Корпускулярный дуализм. Корпускулярно-волновой дуализм – миф или реальность

Обнаружение корпускулярных свойств света в опытах по фотоэффекту, в опыте Комптона и в ряде других экспериментов не может отменить твердо установленных фактов наличия у света волновых свойств, обнаруживаемых при наблюдении явлений интерференции, дифракции, поляризации. Тот факт, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, называют корпускулярно-волновым дуализмом.

Противоположность свойств волн и частиц в классической физике делает неправомерным утверждение, что свет является одновременно и волной, и потоком частиц. Свет не является ни волной, ни потоком частиц. Природа света более сложна и не может быть без внутренних противоречий описана с применением наглядных образов классической физики. Смысл корпускулярноволнового дуализма свойств света заключается в том, что в зависимости от условий эксперимента природа света может быть приближенно описана с применением либо волновых, либо корпускулярных представлений.

Одним из вариантов сведения сложной природы света к более простой является попытка представления фотона в виде ограниченного в пространстве и во времени цуга электромагнитных волн, получившегося в результате сложения большого числа гармонических электромагнитных волн. Если бы такое представление о фотоне соответствовало действительности, то при прохождении пучка света через пластину с полупрозрачным зеркальным покрытием половина каждого цуга проходила бы, а половина отражалась. Разделение каждого фотона на два можно было бы обнаружить по одновременному срабатыванию приборов, поставленных на пути проходящего и отраженного пучков света. Однако опыт показывает, что приборы не срабатывают одновременно. Срабатывает либо первый из них, либо второй в отдельности. Это значит, что каждый фотон не разделяется пластиной с полупрозрачным покрытием на два, а с равной вероятностью либо

отражается, либо проходит сквозь пластину как единое целое.

Ограниченная применимость образов классической физики для описания свойств света выражается не только в том, что для описания результатов одних опытов оказываются пригодными волновые представления, а для других - корпускулярные, но и в условности применения этих образов в каждом случае. Используя корпускулярные представления при описании фотоэлектрического эффекта и комптоновского рассеяния, нельзя забывать о существенных отличиях свойств фотона от свойств частиц в классической физике. Масса покоя фотона равна нулю, скорость его движения в любой инерциальной системе отсчета одинакова, и нет такой системы отсчета, в которой его скорость была бы равна нулю. Рассматривая свет как поток частиц - фотонов, мы должны для определения массы фотона использовать чисто волновую характеристику света - частоту. При исследовании таких волновых явлений, как интерференция и дифракция света, для регистрации интерференционной или дифракционной картины необходимо применять фотоэлемент или фотопластинку, т. е. использовать квантовые свойства света для обнаружения его волновых свойств.

1. Какие закономерности явления фотоэффекта невозможно объяснить на основе волновой теории света?

2. Объясните, почему из волновой теории следует запаздывание фотоэффекта.

3. Одинакова ли кинетическая энергия электронов, освобождаемых из металла под действием фотонов одинаковой частоты?

4. Можно ли наблюдать явление комптоновского рассеяния фотонов видимого света?

5. Можно ли выполнить опыт Боте, используя в качестве источника фотонов лампочку карманного фонаря и счетчики фотонов видимого света?

Так и с помощью формализма, основанного на представлении об объекте как о частице или как о системе частиц. В частности, волновое уравнение Шрёдингера не накладывает ограничений на массу описываемых им частиц, и следовательно, любой частице, как микро-, так и макро-, может быть поставлена в соответствие волна де Бройля . В этом смысле любой объект может проявлять как волновые , так и корпускулярные (квантовые) свойства .

Идея о корпускулярно-волновом дуализме была использована при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. В соответствии с теоремой Эренфеста квантовые аналоги системы канонических уравнений Гамильтона для макрочастиц приводят к обычным уравнениям классической механики. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля .

Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году . Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона . Фотон ведёт себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

Сейчас концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как, во-первых, некорректно сравнивать и/или противопоставлять материальный объект (электромагнитное излучение, например) и способ его описания (корпускулярный или волновой); и, во-вторых, число способов описания материального объекта может быть больше двух (корпускулярный, волновой, термодинамический, …), так что сам термин «дуализм » становится неверным. На момент своего возникновения концепция корпускулярно-волнового дуализма служила способом интерпретировать поведение квантовых объектов, подбирая аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Такие явления, как интерференция и дифракция света, убедительно свидетельствуют о волновой природе света. В то же время закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона можно успешно истолковать с классической точки зрения только на основе представлений о свете, как о потоке дискретных фотонов. Однако волновой и корпускулярный способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами.

  Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные - в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить корпускулярные свойства света. Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества. Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решётке - кристаллической решётке твёрдого тела. В 1909 году английский учёный Джеффри Инграм Тейлор провёл опыт с использованием чрезвычайно слабого источника света и установил, что волновое поведение присуще отдельным фотонам.

  Волны де Бройля

  p = h 2 π k = ℏ k , {\displaystyle \mathbf {p} ={\frac {h}{2\pi }}\mathbf {k} =\hbar \mathbf {k} ,}

  где k = 2 π λ n {\displaystyle \mathbf {k} ={\frac {2\pi }{\lambda }}\mathbf {n} } - волновой вектор, модуль которого k = 2 π λ {\displaystyle k={\frac {2\pi }{\lambda }}} - волновое число - есть число длин волн, укладывающихся на 2 π {\displaystyle 2\pi } единицах длины, n {\displaystyle \mathbf {n} } - единичный вектор в направлении распространения волны, ℏ = h 2 π = 1 , 05 ⋅ 10 − 34 {\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}=1{,}05\cdot 10^{-34}} Дж·с.

  Длина волны де Бройля для нерелятивистской частицы с массой m {\displaystyle m} , имеющей кинетическую энергию W k {\displaystyle W_{k}}

  λ = h 2 m W k . {\displaystyle \lambda ={\frac {h}{\sqrt {2mW_{k}}}}.}

  В частности, для электрона, ускоряющегося в электрическом поле с разностью потенциалов Δ φ {\displaystyle \Delta \varphi } вольт

  λ = 12 , 25 Δ φ A ∘ . {\displaystyle \lambda ={\frac {12{,}25}{\sqrt {\Delta \varphi }}}\;{\overset {\circ }{\mathrm {A} }}.}

  Формула де Бройля экспериментально подтверждается опытами по рассеянию электронов и других частиц на кристаллах и по прохождению частиц сквозь вещества. Признаком волнового процесса во всех таких опытах является дифракционная картина распределения электронов (или других частиц) в приёмниках частиц.

  Волновые свойства не проявляются у макроскопических тел. Длины волн де Бройля для таких тел настолько малы, что обнаружение волновых свойств оказывается невозможным. Впрочем, наблюдать квантовые эффекты можно и в макроскопическом масштабе, особенно ярким примером этому служат - циклическая частота, W {\displaystyle W} - кинетическая энергия свободной частицы, E {\displaystyle E} - полная (релятивистская) энергия частицы, p = m v 1 − v 2 c 2 {\displaystyle p={\frac {mv}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}} - импульс частицы, m {\displaystyle m} v f {\displaystyle v_{f}} волны де Бройля хотя и больше скорости света, но относится к числу величин, принципиально неспособных переносить информацию (является чисто математическим объектом).

  Групповая скорость волны де Бройля u {\displaystyle u} равна скорости частицы v {\displaystyle v} :

  u = d ω d k = d E d p = v {\displaystyle u={\frac {d\omega }{dk}}={\frac {dE}{dp}}=v} .

  Связь между энергией частицы E {\displaystyle E} и частотой ν {\displaystyle \nu } волны де Бройля

  E = h ν = ℏ ω , {\displaystyle E=h\nu =\hbar \omega ,} волны де Бройля оказывается наибольшей. Частицы не обнаруживаются в тех местах, где, согласно статистической интерпретации , квадрат модуля амплитуды «волны вероятности» обращается в нуль.

  Содержание.

  1. Введение.
  2. Волновые свойства света.

  а) Дисперсия.

  б) Дифракция.

  в) Поляризация

  1. Квантовые свойства света.

  а) Фотоэффект.

  б) Эффект Комптона.

  5. Заключение.

  6. Список использованной литературы.

  Введение.

  Уже в древности наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории - корпускулярную и волновую теории света.

  Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Эвклид писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”. Такого же взгляда придерживался Птолемей и многие другие ученые и философы.

  Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций.

  Последняя точка зрения на природу света уже позже, в XVII в., оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.

  Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение. Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.

