प्राथमिक कणों की तरंग और कणिका गुण। प्रकाश की तरंग और कणिका गुण। कणिकाओं और तरंगें

पिछले सौ वर्षों में, विज्ञान ने सूक्ष्म और स्थूल दोनों स्तरों पर, हमारी दुनिया की संरचना का अध्ययन करने में काफी प्रगति की है। सापेक्षता, क्वांटम यांत्रिकी के विशेष और सामान्य सिद्धांतों द्वारा हमारे लिए लाई गई अद्भुत खोजें आज भी जनता के मन को उत्साहित करती हैं। हालांकि, किसी भी शिक्षित व्यक्ति को कम से कम आधुनिक वैज्ञानिक उपलब्धियों की मूल बातें समझने की जरूरत है। सबसे प्रभावशाली और महत्वपूर्ण बिंदुओं में से एक तरंग-कण द्वैत है। यह एक विरोधाभासी खोज है, जिसकी समझ सहज रोजमर्रा की धारणा के अधीन नहीं है।

कणिकाओं और तरंगें

प्रकाश के अध्ययन में पहली बार द्वैतवाद की खोज की गई, जो परिस्थितियों के आधार पर पूरी तरह से अलग तरीके से व्यवहार करता था। एक ओर, यह पता चला कि प्रकाश एक ऑप्टिकल विद्युत चुम्बकीय तरंग है। दूसरी ओर, एक असतत कण (प्रकाश की रासायनिक क्रिया) है। प्रारंभ में, वैज्ञानिकों का मानना ​​​​था कि ये दोनों विचार परस्पर अनन्य हैं। हालांकि, कई प्रयोगों से पता चला है कि ऐसा नहीं है। धीरे-धीरे, तरंग-कण द्वैत जैसी अवधारणा की वास्तविकता आम हो गई। यह अवधारणा जटिल क्वांटम वस्तुओं के व्यवहार का अध्ययन करने का आधार है जो न तो तरंगें हैं और न ही कण हैं, लेकिन कुछ शर्तों के आधार पर केवल बाद या पूर्व के गुणों को प्राप्त करते हैं।

दो स्लिट्स के साथ प्रयोग

फोटॉन विवर्तन द्वैतवाद का स्पष्ट प्रदर्शन है। आवेशित कणों का संसूचक एक फोटोग्राफिक प्लेट या एक ल्यूमिनसेंट स्क्रीन है। प्रत्येक व्यक्तिगत फोटॉन को फ्लेयर या पॉइंट फ्लैश द्वारा चिह्नित किया गया था। इस तरह के निशानों के संयोजन ने एक हस्तक्षेप पैटर्न दिया - कमजोर और जोरदार रोशनी वाली धारियों का विकल्प, जो तरंग विवर्तन की विशेषता है। इसे कॉर्पसकुलर-वेव द्वैतवाद जैसी अवधारणा द्वारा समझाया गया है। प्रसिद्ध भौतिक विज्ञानी और नोबेल पुरस्कार विजेता रिचर्ड फेनमैन ने कहा कि पदार्थ छोटे पैमाने पर इस तरह से व्यवहार करता है कि क्वांटम व्यवहार की "स्वाभाविकता" को महसूस करना असंभव है।

सार्वभौमिक द्वैतवाद

हालाँकि, यह अनुभव न केवल फोटॉन के लिए मान्य है। यह पता चला कि द्वैतवाद सभी पदार्थों की एक संपत्ति है, और यह सार्वभौमिक है। हाइजेनबर्ग ने तर्क दिया कि मामला दोनों संस्करणों में वैकल्पिक रूप से मौजूद है। आज तक, यह पूरी तरह से सिद्ध हो चुका है कि दोनों गुण एक साथ पूरी तरह से प्रकट होते हैं।

कणिका तरंग

पदार्थ के ऐसे व्यवहार की व्याख्या कैसे करें? इस समस्या के समाधान का प्रस्ताव रखने वाले युवा कुलीन वैज्ञानिक के नाम पर, कणिकाओं (कणों) में निहित तरंग को डी ब्रोगली तरंग कहा जाता है। यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि डी ब्रोगली के समीकरण एक तरंग फ़ंक्शन का वर्णन करते हैं, जो वर्ग केवल इस संभावना को निर्धारित करता है कि एक कण अलग-अलग समय पर अंतरिक्ष में अलग-अलग बिंदुओं पर है। सीधे शब्दों में कहें, एक डी ब्रोगली लहर एक संभावना है। इस प्रकार, गणितीय अवधारणा (प्रायिकता) और वास्तविक प्रक्रिया के बीच एक समानता स्थापित की गई थी।

क्वांटम क्षेत्र

पदार्थ के कण क्या हैं? कुल मिलाकर, ये तरंग क्षेत्रों के क्वांटा हैं। एक फोटॉन एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की मात्रा है, एक पॉज़िट्रॉन और एक इलेक्ट्रॉन एक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन क्षेत्र के होते हैं, एक मेसन एक मेसन क्षेत्र की मात्रा होती है, और इसी तरह। तरंग क्षेत्रों के बीच की बातचीत को कुछ मध्यवर्ती कणों द्वारा उनके बीच आदान-प्रदान द्वारा समझाया गया है, उदाहरण के लिए, विद्युत चुम्बकीय संपर्क के दौरान, फोटॉन का आदान-प्रदान होता है। यह सीधे तौर पर एक और पुष्टि करता है कि डी ब्रोगली द्वारा वर्णित तरंग प्रक्रियाएं बिल्कुल वास्तविक भौतिक घटनाएं हैं। और कॉर्पसकुलर-वेव द्वैतवाद "रहस्यमय छिपी संपत्ति" के रूप में कार्य नहीं करता है जो कणों की "पुनर्जन्म" की क्षमता को दर्शाता है। यह स्पष्ट रूप से दो परस्पर संबंधित क्रियाओं को प्रदर्शित करता है - किसी वस्तु की गति और उससे जुड़ी तरंग प्रक्रिया।

