За последние сто лет наука шагнула далеко вперед в изучении устройства нашего мира как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровне. Потрясающие открытия, принесенные нам специальной и общей теориями относительности, квантовой механикой, до сих пор будоражат умы общественности. Однако любому образованному человеку необходимо разобраться хотя бы в основах современных достижений науки. Одним из наиболее впечатляющих и важных моментов является корпускулярно-волновой дуализм. Это парадоксальное открытие, понимание которого неподвластно интуитивному бытовому восприятию.
Корпускулы и волны
Впервые дуализм обнаружили при исследовании света, который вел себя в зависимости от условий совершенно по-разному. С одной стороны, получалось, что свет - это оптическая электромагнитная волна. С другой стороны - дискретная частица (химическое действие света). Первоначально ученые считали, что эти два представления взаимно исключают друг друга. Однако многочисленные опыты показали, что это не так. Постепенно реальность такого понятия, как корпускулярно-волновой дуализм, стала обыденной. Эта концепция представляет собой основу для изучения поведения сложных квантовых объектов, которые не являются ни волнами, ни частицами, а только приобретают свойства вторых или первых в зависимости от определенных условий.
Опыт с двумя щелями
Дифракция фотонов - наглядная демонстрация дуализма. Детектором заряженных частиц является фотопластинка или люминесцирующий экран. Каждый отдельный фотон отмечался засветкой или точечной вспышкой. Совокупность таких отметок давала интерференционную картину - чередование слабо и сильно засвеченных полосок, что является характеристикой дифракции волны. Это и объясняется таким понятием, как корпускулярно-волновой дуализм. Знаменитый физик и Нобелевский лауреат Ричард Фейнман говорил, что вещество ведет себя в малых масштабах так, что ощутить «естественность» поведения квантов невозможно.
Универсальный дуализм
Однако данный опыт справедлив не только для фотонов. Оказалось, что дуализм - это свойство всего вещества, и он универсален. Гейзенберг утверждал, что материя существует в обоих вариантах попеременно. На сегодняшний день абсолютно доказано, что оба свойства проявляются совершенно одновременно.
Корпускулярная волна
А как объяснить такое поведение материи? Волну, которая присуща корпускулам (частицам), именуют волной де Бройля, по имени молодого аристократа-ученого, предложившего решение данной проблемы. Принято считать, что уравнения де Бройля описывают волновую функцию, которая в квадрате определяет только вероятность того, что частица находится в разное время в разных точках в пространстве. Проще говоря, дебройлевская волна - это вероятность. Таким образом установили равенство между математическим понятием (вероятностью) и реальным процессом.
Квантовое поле
Что такое корпускулы вещества? По большому счету, это кванты волновых полей. Фотон - квант электромагнитного поля, позитрон и электрон - электронно-позитронного, мезон - квант мезонного поля и так далее. Взаимодействие между волновыми полями объясняется обменом между ними некими промежуточными частицами, к примеру, при электромагнитном взаимодействии идет обмен фотонами. Из этого прямо следует еще одно подтверждение того, что волновые процессы, описанные де Бройлем, - это абсолютно реальные физические явления. А корпускулярно-волновой дуализм выступает не как «таинственное скрытое свойство», которое характеризует способность частиц к «перевоплощению». Он наглядно демонстрирует два взаимосвязанных действия - движение объекта и связанный с ним волновой процесс.
Туннельный эффект
Корпускулярно-волновой дуализм света связан со многими другими интересными явлениями. Направление действия волны де Бройля проявляется при так называемом туннельном эффекте, то есть при проникновении фотонов через энергетический барьер. Это явление обусловлено превышением среднего значения импульсом частицы в момент пучности волны. При помощи туннелирования оказалась возможной разработка множества электронных приборов.