  К середине XVII века накопились факты, которые толкали научную мысль за пределы геометрической оптики. Одним из первых ученых, подтолкнувшим научную мысль к теории волновой природы света, был чешский ученый Марци. Его работы известны не только в области оптики, но также и в области механики и даже медицины. В 1648 им открыто явление дисперсии света.

  В XVII в. в связи с развитием оптики вопрос о природе света стал вызывать все больший и больший интерес. При этом постепенно происходит образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой. Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва. Действительно, для геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света, а также законы отражения и преломления хорошо объяснялись с точки зрения этой теории.

  Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В то время в основе взглядов на строение вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В частности, тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в XVII в. было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света. В это же время начинает развиваться и представление о волновой природе света. Родоначальником волновой теории света можно считать Декарта.

  Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.

  Рассмотренные в данном разделе явления- излучение чёрного тела, фотоэффекта, эффект Комптона- служат доказательством квантовых(корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов. С другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, убедительно подтверждают волновую (электромагнитную) природу света. Наконец, давление и преломление света объясняются как волновой, так и квантовой теориями. Таким образом, электромагнитное излучение обнаруживает удивительное единство, казалось бы, взаимоисключающих свойств- непрерывных(волны) и дискретных(фотоны), которые взаимно дополняют друг друга.

  Более детальное рассмотрение оптических явлений приводит к выводу, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотона. Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, обнаруживает определённые закономерности в их проявлении. Так, волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные - в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются квантовые свойства света (с этим связано, например, существование красной границы фотоэффекта). Наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживается волновые свойства (например, волновые свойства (дифракция) рентгеновского излучения обнаружены лишь после применения в качестве дифракционной решётки кристаллов).

  Взаимосвязь между двойственными корпускулярно-волновыми свойствами света можно объяснить, если использовать, как это делает квантовая оптика, статистический подход к рассмотрению закономерностей рассмотрения света. Например, дифракция света на щели состоит в том, что при прохождении света через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве. Так как вероятность попадания фотонов в различные точки экрана неодинакова, то и возникает дифракционная картина. Освещённость экрана пропорциональна вероятности попадания фотонов на единицу площади экрана. С другой стороны, по волновой теории, освещённость пропорциональна квадрату амплитуды световой волнытой же точке экрана. Следовательно, квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку.

  Волновые свойства света.

  1.1 Дисперсия.

  Ньютон обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света, в связи с попытками усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы возможно лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изображений является наличие окрашенных краёв. Исследуя окрашивание при преломлении, Ньютон сделал свои величайшие оптические открытия.

  Сущность открытий Ньютона поясняется следующими опытами (рис.1) свет от фонаря освещает узкое отверстие S (щель). При помощи линзы L изображение щели получается на экране MN в виде короткого белого прямоугольника S `. Поместив на пути призму P , ребро которой параллельно щели, обнаружим, что изображение щели сместится и превратится в окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Это радужное изображение Ньютон назвал спектром.

  Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения S `. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

  Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране MN , на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.

  Описанные опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только приблизительно охарактеризовать одним каким то значением этого показателя. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели.

  Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:

  1)Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия).

  2)Белый цвет есть совокупность простых цветов.

  Мы знаем внастоящее время, что разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом:

  Показатель преломления вещества зависит от длины световой волны.

  Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.

  1.2 Дифракция.

  У световой волны не происходит изменения геометрической формы фронта при распространении в однородной среде. Однако если распространение света осуществляется в неоднородной среде, в которой, например, находятся не прозрачные экраны, области пространства со сравнительно резким изменением показателя преломления и т. п., то наблюдаетсяискажение фронта волны. В этом случае происходит перераспределение интенсивности световой волны в пространстве. При освещении, например, непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, гдесогласно законам геометрической оптики должен был бы проходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд тёмных и светлых полос, часть света проникает в область геометрической тени. Эти явления относятся к дифракции света.

  Итак, дифракция света в узком смысле - явление огибания светом контура непрозрачных тел и попадание света в область геометрической тени; в широком смысле - всякое отклонение при распространении света от законов геометрической оптики.

  Определение Зоммерфельда: под дифракцией света понимают всякое отклонениеот прямолинейного распространения, если оно не может быть объясненокак результат отражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с непрерывно меняющимся показателем преломления.