सुरंग प्रभाव

प्रकाश का तरंग-कण द्वैत कई अन्य रोचक घटनाओं से जुड़ा है। डी ब्रोगली तरंग की क्रिया की दिशा तथाकथित सुरंग प्रभाव में प्रकट होती है, अर्थात, जब फोटॉन ऊर्जा अवरोध के माध्यम से प्रवेश करते हैं। यह घटना तरंग के एंटिनोड के क्षण में कण की गति से औसत मूल्य की अधिकता के कारण होती है। टनलिंग की मदद से विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को विकसित करना संभव था।

प्रकाश क्वांटा का हस्तक्षेप

आधुनिक विज्ञान फोटॉन के हस्तक्षेप के बारे में रहस्यमय तरीके से बोलता है जैसे कि इलेक्ट्रॉनों के हस्तक्षेप के बारे में। यह पता चला है कि एक फोटॉन, जो एक अविभाज्य कण है, एक साथ अपने लिए खुले किसी भी पथ से गुजर सकता है और स्वयं में हस्तक्षेप कर सकता है। यदि हम इस बात को ध्यान में रखते हैं कि किसी पदार्थ और एक फोटॉन के गुणों की कणिका-तरंग द्वैतवाद एक तरंग है जो कई संरचनात्मक तत्वों को कवर करती है, तो इसकी विभाज्यता को बाहर नहीं किया जाता है। यह एक प्रारंभिक अविभाज्य गठन के रूप में कण पर पिछले विचारों का खंडन करता है। गति का एक निश्चित द्रव्यमान होने पर, एक फोटॉन इस गति से जुड़ी एक अनुदैर्ध्य तरंग बनाता है, जो कण से पहले होती है, क्योंकि अनुदैर्ध्य तरंग की गति अनुप्रस्थ विद्युत चुम्बकीय तरंग की तुलना में अधिक होती है। इसलिए, एक फोटॉन के स्वयं के साथ हस्तक्षेप के लिए दो स्पष्टीकरण हैं: कण दो घटकों में विभाजित होता है, जो एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप करते हैं; फोटॉन तरंग दो पथों के साथ यात्रा करती है और एक हस्तक्षेप पैटर्न बनाती है। यह प्रयोगात्मक रूप से पाया गया था कि एक हस्तक्षेप पैटर्न भी बनाया जाता है जब एकल चार्ज किए गए फोटॉन इंटरफेरोमीटर से बारी-बारी से गुजरते हैं। यह थीसिस की पुष्टि करता है कि प्रत्येक व्यक्तिगत फोटॉन स्वयं में हस्तक्षेप करता है। इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए यह विशेष रूप से स्पष्ट है कि प्रकाश (सुसंगत और मोनोक्रोमैटिक नहीं) फोटॉनों का एक संग्रह है जो परस्पर असंबंधित और यादृच्छिक प्रक्रियाओं में परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित होते हैं।

प्रकाश क्या है?

एक प्रकाश तरंग एक विद्युत चुम्बकीय गैर-स्थानीयकृत क्षेत्र है जो अंतरिक्ष में वितरित किया जाता है। तरंग के विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में एक वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व होता है, जो आयाम के वर्ग के समानुपाती होता है। इसका मतलब है कि ऊर्जा घनत्व किसी भी मात्रा में बदल सकता है, अर्थात यह निरंतर है। एक ओर, प्रकाश क्वांटा और फोटॉन (कॉर्पसकल) की एक धारा है, जो तरंग-कण द्वैत जैसी घटना की सार्वभौमिकता के कारण, विद्युत चुम्बकीय तरंग के गुण हैं। उदाहरण के लिए, व्यतिकरण और विवर्तन की परिघटनाओं में और तराजू में, प्रकाश एक तरंग की विशेषताओं को स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करता है। उदाहरण के लिए, एक एकल फोटॉन, जैसा कि ऊपर वर्णित है, एक डबल स्लिट से गुजरते हुए एक हस्तक्षेप पैटर्न बनाता है। प्रयोगों की मदद से यह साबित हो गया कि एक भी फोटॉन इलेक्ट्रोमैग्नेटिक पल्स नहीं है। इसे बीम स्प्लिटर्स के साथ बीम में विभाजित नहीं किया जा सकता है, जैसा कि फ्रांसीसी भौतिकविदों एस्पे, रोजर और ग्रेंजियर द्वारा दिखाया गया है।