Интерференция квантов света
Современная наука говорит про интерференцию фотонов так же загадочно, как и про интерференцию электронов. Получается, что фотон, который является неделимой частицей, одновременно может пройти по любому открытому для себя пути и интерферировать сам с собой. Если учесть, что корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества и фотон являют собой волну, которая охватывает много структурных элементов, то его делимость не исключается. Это противоречит предыдущим воззрениям на частицу как на элементарное неделимое образование. Обладая определенной массой движения, фотон формирует связанную с этим движением продольную волну, которая предшествует самой частице, так как скорость продольной волны больше, чем поперечной электромагнитной. Поэтому существуют два объяснения интерференции фотона самого с собой: частица расщепляется на две составляющие, которые и интерферируют друг с другом; волна фотона проходит по двум путям и формирует интерференционную картину. Опытным путем было обнаружено, что интерференционная картина создается и при пропускании сквозь интерферометр поочередно единичных заряженных частиц-фотонов. Этим подтверждается тезис о том, что каждый отдельный фотон интерферирует сам с собой. Особенно четко это видно при учете того, что свет (не когерентный и не монохроматичный) - это собрание фотонов, которые излучаются атомами во взаимонесвязанных и случайных процессах.
Что такое свет?
Световая волна - это электромагнитное нелокализованное поле, которое распределяется по пространству. Электромагнитное поле волны обладает объемной плотностью энергии, которая пропорциональна квадрату амплитуды. Это значит, что плотность энергии может меняться на любую величину, то есть это непрерывно. С одной стороны, свет - это поток квантов и фотонов (корпускул), которые, благодаря универсальности такого явления, как корпускулярно-волновой дуализм, представляют собой свойства электромагнитной волны. Например, в явлениях интерференции и дифракции и в масштабах свет явно демонстрирует характеристики волны. Например, одиночный фотон, как было описано выше, проходя через двойную щель, создает интерференционную картинку. При помощи экспериментов было доказано, что отдельно взятый фотон - это не электромагнитный импульс. Его нельзя разделить на пучки с делителями лучей, что показали французские физики Аспэ, Роже и Гранжье.
Свет обладает и корпускулярными свойствами, которые проявляются при эффекте Комптона и при фотоэффекте. Фотон может вести себя как частица, которая поглощается объектами целиком, размеры которых намного меньше длины его волны (например, атомным ядром). В некоторых случаях фотоны вообще можно считать точечными объектами. Нет разницы, с какой позиции рассматривать свойства света. В области цветного зрения поток света может выполнять функции и волны, и частицы-фотона как кванта энергии. Предметная точка, сфокусированная на фоторецепторе сетчатки, например, на мембране колбочки, может позволить глазу сформировать собственное отфильтрованное значение как основные спектральные лучи света и отсортировать их по длинам волн. Согласно значениям энергии квантов, в мозге предметная точка будет переведена на ощущение цвета (сфокусированное оптическое изображение).
В 1900 г. была опубликована работа М. Планка , посвященная проблеме теплового излучения тел. М. Планк моделировал вещество как совокупность гармонических осцилляторов различной частоты. Предположив, что излучение происходит не непрерывно, а порциями - квантами, он получил формулу для распределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошо согласовывалась с опытными данными
где h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана , T - температура, ν - частота излучения.
Так, впервые в физике появилась новая
фундаментальная константа - постоянная Планка.
Гипотеза Планка о квантовой природе теплового
излучения противоречит основам классической
физики и показала границы ее применимости.
Через пять лет А. Эйнштейн , обобщив
идею М. Планка, показал, что квантованность
является общим свойством электромагнитного
излучения. Согласно Эйнштейну электромагнитное
излучение состоит из квантов, названных позднее
фотонами. Каждый фотон имеет определенную
энергию и импульс:
E = hν , = (h/λ ),
где λ и ν - длина волны и частота фотона, - единичный вектор в направлении распространения волны.
Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально Г. Герцем и А. Столетовым . На основе квантовой теории А. Комптоном в 1922 году было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны света. Открытие двойственной природы электромагнитного излучения - корпускулярно-волнового дуализма оказало значительное влияние на развитие квантовой физики, объяснение природы материи.
В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, те же, что были установлены ранее для фотонов
E = h = ω , = , |p| = h/λ /,
где h = 2π
,
ω
= 2πν
, = 2π
-
длина волны (де Бройля), которую можно сопоставить с
частицей. Волновой вектор
ориентирован по направлению движения частицы.
Прямыми опытами, подтверждающими идею
корпускулярно-волнового дуализма частиц, были
опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном и
Л. Джермером
по дифракции электронов на монокристалле никеля.