  Если в среде имеются мельчайшие частицы (туман) или показатель преломления заметно меняется на расстояниях порядка длины волны, то в этих случаях говорят о рассеянии света и термин «дифракция» не употребляется.

  Различают два вида дифракции света. Изучая дифракционную картину в точке наблюдения, находящейся на конечном расстоянии от препятствия, мы имеем дело с дифракциейФренеля. Если точка наблюдения и источник света расположены от препятствия так далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку наблюдения, можно считать параллельными пучками, то говорят о дифракции в параллельных лучах - дифракции Фраунгофера.

  Теория дифракции рассматривает волновые процессы в тех случаях, когда на пути распространения волны имеются какие - либо препятствия.

  С помощью теории дифракции решают такие проблемы, как защита от шумов с помощью акустических экранов, распространение радиоволн над поверхностью Земли, работа оптических приборов (так как изображение, даваемое объективом, - всегда дифракционная картина), измерения качества поверхности, изучение строения вещества и многие другие.

  1.3 Поляризация

  Явления интерференции и дифракции, послужившие для обоснования волновой природы света, не дают еще полного представления о характере световых волн. Новые черты открывает нам опыт над прохождением света через кристаллы, в частности через турмалин.

  Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Наложим одну пластинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направлению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Так как турмалин представляет собой кристалл буро - зеленого цвета, то след прошедшего пучка на экране представится в виде тёмно - зеленого пятнышка. Начнем поворачивать одну из пластинок вокруг пучка, оставляя вторую неподвижной. Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда пластинка повернётся на 90 0 , он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда пластинка повернется на 180 0 , т.е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальнейшем вращении турмалина пучок вновь слабеет.

  Можно объяснить все наблюдающиеся явления, если сделать следующие выводы.

  Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).

  Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси.

  В свете фонаря(солнца) представлены поперечные колебания любого направления и притом в одинаковой доле, так что ни одно направление не является преимущественным.

  Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, - плоскостью поляризации.

  Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т.е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично.

  Квантовые свойства света.

  2.1 Фотоэффект.

  Гипотеза Планка о квантах послужила основой для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887г. немецким физиком Генрихом Герцем.

  Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. 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 ультрафиолетовое излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождатьсяотрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны.

  Фотоэффекты бывают нескольких видов: внешний и внутренний фотоэффект, вентильный фотоэффект и ряд других эффектов.

  Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

  Внутренним фотоэффектом называют появление свободных электронов и дырок в полупроводнике в результате разрыва связей между атомами за счет энергии света, падающего на полупроводник.

  Вентильным фотоэффектом называют возникновение под действием света электродвижущей силы в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников или полупроводника и металла.

  2.2 Эффект Комптона.

  Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А. Комптон (1892-1962), исследуя в 1923 г. Рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с лёгкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также более длинноволновое излучение.

  Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолновогоэлектромагнитного излучения (рентгеновского и гамма-излучений) на свободных(или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.

  Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, как это делает квантовая теория, что излучение имеет корпускулярную природу.

  Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий.

  Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором- поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэффект - со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, .т.е. эффект Комптона.

  Заключение.

  Итак, свет корпускулярен в том смысле, что его энергия, импульс, масса и спин локализованы в фотонах, а не размыты в пространстве, но не в том, что фотон может находиться в данном точно определенном месте пространства. Свет ведет себя как волна в том смысле, что распространение и распределение фотонов в пространстве носят вероятный характер: вероятность того, что фотон находится в данной точке определяется квадратом амплитуды в этой точке. Но вероятностный (волновой) характер распределения фотонов в пространстве не означает, что фотон в каждый момент времени находится в какой-то одной точке.

  Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).

  Список использованной литературы.

  1) А.А. Детлаф Б.М. Яворский «Курс физики» изд. «Высшая школа» 2000 г.

  2) Т.И. Трофимова «Курс физики» изд. «Высшая школа» 2001 г.

  3) Х. Кухлинг «Справочник по физике» изд. «Мир» 1982 г.

  4) Гурский И.П. «Элементарная физика» под ред. И.В. Савельева 1984 г.

  5) Тарасов Л.В., Тарасова А.Н. «Беседы о преломлении света» /под ред. В.А.

  Фабриканта, изд. «Наука», 1982.

  Коллега, по представлениям классической физики, движение частиц и распространение волн различаются принципиально. Многие наблюдали это различие между полётом камня по определённой траектории и распространением волн по поверхности воды, при падении этого камня в воду.