प्रकाश में कणिका गुण भी होते हैं, जो कॉम्पटन प्रभाव और प्रकाश-विद्युत प्रभाव में प्रकट होते हैं। एक फोटॉन एक ऐसे कण की तरह व्यवहार कर सकता है जो पूरी वस्तुओं द्वारा अवशोषित होता है जो इसकी तरंग दैर्ध्य (उदाहरण के लिए, एक परमाणु नाभिक) से बहुत छोटा होता है। कुछ मामलों में, फोटॉन को आमतौर पर बिंदु वस्तु माना जा सकता है। प्रकाश के गुणों पर विचार करने के लिए किस स्थिति से कोई फर्क नहीं पड़ता। रंग दृष्टि के क्षेत्र में, प्रकाश की एक धारा एक तरंग और एक कण-फोटॉन दोनों के रूप में ऊर्जा क्वांटम के रूप में कार्य कर सकती है। एक रेटिना फोटोरिसेप्टर पर केंद्रित एक वस्तु बिंदु, जैसे कि शंकु झिल्ली, आंख को मुख्य वर्णक्रमीय प्रकाश पुंज के रूप में अपना स्वयं का फ़िल्टर्ड मान बनाने और उन्हें तरंग दैर्ध्य द्वारा क्रमबद्ध करने की अनुमति दे सकता है। क्वांटम ऊर्जा के मूल्यों के अनुसार, मस्तिष्क में, विषय बिंदु को रंग की अनुभूति (केंद्रित ऑप्टिकल छवि) में अनुवादित किया जाएगा।

1900 में, एम। प्लैंक का काम प्रकाशित हुआ, जो निकायों के थर्मल विकिरण की समस्या के लिए समर्पित था। एम। प्लैंक ने विभिन्न आवृत्तियों के हार्मोनिक ऑसिलेटर्स के एक सेट के रूप में मॉडलिंग की। यह मानते हुए कि विकिरण लगातार नहीं होता है, लेकिन भागों में - क्वांटा, उन्होंने थर्मल विकिरण के स्पेक्ट्रम पर ऊर्जा के वितरण के लिए एक सूत्र प्राप्त किया, जो प्रयोगात्मक डेटा के साथ अच्छा समझौता था

जहाँ h प्लांक नियतांक है, k बोल्ट्जमान नियतांक है, T तापमान है, विकिरण आवृत्ति है।

तो, भौतिकी में पहली बार एक नया मौलिक स्थिरांक दिखाई दिया - प्लैंक का स्थिरांक। थर्मल विकिरण की क्वांटम प्रकृति के बारे में प्लैंक की परिकल्पना शास्त्रीय भौतिकी की नींव का खंडन करती है और इसकी प्रयोज्यता की सीमा को दर्शाती है।
पांच साल बाद, ए। आइंस्टीन ने एम। प्लैंक के विचार को सामान्य करते हुए दिखाया कि परिमाणीकरण विद्युत चुम्बकीय विकिरण का एक सामान्य गुण है। आइंस्टीन के अनुसार, विद्युत चुम्बकीय विकिरण में क्वांटा होता है, जिसे बाद में फोटॉन कहा जाता है। प्रत्येक फोटॉन में एक निश्चित ऊर्जा और गति होती है:

ई = एचν , = (एच / λ ),

जहां और फोटॉन की तरंग दैर्ध्य और आवृत्ति हैं, तरंग प्रसार की दिशा में इकाई वेक्टर है।

विद्युत चुम्बकीय विकिरण के परिमाणीकरण के विचारों ने जी। हर्ट्ज और ए। स्टोलेटोव द्वारा प्रयोगात्मक रूप से अध्ययन किए गए फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के नियमों की व्याख्या करना संभव बना दिया। क्वांटम सिद्धांत के आधार पर, ए। कॉम्पटन ने 1922 में प्रकाश की तरंग दैर्ध्य में वृद्धि के साथ मुक्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा विद्युत चुम्बकीय विकिरण के लोचदार प्रकीर्णन की घटना की व्याख्या की। विद्युत चुम्बकीय विकिरण की दोहरी प्रकृति की खोज - तरंग-कण द्वैत का क्वांटम भौतिकी के विकास पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा, पदार्थ की प्रकृति की व्याख्या।

1924 में, लुई डी ब्रोगली ने तरंग-कण द्वैत की सार्वभौमिकता के बारे में एक परिकल्पना सामने रखी। इस परिकल्पना के अनुसार, न केवल फोटोन, बल्कि पदार्थ के किसी भी अन्य कण, कणिका के साथ-साथ तरंग गुण भी होते हैं। कणों के कणिका और तरंग गुणों को जोड़ने वाले संबंध वही हैं जो पहले फोटॉन के लिए स्थापित किए गए थे