Позднее наблюдалась дифракция и других
микрочастиц. Метод дифракции частиц в настоящее
время широко используется в изучении строения и
свойств вещества.
Экспериментальное подтверждение идеи
корпускулярно-волнового дуализма привело к
пересмотру привычных представлений о движении
частиц и способа описания частиц. Для
классических материальных точек характерно
движение по определенным траекториям, так, что их
координаты и импульсы в любой момент времени
точно известны. Для квантовых частиц это
утверждение неприемлемо, так как для квантовой
частицы импульс частицы связан с ее длиной волны,
а говорить о длине волны в данной точке
пространства бессмысленно. Поэтому для
квантовой частицы нельзя одновременно точно
определить значения ее координат и импульса.
Если частица занимает точно определенное
положение в пространстве, то ее импульс
полностью неопределен и наоборот, частица с
определенным импульсом имеет полностью
неопределенную координату. Неопределенность в
значении координаты частицы Δ
x и неопределенность в значении компоненты
импульса частицы Δ
p x
связаны соотношением неопределенности,
установленным
Волновые свойства. Современник Исаака Ньютона, нидерландский физик Христиан Гюйгенс, не отвергал существования корпускул, но полагал, что они не излучаются светящимися телами, а заполняют все пространство. Процесс распространения света Гюйгенс представлял не как поступательное движение, а как последовательный процесс передачи удара одной корпускулы о другую.
Сторонники Гюйгенса высказывали мнение, что свет есть распространяющееся колебание в особой среде - "эфире", которым заполнено все мировое пространство и который свободно проникает во все тела. Световое возбуждение от источника света передается эфиром во все стороны.
Так возникли первые волновые представления о природе света. Основную ценность начальной волновой теории света представляет принцип, первоначально сформулированный Гюйгенсом, а затем развитый Френелем. Принцип Гюйгенса - Френеля утверждает, что каждая почка, до которой дошло световое возбуждение, в свою очередь становится центром вторичных волн и передает их во все стороны соседним почкам.
Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции.
Интерференция света заключается в том, что при взаимном нахождении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Принцип интерференции был открыт в 1801 г. англичанином Томасом Юнгом (1773-1829), врачом по профессии. Юнг провел ставший теперь классическим опыт с двумя отверстиями. На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких то-1ек серия чередующихся темных и светлых колец.
Необходимым условием наблюдения интерференционной картины является когерентность волн (согласованное протекание колебательных или волновых процессов).
Явление интерференции широко используется в приборах - интерферометрах, с помощью которых осуществляются различные точные измерения и производится контроль чистоты обработки поверхности деталей, а также многие другие операции контроля.
В 1818 г. Френель представил обширный доклад по дифракции света на конкурс Парижской Академии наук. Рассматривая этот доклад, А.Пуассон (1781- 1840) пришел к выводу, что по предлагаемой Френелем теории при определенных условиях в центре дифракционной картины от непрозрачного круглого препятствия на пути света должно быть светлое пятно, а не тень. Это было ошеломляющее заключение. Д.Ф.Араго (1786-1853) тут же поставил опыт, и расчеты Пуассона подтвердились. Так противоречащее внешне теории Френеля заключение, сделанное Пуассоном, превратилось с помощью опыта Араго в одно из доказательств ее справедливости, а также положило начало признанию волновой природы света.
Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения называется дифракцией.
На явлении дифракции основаны многие оптические приборы. В частности, в кристаллографической аппаратуре используется дифракция рентгеновских лучей.
Волновую природу света и поперечность световых волн доказывает, кроме того, и явление поляризации. Сущность поляризации наглядно демонстрирует простой опыт: при пропускании света через два прозрачных кристалла его интенсивность зависит от взаимной ориентации кристаллов. При одинаковой ориентации свет проходит без ослабления. При повороте одного из кристаллов на 90° свет полностью гасится, т.е. не проходит через кристаллы.
Волновую природу света подтверждает и явление дисперсии света. Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета. Цветную полоску называют сплошным спектром. Зависимость скорости распространения света в среде от длины волны называется дисперсией света. Дисперсия была открыта И.Ньютоном.