  Это, мой друг, в макромире. Но в микромире эти различия, как-бы, «размываются».

  К примеру, ещё Гюйгенс (1629-1695), затем Юнг (1773-1829) и Френель (1788-1827) доказали, что свет имеет волновую природу. Это проявляется в явлениях, поляризации, преломления, интерференции и дифракции света.

  Однако, исследуя в 1900 году законы теплового излучения, Планк (1858-1947) обнаружил «световые порции» – кванты электромагнитного поля. Эти кванты – фотоны – во многом похожи на частицы (корпускулы): они обладают определённой энергией и импульсом, взаимодействуют с веществом как целое. Более поздние опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект) и рассеянию света на электронах (Комптона эффект) показали, что свет ведёт себя подобно потоку частиц.

  С другой стороны, оказалось, что падающие на кристалл электроны, которые изначально воспринимались, как частицы, дают дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на основе волновых представлений. Позже было установлено, что это явление свойственно вообще всем микрочастицам.

  В 1924 Бройль (1892-1968) выступил с поразительной по смелости гипотезой о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем без исключения видам материи – электронам, протонам, атомам и т.д., причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и установленные ранее для фотонов. А именно, если частица имеет энергию W и импульс p , то с ней связана волна, частота которой ν = W/h и длина волны λ = h/p , где h – постоянная Планка. Эти волны получили название «волны де Бройля».

  Таким образом, характерной особенностью микромира является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят в рамках классической физики.

  Квантовая механика устранила абсолютную грань между волной и частицей. Ведь каждая волна состоит из полуволн, которые мы называем пучностями (расположены между двумя узлами, см. рис.):

  Пучности во многом похожи на частицы (корпускулы). Ведь они, так же как и фотоны, обладают определённой энергией и импульсом, чётко ограничены в пространстве (длина волны) и во времени (период волны).

  При этом (очень важно!), если мы по горизонтальной оси будем откладывать длину волны (в метрах), а по вертикальной – её импульс (кг*м/с), то величина площади пучности будет равна постоянной Планка (Дж*с). Такое же значение будет иметь площадь пучности, если мы по вертикали будем откладывать энергию волны (Дж), а по горизонтали – её период (в секундах). Именно поэтому мы называем эти пучности квантами (порциями) энергии и импульса (следовательно, и массы).

  Вывод : фотон, электрон, протон, нейтрон… являются лишь полуволнами колебаний той среды, в которой распространяется волна. В свою очередь полуволну можно рассматривать, как корпускулу, имеющую конкретный размер (длина полуволны), энергию, импульс и массу (для электрона и протона – ещё и электрический заряд) .

  Дополнение :

  Однако электромагнитные волны распространяются не в плоскости, а в трёхмерном объёме. При этом поперечность этих волн выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения волны. Кроме того, эти векторы почти всегда взаимно перпендикулярны, поэтому для описания электромагнитной волны требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

  На рисунке показаны колебания проекций электрического вектора Е на взаимно перпендикулярные оси X и Y (Z - направление распространения волны) и огибающая концов полного вектора Е в разных точках волны для случая, когда вертикальные (по оси X) колебания на четверть периода (90°) опережают горизонтальные (по оси Y). Конец вектора Е в этом случае описывает окружность в направлении «правого винта».

  Практически мы получили цилиндрическую пружину, которую можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию. Однако, в потенциальном поле атома электромагнитная волна распространяется не линейно (вдоль оси Z), а по замкнутой кривой. Значит, нашу пружину необходимо свернуть в кольцо так, чтобы её основания совместились друг с другом. Получим тор (проще бублик), центр которого совпадает с центром потенциального поля.

  Электромагнитная волна в замкнутом пространстве атома представляет собой стоячую волну, которая распространяется вдоль оси тора (свёрнутая нами в кольцо ось Z) с орбитальной скоростью, равной корню квадратному из модуля гравитационного потенциала (v 2 , Дж/кг) на данной траектории, а конец вектора Е описывает винтовую окружность вдоль витков пружины.

  Для справки :

  Поляризация света , одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии векторов напряжённости в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны).

  Преломление света , изменение направления распространения оптического излучения (света) при его прохождении через границу раздела двух сред.

  Интерференция волн , сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.