ई = एच = , = , |p| = एच/λ /,

जहाँ h = 2π, = 2πν, = 2π (डी ब्रोग्ली) तरंग दैर्ध्य है जिसे एक कण से जोड़ा जा सकता है। तरंग सदिश कण गति की दिशा में उन्मुख होता है। तरंग-कण द्वैत के विचार की पुष्टि करने वाले प्रत्यक्ष प्रयोग 1927 में के। डेविसन और एल। जर्मर द्वारा एक निकल एकल क्रिस्टल पर इलेक्ट्रॉन विवर्तन पर किए गए प्रयोग थे। बाद में, अन्य सूक्ष्म कणों का विवर्तन भी देखा गया। कण विवर्तन विधि वर्तमान में पदार्थ की संरचना और गुणों के अध्ययन में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है।
कणिका-तरंग द्वैतवाद के विचार की प्रायोगिक पुष्टि ने कणों की गति और कणों का वर्णन करने के तरीके के बारे में सामान्य विचारों में संशोधन किया। शास्त्रीय सामग्री बिंदुओं को कुछ प्रक्षेपवक्र के साथ आंदोलन की विशेषता है, ताकि उनके निर्देशांक और गति किसी भी समय बिल्कुल ज्ञात हों। क्वांटम कणों के लिए, यह कथन अस्वीकार्य है, क्योंकि एक क्वांटम कण के लिए, एक कण की गति उसके तरंग दैर्ध्य से संबंधित होती है, और अंतरिक्ष में किसी दिए गए बिंदु पर तरंग दैर्ध्य के बारे में बात करने का कोई मतलब नहीं है। इसलिए, एक क्वांटम कण के लिए, इसके निर्देशांक और गति के मूल्यों को एक साथ सटीक रूप से निर्धारित करना असंभव है। यदि कोई कण अंतरिक्ष में एक निश्चित रूप से परिभाषित स्थिति में है, तो इसका संवेग पूरी तरह से अनिश्चित होता है, और इसके विपरीत, एक निश्चित गति वाले कण का पूरी तरह से अनिश्चित समन्वय होता है। कण निर्देशांक x के मान में अनिश्चितता और कण p x के संवेग घटक के मान में अनिश्चितता किसके द्वारा स्थापित अनिश्चितता संबंध से संबंधित हैं

तरंग गुण।आइजैक न्यूटन के समकालीन, डच भौतिक विज्ञानी क्रिश्चियन ह्यूजेंस ने कणिकाओं के अस्तित्व को अस्वीकार नहीं किया, लेकिन उनका मानना ​​​​था कि वे चमकदार निकायों द्वारा उत्सर्जित नहीं होते हैं, लेकिन सभी जगह भरते हैं। ह्यूजेंस ने प्रकाश के प्रसार की प्रक्रिया को आगे की गति के रूप में नहीं, बल्कि एक कणिका के प्रभाव को दूसरे में स्थानांतरित करने की एक क्रमिक प्रक्रिया के रूप में प्रस्तुत किया।

हाइजेंस के समर्थकों ने राय व्यक्त की कि प्रकाश एक विशेष माध्यम में एक प्रसार दोलन है - "ईथर", जो पूरे विश्व अंतरिक्ष को भरता है और जो सभी निकायों में स्वतंत्र रूप से प्रवेश करता है। एक प्रकाश स्रोत से प्रकाश उत्तेजना सभी दिशाओं में ईथर द्वारा प्रेषित होती है।

इस प्रकार, प्रकाश की प्रकृति के बारे में पहली लहर के विचार उत्पन्न हुए। प्रकाश के प्रारंभिक तरंग सिद्धांत का मुख्य मूल्य मूल रूप से ह्यूजेंस द्वारा तैयार किया गया सिद्धांत है और फिर फ्रेस्नेल द्वारा विकसित किया गया है। ह्यूजेंस-फ्रेस्नेल सिद्धांत कहता है कि प्रत्येक गुर्दा, जो प्रकाश उत्तेजना से पहुंचता है, बदले में माध्यमिक तरंगों का केंद्र बन जाता है और उन्हें सभी दिशाओं में पड़ोसी गुर्दे तक पहुंचाता है।

प्रकाश के तरंग गुण व्यतिकरण और विवर्तन की परिघटनाओं में सबसे स्पष्ट रूप से प्रकट होते हैं।

प्रकाश का हस्तक्षेप इस तथ्य में निहित है कि जब दो तरंगें परस्पर स्थित होती हैं, तो दोलनों को मजबूत या कमजोर किया जा सकता है।हस्तक्षेप के सिद्धांत की खोज 1801 में अंग्रेज थॉमस यंग (1773-1829) ने की थी, जो पेशे से एक चिकित्सक थे। जंग ने दो छेदों के साथ अब क्लासिक प्रयोग किया। स्क्रीन पर, एक पिन की नोक से दो निकट दूरी वाले छेदों को छेद दिया गया था, जो पर्दे वाली खिड़की में एक छोटे से छेद से सूरज की रोशनी से प्रकाशित होते थे। स्क्रीन के पीछे, दो चमकीले धब्बों के बजाय, बारी-बारी से अंधेरे और हल्के छल्लों की एक श्रृंखला देखी गई।

व्यतिकरण पैटर्न को देखने के लिए एक आवश्यक शर्त तरंगों का समन्वय है (ऑसिलेटरी या तरंग प्रक्रियाओं का एक समन्वित प्रवाह)।

हस्तक्षेप की घटना का व्यापक रूप से उपकरणों में उपयोग किया जाता है - इंटरफेरोमीटर, जिसकी मदद से विभिन्न सटीक माप किए जाते हैं और भागों की सतह खत्म को नियंत्रित किया जाता है, साथ ही साथ कई अन्य नियंत्रण संचालन भी होते हैं।

1818 में, फ्रेस्नेल ने पेरिस एकेडमी ऑफ साइंसेज की प्रतियोगिता में प्रकाश के विवर्तन पर एक व्यापक रिपोर्ट प्रस्तुत की। इस रिपोर्ट को ध्यान में रखते हुए, ए। पॉइसन (1781-1840) इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि फ्रेस्नेल द्वारा प्रस्तावित सिद्धांत के अनुसार, कुछ शर्तों के तहत, प्रकाश के मार्ग में एक अपारदर्शी गोल बाधा से विवर्तन पैटर्न के केंद्र में एक होना चाहिए उज्ज्वल स्थान, छाया नहीं। यह एक आश्चर्यजनक निष्कर्ष था। डी.एफ.अरागो (1786-1853) ने तुरंत एक प्रयोग की स्थापना की, और पॉइसन की गणना की पुष्टि की गई। इस प्रकार, पॉइसन द्वारा किया गया निष्कर्ष, बाहरी रूप से फ्रेस्नेल के सिद्धांत का खंडन करता है, अरागो के प्रयोग की मदद से, इसकी वैधता के प्रमाणों में से एक में बदल गया, और प्रकाश की तरंग प्रकृति की मान्यता की शुरुआत को भी चिह्नित किया।