Разложение белого света объясняется тем, что он состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны и показатель преломления зависит от длины волны. Наибольшее значение показателя преломления для света с самой короткой длиной волны - фиолетового, наименьшее для самого длинноволнового света - красного. Опыты показали, что в вакууме скорость света одинакова для света с любой длиной волны.
Изучение явлений дифракции, интерференции, поляризации и дисперсии света привело к утверждению волновой теории света.
Квантовые свойства света. В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света вырываются отрицательные центрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны. Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.
Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены в 1888- 1889 гг. русским физиком А.Г. Столетовым (1839- 1896).
Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось. Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существования красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии, фотоэлектронов частоте света.
Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца несмотря на свои огромные успехи были несколько противоречивы и при ах применении встречался ряд затруднений. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только "упругий эфир" был заменен "эфиром электромагнитным" (теория Максвелла) или "неподвижным эфиром" (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т. д. Теория Лоренца в свою очередь не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении Абсолютно черного тела.
Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой n:
где h - постоянная Планка.
Теория Планка не нуждается в понятии об эфире. Она объяснила тепловое излучение абсолютно черного тела.
А.Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую теорию света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов - фотонов, энергия которых определяется приведенной выше формулой Планка, а импульс
где l - длина волны.
Наиболее полно квантовые свойства электромагнитных волн проявляются в эффекте Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излучения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения наряду с излучением, характеризующимся первоначальной длиной волны, наблюдается излучение с более длинной волной.
Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия, излучения с веществом. Такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, хорошо объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств - корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Приведенные выше выражения связывают корпускулярные характеристики излучения - массу и энергию кванта - с волновыми - частотой колебаний и длиной волны. Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.
Вопросы для самопроверки
Вопрос 1. Назовите важнейшую задачу естествознания.
1. познавательная
2. мировоззренческая
3. телеологическая
4. создание естественнонаучной картины мира
Вопрос 2. Назовите наиболее общие, важные фундаментальные концепции физического описания природы.
1. материя
2. движение
3. пространство
Вопрос 3. Назовите философскую категорию для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них.
1. сознание
2. отображение
3. материя
30.12.2015. 14:00
Многие кто начинает познавать физику как в школьные годы так и в высших учебных заведениях, рано или поздно сталкиваются с вопросами касательно света. Во-первых, что больше всего мне не нравиться в физике которая нам известна сегодня. Так это трактовка одних понятий, при абсолютно спокойном выражении лица и не обращении внимания на другие явления и эффекты. То есть с помощью одних законов или правил пытаются пояснить те или иные явления, но при этом стараются не замечать эффекты этому объяснению противоречащие. Это уже является своего рода правилом ведения трактовки - Ну а как же вот это и это? Дорогой, послушай мы сейчас говорим о другом, просто не обращай внимания. Ведь в рамках этого вопроса, все бьется? Ну и славно.
Очередным "Котом Шредингера" для любого познания, является КВД (корпускулярно волновой дуализм). Когда состояние фотона (частицы света) или же электрона может описываться как волновыми эффектами так и корпускулярными (частицы). Что касается явлений указывающих на волновые свойства материи, тут все более менее понятно, кроме одной вещи - среда в которых эта самая волна передается. Но касательно корпускулярных свойств и особенно наличия таких "частиц" света как фотоны, у меня есть масса сомнений.
Как люди узнали о том что свет имеет волновую природу? Ну тому способствовали открытые эффекты и проведенные эксперименты с дневным светом. К примеру такое понятие как спектр света, (видимый спектр света) где в зависимости от длинны волны и соответственно частоты, цвет спектра меняется от красного до фиолетового, его то мы и видим нашим несовершенным глазом. Все что находится позади него и перед, относиться к инфракрасному, радио излучению, ультрафиолетовому, гамма излучению и так далее.