  Дифракция (от лат. diffractus – разломанный) волн , явление, связанное с отклонением волн при их прохождении мимо края препятствия. В соответствии с принципом Гюйгенса – Френеля это препятствие является источником вторичных волн, от которого распространяется сферическая волна, попадая в область геометрической тени.

  Квант света (нем. quant, от лат. quantum – сколько), количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить атом или другая квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон.

  Планка постоянная , квант действия, фундаментальная физическая постоянная, определяющая широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность действия.

  Квантовая механика – волновая механика, теория устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах.

  Эффект Комптона и фотоэффект подтверждает корпускулярную природу света. Свет ведет себя как поток частиц – фотонов. Тогда как же частица может обнаруживать свойства, присущие классическим волнам? Ведь частица может пройти либо через одну, либо через другую щель. Однако известна интерференция света от двух щелей (опыт Юнга). Таким образом, мы пришли к парадоксу – свет обладает одновременно и свойствами корпускул, и свойствами волн. Поэтому говорят, что свету свойственен корпускулярно-волновой дуализм.

  Противопоставление квантовых и волновых свойств света друг другу является ошибочным. Свойства непрерывности электромагнитного поля световой волны не исключают свойств дискретности, характерных для световых квантов – фотонов. Свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Он представляет собой диалектическое единство этих свойств. С уменьшением длины волны все более отчетливо проявляются квантовые свойства света (с этим связано, например, существование красной границы фотоэффекта). Волновые же свойства у коротковолнового излучения проявляются весьма слабо (например, дифракция у рентгеновских лучей). У длинноволнового же излучения квантовые свойства проявляются слабо и основную роль играют волновые свойства.

  Взаимосвязь корпускулярно-волновых свойств света объясняется статистическим подходом к исследованию распространения света. Свет – это поток дискретных частиц – фотонов, в которых локализованы энергия, импульс и масса излучения. Взаимодействие фотонов с веществом при переходе через какую-нибудь оптическую систему приводит к перераспределению фотонов в пространстве и возникновению дифракционной картины. При этом квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в эту точку.

  Таким образом, корпускулярные свойства света связаны с тем, что энергия, масса и импульс излучения локализованы в дискретных фотонах, а волновые – со статистическими закономерностями распределения фотонов в пространстве.

  Лекция 4

  2.Двойственная корпускулярно-волновая природа частиц вещества

  2.1. Гипотеза де Бройля

  В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу, согласно которой движение электрона, или какой-либо другой частицы, связано с волновым процессом. Длина волны этого процесса:

  а частота ω = Е/ħ , т.е. корпускулярно-волновой дуализм присущ всем без исключения частицам.

  Если частица имеет кинетическую энергию Е , то ей соответствует длина волны де Бройля:

  

  Для электрона, ускоряемого разностью потенциалов
  , кинетическая энергия
  ,и длина волны

  Å. (2.1)

  Опыты Дэвиссона и Джермера (1927). Идея их опытов за­ключалась в следующем. Если пучок электронов обладает вол­новыми свойствами, то можно ожидать, даже не зная механиз­ма отражения этих волн, что их отражение от кристалла будет иметь такой же интерференционный характер, как у рентге­новских лучей.

  Водной серии опытов Дэвиссона и Джермера для обнаруже­ния дифракционных максимумов (если таковые есть) измеря­лись ускоряющее напряжение электронов и одновременно положение детектораD (счетчика отраженных электронов). В опы­те использовался монокристалл никеля (кубической системы), сошлифованный так, как показано на рис.2.1.

  Если его повернуть вокруг вертикаль­ной оси в положение, соответствующее ри­сунку, то в этом положении сошлифованная поверхность покрыта правильными рядами атомов, перпендикулярными к плоскости падения (плоскости рисунка), расстояние между которыми d = 0,215 нм.

  Детектор перемещали в плоскости падения, меняя уголθ. При угле θ = 50° и ускоряю­щем напряжении U = 54В наблюдался осо­бенно отчётливый максимум отраженных электронов, полярная диаграмма которого показана на рис.2.2.

  Этот максимум можно истолковать как интерференционный максимум первого по­рядка от плоской дифракционной решетки с периодом

  , (2.2)

  что видно из рис.2.3. На этом рисун­ке каждая жирная точка представляет собой проекцию цепочки атомов, расположенных на прямой, перпендикулярной плоскости рисунка. Пе­риод d может быть измерен независи­мо, например, по дифракции рентге­новских лучей.

