
Като цяло, всъщност днес физиката няма конкретно потвърждение, че една частица е фотон, е пълноценна и съществува по принцип под формата на частица. Има определен квант, който се характеризира с честотен градиент и не повече. И най-интересното е размерът (дължината) на този фотон, според E = hv, може да бъде от няколко десетки микрона до няколко километра. И всичко това не притеснява никого, когато използва думата "частица" за фотон.
Например фемтосекунден лазер с дължина на импулса 100 фемтосекунди има дължина на импулса (фотона) от 30 микрона. За справка, в прозрачен кристал разстоянието между атомите е около 3 ангстрьома. Е, как може фотон да лети от атом до атом, чиято величина е няколко пъти по-голяма от това разстояние?
Но днес физиката не се колебае да оперира с концепцията за квант, фотон или частица по отношение на светлината. Само да не се обръща внимание на факта, че не се вписва в стандартния модел, описващ материята и законите, по които тя съществува.