Обратите внимание как картинку выше, где изображен спектр электромагнитного излучения. В зависимости от частоты волны электромагнитного проявления оно может быть как гамма излучением, так и видимым светом и не только, к примеру оно может быть даже радио волной. Но что самое удивительное во всем этом, только видимому спектру света, столь незначительному во всем диапазоне частот, почему-то, ВНЕЗАПНО и только исключительно ему, приписываются свойства частиц - фотонов. Только видимый спектр почему-то проявляет корпускулярные свойства. Вы никогда не услышите о корпускулярных свойствах радио волн или скажем гамма излучения, эти колебания корпускулярных свойств не проявляют. Лишь отчасти к гамма излучению применяют понятие "гамма-кванта" но об этом позже.
А какие собственно явления или эффекты подтверждают наличие пусть даже только у видимого спектра света корпускулярных свойств? И вот тут начинается самое удивительное.
Если верить официальной науке, корпускулярные свойства света подтверждаются двумя известными эффектами. За открытие и пояснение этих эффектов были выданы Нобелевские премии по физике Альберту Эйнштейну (фото-эффект), Артуру Комптону (эффект Компотна). Следует отметить вопросом - почему фото-эффект не носит имя Альберта Эйнштейна ведь именно за него он получил Нобелевскую премию? А все очень просто, данный эффект был открыт не им, а другим талантливым ученым (Александр Беккерель 1839), Эйнштейн лишь пояснил эффект.
Давайте начнем с фото-эффекта. Где же по мнению физиков в нем присутствует подтверждение того что свет имеет корпускулярные свойства?
Фото-эффектом называют явление благодаря которому происходит испускание электронов веществом при воздействии на него светом или же любым другим электромагнитным излучением. Иными словами, свет поглощается материей и а его энергия переходит электронам заставляя их двигаться упорядочено, переходя таким образом в электрическую энергию.
На самом деле не понятно как физики пришли к заключению что так называемый фотон является частицей, ведь в явлении фотоэффекта установлено что электроны вылетают на встречу фотонам. Этот факт дает представление о неверной трактовке явления фото-эффекта, так как является одним из условий протекания данного эффекта. Но по мнению физиков, данный эффект показывает что фотон является именно частицей только благодаря тому что поглощается полностью, а так же благодаря тому что выделение электронов не зависит от интенсивности облучения а исключительно от частоты так называемого фотона. Именно поэтому родилось понятие кванта света или корпускула. Но тут следует заострить внимание на том что такое "интенсивность" в данном конкретном случае. Ведь солнечные батареи выдают все же больше электричества при увеличении количества света попадающего на поверхность фотоэлемента. К примеру когда мы говорим о интенсивности звука мы подразумеваем амплитуду его колебаний. Чем больше амплитуда тем большую энергию несет акустическая волна и тем большую мощность необходимо что бы такую волну создать. В случае со светом такое понятие отсутствует напрочь. Согласно сегодняшним представлениям в физике, у света есть частота, но нет амплитуды. Что опять же вызывает массу вопросов. К примеру у радиоволны амплитудные характеристики имеются, а у видимого света, волны которого скажем чуть короче радиоволн - амплитуды нет. Все это описанное выше говорит только о том, что такое понятие как фотон является мягко говоря размытым, а все явления указывающие на его существование как их интерпретация, не выдерживают никакой критики. Либо попросту являются придуманными в рамках поддержки какой либо гипотезы, что скорее всего так и есть.
Что касается Комптоновского рассеивания света (эффект Компотона) вообще не понятно каким образом на основании данного эффекта делается заключение что свет это частица а не волна.
В общем по сути сегодня у физики нет конкретного подтверждения того что частица фотон, является полноценной и существует в виде частицы в принципе. Есть некий квант который характеризуется частотным градиентом и не более. И что самое интересное размеры (длинна) этого фотона, согласно E=hv могут быть от нескольких десятков микрон до нескольких километров. И все это никого не смущает при употреблении слова "частица" к фотону.
К примеру, у фемтосекундного лазера с длинной импульса в 100 фемтосекунд длинна импульса (фотона) составляет 30 микрон. Для справки в прозрачном кристалле расстояние между атомами примерно 3 ангстрема. Ну как тут от атома к атому может лететь фотон величина которого в несколько раз больше этого расстояния?
Но сегодня физика не стесняется оперировать понятием квант, фотон или частица по отношению к свету. Просто не обращая внимания на то что не вписывается в стандартную модель описывающую материю и законы по которым она существует.