  Вычисленная по формуле (2.1) дебройлевская длина волны дляU = 54В равна 0,167 нм. Соответству­ющая же длина волны, найденная из формулы (2.2), равна 0,165 нм. Совпадение настолько хорошее, что полученный результат следует признать убедительным под­тверждением гипотезы де Бройля.

  Другая серия опытов Дэвиссона и Джермера состояла в из­мерении интенсивности I отраженного электронного пучка при заданном угле падения, но при различных значениях ускоряю­щего напряжения U .

  Теоретически должны появиться при этом интерференцион­ные максимумы отражения подобно отражению рентгеновских лучей от кристалла. От различных кристаллических плоскостей кристалла в результате дифракции падающего излучения на атомах исходят волны, как бы испытавшие зеркальное отраже­ние от этих плоскостей. Данные волны при интерференции усиливают друг друга, если выполняется условие Брэгга-Вульфа:

  , m =1,2,3,…, (2.3)

  где d - межплоскостное расстояние, α - угол скольжения.

  Напомним вывод этой формулы. Из рис. 2.4 видно, что разность хода двух волн, 1 и 2, отразившихся зеркально от соседних атомных слоев, АВС =
  . Следователь­но, направления, в которых возникают ин­терференционные максимумы, определяют­ся условием (2.3).

  Теперь подставим в формулу (2.3) выра­жение (2.1) для дебройлевской длины вол­ны. Поскольку значения α и d экспериментаторы оставляли неизменными, то из формулы (2.3) следует, что

  ~т, (2.4)

  т.е. значения
  , при которых образуются максимумы отра­жения, должны быть пропорциональны целым числам т = 1, 2, 3, ..., другими словами, находиться на одинаковых расстояни­ях друг от друга.

  Это и было проверено на опыте, результаты которого пред­ставлены на рис.2. 5, гдеU представлено в вольтах. Видно, что максимумы интен­сивности I почти равноудалены друг от друга (такая же карти­на возникает и при дифракции рентгеновских лучей от крис­таллов).

  Полученные Дэвиссоном и Джермером результаты весьма убедительно подтверждают гипотезу де Бройля. В теоретическом отношении, как мы видели, анализ дифракции дебройлевских волн полностью совпадает с дифрак­цией рентгеновского излучения.

  Итак, характер зависимости (2.4) экспериментально подтвердился, однако наблюдалось некоторое расхождение с пред­сказаниями теории. А именно, между положениями экспери­ментальных и теоретических максимумов (последние показаны стрелками на рис. 2.5) наблюдается систематическое расхожде­ние, которое уменьшается с увеличением ускоряющего напря­жения U . Это расхождение, как выяснилось в дальнейшем, обу­словлено тем, что при выводе формулы Брэгга-Вульфа не было учтено преломление дебройлевских волн.

  О преломлении дебройлевских волн. Показатель преломле­ния п дебройлевских волн, как и электромагнитных, определя­ется формулой

  , (2.5)

  где и - фазовые скорости этих волн в вакууме и среде (кристалле).

  Фазовая ско­рость дебройлевcкой волны - принципиально ненаблюдаемая величина. Поэтому формулу (2.5) следует преобразовать так, чтобы показатель преломления п можно было выразить через отношение измеряемых величин. Это можно сделать следующим образом. По определению, фазовая скорость

  , (2.6)

  где k - волновое число. Считая аналогично фотонам, что частота и дебройлевских волн тоже не меняется при переходе границы раздела сред (если такое предположение несправедливо, то опыт неизбежно укажет на это), представим (2.5) с уче­том (2.6) в виде

  (2.7)

  Попадая из вакуума в кристалл (металл), электроны оказыва­ются в потенциальной яме. Здесь их кине­тическая энергия возрастает на «глубину» потенциальной ямы (рис. 2.6). Из формулы (2.1), где
  , следует, что λ~
  Поэтому выражение (2.7) можно переписать так:

  (2.8)

  где U 0 - внутренний потенциал кристалла. Видно, что чем бо­льше U (относительно ), тем п ближе к единице. Таким обра­зом, п проявляет себя особенно при малых U , и формула Брэг­га-Вульфа принимает вид

  (2.9)

  Убедимся, что формула Брэгга-Вульфа (2.9) с учетом пре­ломления действительно объясняет положения максимумов ин­тенсивности
  на рис. 2.5. Заменив в (2.9)п и λ согласно формулам (2.8) и (2.1) их выражениями через ускоряющую разность потенциалов U , т.е.