प्रकाश के प्रसार की सीधी दिशा से विक्षेपण की घटना को विवर्तन कहा जाता है।

कई ऑप्टिकल डिवाइस विवर्तन की घटना पर आधारित हैं। विशेष रूप से, क्रिस्टलोग्राफिक उपकरण एक्स-रे विवर्तन का उपयोग करते हैं।

प्रकाश की तरंग प्रकृति और प्रकाश तरंगों की अनुप्रस्थ प्रकृति भी घटना से सिद्ध होती है ध्रुवीकरण।ध्रुवीकरण का सार एक सरल प्रयोग द्वारा स्पष्ट रूप से प्रदर्शित किया जाता है: जब प्रकाश दो पारदर्शी क्रिस्टल से गुजरता है, तो इसकी तीव्रता क्रिस्टल के पारस्परिक अभिविन्यास पर निर्भर करती है। उसी अभिविन्यास के साथ, प्रकाश क्षीणन के बिना गुजरता है। जब किसी एक क्रिस्टल को 90° घुमाया जाता है, तो प्रकाश पूरी तरह से बुझ जाता है, अर्थात। क्रिस्टल से नहीं गुजरता।

प्रकाश के प्रकीर्णन की परिघटना से भी प्रकाश की तरंग प्रकृति की पुष्टि होती है। सफेद प्रकाश की एक संकीर्ण समानांतर किरण, कांच के प्रिज्म से गुजरने पर, विभिन्न रंगों के प्रकाश पुंजों में विघटित हो जाती है। रंग बैंड को सतत स्पेक्ट्रम कहा जाता है। किसी माध्यम में प्रकाश के संचरण की गति की तरंगदैर्घ्य पर निर्भरता को प्रकाश का परिक्षेपण कहते हैं।फैलाव की खोज आई न्यूटन ने की थी।

श्वेत प्रकाश के अपघटन को इस तथ्य से समझाया जाता है कि इसमें विभिन्न तरंग दैर्ध्य वाली विद्युत चुम्बकीय तरंगें होती हैं और अपवर्तनांक तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है। सबसे कम तरंग दैर्ध्य वाले प्रकाश के लिए अपवर्तनांक का उच्चतम मूल्य बैंगनी है, सबसे लंबी तरंग दैर्ध्य प्रकाश के लिए सबसे कम लाल है। प्रयोगों से पता चला है कि निर्वात में प्रकाश की गति किसी भी तरंग दैर्ध्य के प्रकाश के लिए समान होती है।

प्रकाश के विवर्तन, व्यतिकरण, ध्रुवण और प्रकीर्णन की परिघटनाओं के अध्ययन से प्रकाश के तरंग सिद्धांत की स्थापना हुई।

प्रकाश के क्वांटम गुण। 1887 में, जी. हर्ट्ज़ ने जब एक इलेक्ट्रोमीटर की छड़ से जुड़ी एक जस्ता प्लेट को रोशन किया, तो फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की घटना की खोज की। यदि प्लेट और रॉड पर एक सकारात्मक चार्ज स्थानांतरित किया जाता है, तो प्लेट के रोशन होने पर इलेक्ट्रोमीटर डिस्चार्ज नहीं होता है। जब प्लेट पर एक ऋणात्मक विद्युत आवेश लगाया जाता है, तो जैसे ही विकिरण प्लेट से टकराता है, इलेक्ट्रोमीटर डिस्चार्ज हो जाता है। यह प्रयोग साबित करता है कि प्रकाश की क्रिया के तहत नकारात्मक केंद्रित चार्ज धातु की प्लेट की सतह से बच जाते हैं। प्रकाश द्वारा निकाले गए कणों के आवेश और द्रव्यमान के मापन से पता चला कि ये कण इलेक्ट्रॉन हैं। विद्युत चुम्बकीय विकिरण की क्रिया के तहत किसी पदार्थ द्वारा इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन की घटना को फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की मात्रात्मक नियमितता 1888-1889 में स्थापित की गई थी। रूसी भौतिक विज्ञानी ए.जी. स्टोलेटोव (1839-1896)।

प्रकाश के विद्युतचुंबकीय सिद्धांत के आधार पर प्रकाश-विद्युत प्रभाव के मूल नियमों की व्याख्या करना संभव नहीं था। प्रकाश का विद्युतचुंबकीय सिद्धांत प्रकाश विकिरण की तीव्रता से फोटोइलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा की स्वतंत्रता, फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की लाल सीमा के अस्तित्व, प्रकाश की आवृत्ति के लिए फोटोइलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा की आनुपातिकता की व्याख्या नहीं कर सका।

मैक्सवेल का विद्युतचुंबकीय सिद्धांत और लोरेंत्ज़ का इलेक्ट्रॉनिक सिद्धांत, उनकी भारी सफलताओं के बावजूद, कुछ हद तक विरोधाभासी थे और उनके आवेदन में कई कठिनाइयों का सामना करना पड़ा। दोनों सिद्धांत ईथर परिकल्पना पर आधारित थे, केवल "लोचदार ईथर" को "विद्युत चुम्बकीय ईथर" (मैक्सवेल का सिद्धांत) या "निश्चित ईथर" (लोरेंत्ज़ का सिद्धांत) द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था। मैक्सवेल का सिद्धांत प्रकाश के उत्सर्जन और अवशोषण की प्रक्रियाओं, फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव, कॉम्पटन स्कैटरिंग आदि की व्याख्या नहीं कर सका। लोरेंत्ज़ का सिद्धांत, बदले में, पदार्थ के साथ प्रकाश की बातचीत से जुड़ी कई घटनाओं की व्याख्या नहीं कर सका, विशेष रूप से वितरण का प्रश्न थर्मल ब्लैकबॉडी विकिरण के दौरान तरंग दैर्ध्य पर ऊर्जा का।

जर्मन भौतिक विज्ञानी एम. प्लैंक द्वारा 1900 में सामने रखी गई साहसिक परिकल्पना के कारण इन कठिनाइयों और अंतर्विरोधों को दूर किया गया, जिसके अनुसार प्रकाश उत्सर्जन लगातार नहीं होता है, लेकिन विवेकपूर्ण रूप से, यानी कुछ हिस्सों (क्वांटा) में, जिसकी ऊर्जा आवृत्ति n द्वारा निर्धारित की जाती है:

कहाँ पे एचप्लैंक स्थिरांक है।

प्लैंक के सिद्धांत को ईथर की अवधारणा की आवश्यकता नहीं है। उसने पूरी तरह से काले शरीर के थर्मल विकिरण की व्याख्या की।

ए आइंस्टीन ने 1905 में बनाया प्रकाश का क्वांटम सिद्धांत:न केवल प्रकाश का उत्सर्जन होता है, बल्कि इसका प्रसार भी रूप में होता है प्रकाश क्वांटा का प्रवाह - फोटॉन,जिसकी ऊर्जा उपरोक्त प्लैंक सूत्र द्वारा निर्धारित की जाती है, और गति

जहाँ l तरंगदैर्घ्य है।

विद्युत चुम्बकीय तरंगों के क्वांटम गुण सबसे पूर्ण रूप से प्रकट होते हैं कॉम्पटन प्रभाव:जब मोनोक्रोमैटिक एक्स-रे विकिरण प्रकाश परमाणुओं के साथ एक पदार्थ द्वारा बिखरा हुआ होता है, साथ ही प्रारंभिक तरंग दैर्ध्य की विशेषता वाले विकिरण के साथ, बिखरे हुए विकिरण की संरचना में लंबी तरंग दैर्ध्य के साथ विकिरण देखा जाता है।

प्रकाश के बारे में क्वांटम विचार विकिरण के नियमों और प्रकाश के अवशोषण, बातचीत के नियमों, पदार्थ के साथ विकिरण के नियमों के साथ अच्छे समझौते में हैं। प्रकाश के व्यतिकरण, विवर्तन और ध्रुवण जैसी अच्छी तरह से अध्ययन की गई घटनाओं को तरंग अवधारणाओं के संदर्भ में अच्छी तरह से समझाया गया है। सभी प्रकार के अध्ययन किए गए गुण और प्रकाश प्रसार के नियम, पदार्थ के साथ इसकी बातचीत से पता चलता है कि प्रकाश की एक जटिल प्रकृति है: यह विपरीत गुणों की एकता है - कणिका (क्वांटम) और तरंग (विद्युत चुम्बकीय)।विकास का लंबा रास्ता तय किया है प्रकाश की दोहरी कणिका-तरंग प्रकृति के बारे में आधुनिक विचार।उपरोक्त अभिव्यक्तियाँ विकिरण की कणिका विशेषताओं को जोड़ती हैं - एक क्वांटम का द्रव्यमान और ऊर्जा - तरंग विशेषताओं के साथ - दोलनों की आवृत्ति और तरंग दैर्ध्य। इस तरह, प्रकाश विवेक और निरंतरता की एकता है।

आत्मनिरीक्षण के लिए प्रश्न

प्रश्न 1. प्राकृतिक विज्ञान का सबसे महत्वपूर्ण कार्य क्या है?

1. संज्ञानात्मक

2. विश्वदृष्टि

3. दूरसंचार

4. दुनिया की एक प्राकृतिक-विज्ञान तस्वीर का निर्माण

प्रश्न 2. प्रकृति के भौतिक विवरण की सबसे सामान्य, महत्वपूर्ण मौलिक अवधारणाओं के नाम बताइए।

1. पदार्थ

2. आंदोलन

3. अंतरिक्ष

प्रश्न 3. वस्तुगत वास्तविकता को निरूपित करने के लिए दार्शनिक श्रेणी क्या है, जो हमारी संवेदनाओं द्वारा प्रदर्शित होती है, जो उनसे स्वतंत्र रूप से विद्यमान है।

1. चेतना

2. प्रदर्शन

3. पदार्थ

30.12.2015. 14:00

बहुत से लोग जो अपने स्कूल के वर्षों में और उच्च शिक्षण संस्थानों में भौतिकी सीखना शुरू करते हैं, देर-सबेर प्रकाश के बारे में सवालों का सामना करना पड़ता है। सबसे पहले, आज हम जिस भौतिकी के बारे में जानते हैं, उसके बारे में मुझे सबसे ज्यादा नापसंद है। तो यह कुछ अवधारणाओं की व्याख्या है, बिल्कुल शांत चेहरे की अभिव्यक्ति के साथ और अन्य घटनाओं और प्रभावों पर ध्यान नहीं देना। यही है, कुछ कानूनों या नियमों की मदद से, वे कुछ घटनाओं को समझाने की कोशिश करते हैं, लेकिन साथ ही वे उन प्रभावों को नोटिस नहीं करने का प्रयास करते हैं जो इस स्पष्टीकरण का खंडन करते हैं। यह पहले से ही व्याख्या का एक प्रकार का नियम है - अच्छा, इस और उस के बारे में क्या? प्रिय सुनो, हम अभी कुछ और बात कर रहे हैं, इसे अनदेखा करें। आखिरकार, इस प्रश्न के ढांचे के भीतर, सब कुछ धड़कता है? बहुत बढि़या।

किसी भी ज्ञान के लिए अगला "श्रोडिंगर की बिल्ली" सीडब्ल्यूडी (कॉर्पसकुलर वेव द्वैतवाद) है। जब एक फोटॉन (प्रकाश का एक कण) या एक इलेक्ट्रॉन की स्थिति को तरंग प्रभाव और कणिका (कण) दोनों द्वारा वर्णित किया जा सकता है। पदार्थ के तरंग गुणों को इंगित करने वाली घटना के लिए, सब कुछ कमोबेश स्पष्ट है, केवल एक चीज को छोड़कर - वह माध्यम जिसमें यह तरंग प्रसारित होती है। लेकिन कणिकाओं के गुणों और विशेष रूप से प्रकाश के ऐसे "कणों" की उपस्थिति के संबंध में, जैसे कि फोटॉन, मुझे बहुत संदेह है।

लोगों को कैसे पता चला कि प्रकाश की तरंग प्रकृति होती है? खैर, यह खुले प्रभावों और दिन के उजाले के साथ प्रयोगों द्वारा सुगम बनाया गया था। उदाहरण के लिए, प्रकाश का स्पेक्ट्रम, (प्रकाश का दृश्य स्पेक्ट्रम) जैसी अवधारणा जहां, तरंग दैर्ध्य के आधार पर और, तदनुसार, आवृत्ति, स्पेक्ट्रम का रंग लाल से बैंगनी में बदल जाता है, और फिर हम इसे अपने साथ देखते हैं अपूर्ण आँख। इसके पीछे और इसके सामने सब कुछ इन्फ्रारेड, रेडियो विकिरण, पराबैंगनी, गामा विकिरण, आदि को संदर्भित करता है।

ऊपर दिए गए चित्र पर ध्यान दें, जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण के स्पेक्ट्रम को दर्शाता है। विद्युत चुम्बकीय अभिव्यक्ति की तरंग की आवृत्ति के आधार पर, यह गामा विकिरण और दृश्य प्रकाश दोनों हो सकता है और न केवल, उदाहरण के लिए, यह एक रेडियो तरंग भी हो सकता है। लेकिन इस सब में सबसे आश्चर्यजनक बात यह है कि केवल प्रकाश का दृश्य स्पेक्ट्रम, पूरी आवृत्ति रेंज में इतना महत्वहीन, किसी कारण से, अचानक और केवल विशेष रूप से, कणों के गुणों को जिम्मेदार ठहराया जाता है - फोटॉन। किसी कारण से, केवल दृश्य स्पेक्ट्रम ही कणिका गुण प्रदर्शित करता है। आपने रेडियो तरंगों के कणिका गुणों के बारे में या गामा विकिरण के बारे में कभी नहीं सुना होगा, ये उतार-चढ़ाव कणिका गुणों को प्रदर्शित नहीं करते हैं। केवल आंशिक रूप से, "गामा क्वांटम" की अवधारणा गामा विकिरण पर लागू होती है, लेकिन बाद में उस पर और अधिक।

और कौन सी वास्तविक घटनाएं या प्रभाव कणिका गुणों की उपस्थिति की पुष्टि करते हैं, भले ही केवल प्रकाश के दृश्य स्पेक्ट्रम में ही क्यों न हों? और यहाँ सबसे आश्चर्यजनक शुरू होता है।

आधिकारिक विज्ञान के अनुसार, प्रकाश के कणिका गुणों की पुष्टि दो प्रसिद्ध प्रभावों से होती है। इन प्रभावों की खोज और स्पष्टीकरण के लिए, अल्बर्ट आइंस्टीन (फोटो-इफेक्ट), आर्थर कॉम्पटन (कॉम्पटन इफेक्ट) को भौतिकी में नोबेल पुरस्कार दिए गए थे। यह प्रश्न के साथ ध्यान दिया जाना चाहिए - फोटो प्रभाव पर अल्बर्ट आइंस्टीन का नाम क्यों नहीं है, क्योंकि यह उनके लिए था कि उन्हें नोबेल पुरस्कार मिला? और सब कुछ बहुत सरल है, इस प्रभाव की खोज उन्होंने नहीं की, बल्कि एक अन्य प्रतिभाशाली वैज्ञानिक (सिकंदर बेकरेल 1839) ने की, आइंस्टीन ने केवल प्रभाव की व्याख्या की।

आइए फोटो प्रभाव से शुरू करते हैं। भौतिकविदों के अनुसार, इस बात के प्रमाण कहाँ हैं कि प्रकाश में कणिका गुण होते हैं?

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव एक घटना है जिसके कारण किसी पदार्थ द्वारा प्रकाश या किसी अन्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण के संपर्क में आने पर इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं। दूसरे शब्दों में, प्रकाश को पदार्थ द्वारा अवशोषित किया जाता है और इसकी ऊर्जा को इलेक्ट्रॉनों में स्थानांतरित कर दिया जाता है, जिससे वे एक व्यवस्थित तरीके से आगे बढ़ते हैं, इस प्रकार विद्युत ऊर्जा में बदल जाते हैं।

वास्तव में, यह स्पष्ट नहीं है कि भौतिक विज्ञानी इस निष्कर्ष पर कैसे पहुंचे कि तथाकथित फोटॉन एक कण है, क्योंकि फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की घटना में यह स्थापित होता है कि इलेक्ट्रॉन फोटॉन से मिलने के लिए बाहर निकलते हैं। यह तथ्य फोटो-प्रभाव की घटना की गलत व्याख्या का एक विचार देता है, क्योंकि यह इस प्रभाव की घटना के लिए शर्तों में से एक है। लेकिन भौतिकविदों के अनुसार, यह प्रभाव दर्शाता है कि फोटॉन केवल एक कण है क्योंकि यह पूरी तरह से अवशोषित हो जाता है, और इस तथ्य के कारण भी कि इलेक्ट्रॉनों की रिहाई विकिरण की तीव्रता पर निर्भर नहीं करती है, बल्कि पूरी तरह से पर निर्भर करती है तथाकथित फोटॉन की आवृत्ति। इसीलिए प्रकाश की मात्रा या एक कणिका की अवधारणा का जन्म हुआ। लेकिन यहां हमें इस बात पर ध्यान देना चाहिए कि इस विशेष मामले में "तीव्रता" क्या है। आखिरकार, फोटोकेल की सतह पर पड़ने वाले प्रकाश की मात्रा में वृद्धि के साथ सौर पैनल अभी भी अधिक बिजली का उत्पादन करते हैं। उदाहरण के लिए, जब हम ध्वनि की तीव्रता के बारे में बात करते हैं, तो हमारा तात्पर्य उसके कंपनों के आयाम से है। आयाम जितना बड़ा होता है, ध्वनिक तरंग उतनी ही अधिक ऊर्जा वहन करती है और ऐसी तरंग बनाने के लिए उतनी ही अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है। प्रकाश के मामले में, ऐसी अवधारणा पूरी तरह से अनुपस्थित है। भौतिकी में आज के विचारों के अनुसार, प्रकाश की एक आवृत्ति होती है, लेकिन कोई आयाम नहीं होता। जो एक बार फिर कई सवाल खड़े करता है। उदाहरण के लिए, एक रेडियो तरंग में आयाम विशेषताएँ होती हैं, लेकिन दृश्य प्रकाश, जिसकी तरंगें, मान लीजिए, रेडियो तरंगों से थोड़ी छोटी होती हैं, का कोई आयाम नहीं होता है। ऊपर वर्णित यह सब केवल इतना कहता है कि एक फोटॉन के रूप में ऐसी अवधारणा, इसे हल्के ढंग से, अस्पष्ट, और सभी घटनाएं अपने अस्तित्व को इंगित करती हैं क्योंकि उनकी व्याख्या जांच के लिए खड़ी नहीं होती है। या वे बस किसी भी परिकल्पना के समर्थन में आविष्कार किए गए हैं, जो कि सबसे अधिक संभावना है।

जहां तक ​​प्रकाश के कॉम्पटन प्रकीर्णन (कॉम्पटन प्रभाव) का प्रश्न है, यह बिल्कुल भी स्पष्ट नहीं है कि इस प्रभाव के आधार पर यह कैसे निष्कर्ष निकाला जाता है कि प्रकाश एक कण है न कि तरंग।

सामान्य तौर पर, वास्तव में, आज भौतिकी के पास इस बात की कोई ठोस पुष्टि नहीं है कि फोटॉन कण पूर्ण विकसित है और सिद्धांत रूप में एक कण के रूप में मौजूद है। एक निश्चित मात्रा है जो एक आवृत्ति ढाल की विशेषता है और नहीं। और सबसे दिलचस्प बात यह है कि इस फोटॉन के आयाम (लंबाई), ई = एचवी के अनुसार, कई दसियों माइक्रोन से लेकर कई किलोमीटर तक हो सकते हैं। और यह सब फोटॉन के लिए "कण" शब्द का उपयोग करते समय किसी को भी भ्रमित नहीं करता है।

उदाहरण के लिए, 100 फेमटोसेकंड की पल्स लंबाई वाले एक फेमटोसेकंड लेजर में 30 माइक्रोन की पल्स (फोटॉन) लंबाई होती है। संदर्भ के लिए, एक पारदर्शी क्रिस्टल में, परमाणुओं के बीच की दूरी लगभग 3 एंगस्ट्रॉम होती है। खैर, एक फोटॉन परमाणु से परमाणु तक कैसे उड़ सकता है, जिसका मूल्य इस दूरी से कई गुना अधिक है?

लेकिन आज भौतिकी प्रकाश के संबंध में क्वांटम, फोटॉन या कण की अवधारणा के साथ काम करने में संकोच नहीं करती है। बस इस तथ्य पर ध्यान नहीं देना कि यह मानक मॉडल में फिट नहीं होता है जो पदार्थ और कानूनों का वर्णन करता है जिसके द्वारा यह अस्तित्व में है।