  (2.11)

  Теперь учтем, что распределение
  на рис.2.5 получено для никеля при значенияхU 0 =15 B, d =0,203 нм и α =80°. Тогда (2.11) после несложных преобразований можно перепи­сать так:

  (2.12)

  Вычислим по этой формуле значение
  , например, для макси­мума третьего порядка (m = 3), для которого расхождение с формулой Брэгга-Вульфа (2.3) оказалось наибольшим:

  

  Совпадение с действительным положением максимума 3-го по­рядка не требует комментариев.

  Итак, опыты Дэвиссона и Джермера следует признать блес­тящим подтверждением гипотезы де Бройля.

  Опыты Томсона и Тартаковского . В этих опытах пучок элек­тронов пропускался через поликристаллическую фольгу (по ме­тоду Дебая при изучении дифракции рентгеновского излучения). Как и в случае рентгеновского излучения, на фотопластинке, рас­положенной за фольгой, наблюдалась система дифракционных колец. Сходство обеих картин поразительно. Подозрение, что система этих колец порождается не электронами, а вторичным рентгеновским излучением, возникающим в результате паде­ния электронов на фольгу, легко рассеивается, если на пути рассеянных электронов создать магнитное поле (поднести по­стоянный магнит). Оно не влияет на рентгеновское излучение. Такого рода проверка показала, что интерференционная карти­на сразу же искажалась. Это однозначно свидетельствует, что мы имеем дело именно с электронами.

  Г. Томсон осуществил опыты с быстрыми электронами (де­сятки кэВ), II.С. Тарковский - со сравнительно медленными электронами (до 1,7 кэВ).

  Опыты с нейтронами и молекулами. Для успешного наблю­дения дифракции волн на кристаллах необходимо, чтобы длина волны этих волн была сравнима с расстояниями между узлами кристаллической решетки. Поэтому для наблюдения дифракции тяжелых частиц необходимо пользоваться частицами с достаточ­но малыми скоростями. Соответствующие опыты по дифракции нейтронов и молекул при отражении от кристаллов были проде­ланы и также полностью подтвердили гипотезу де-Бройля в при­менении и к тяжелым частицам.

  Благодаря этому было экспериментально доказано, что вол­новые свойства являются универсальным свойством всех час­тиц. Они не обусловлены какими-то особенностями внутренне­го строения той или иной частицы, а отражают их общий закон движения.

  Опыты с одиночными электронами . Описанные выше опыты выполнялись с использованием пучков частиц. Поэтому возни­кает естественный вопрос: наблюдаемые волновые свойства вы­ражают свойства пучка частиц или отдельных частиц?

  Чтобы ответить на этот вопрос, В. Фабрикант, Л. Биберман и Н. Сушкин осуществили в 1949 г. опыты, в которых применялись столь слабые пучки электронов, что каждый электрон проходил через кристалл заведомо поодиночке и каждый рассеянный элект­рон регистрировался фотопластинкой. При этом оказалось, что отдельные электроны по­падали в различные точки фотопластинки со­вершенно беспорядочным на первый взгляд образом (рис.2.7,а). Между тем при доста­точно длительной экспозиции на фотоплас­тинке возникала дифракционная картина (рис.2.7, б), абсолютно идентичная картине дифракции от обычного электронного пучка. Так было доказано, что волновыми свойст­вами обладают и отдельные частицы.

  Таким образом, мы имеем дело с микро­объектами, которые обладают одновременно как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Это позволяет нам в дальней­шем говорить об электронах, но выводы, к которым мы придем, имеют совершенно об­щий смысл и в равной степени применимы к любым частицам.

  Из формулы де Бройля следовало, что волновые свойства должны быть присущи любой частице вещества, имеющей массу и скорость . В 1929г. опыты Штерна доказали, что формула де Бройля справедлива и для пучков атомов и молекул. Он получил следующее выражение для длины волны:

  Ǻ,

  где μ – молярная масса вещества, N А – число Авогадро, R – универсальная газовая постоянная, Т – температура.

  При отражении пучков атомов и молекул от поверхностей твердых тел должны наблюдаться дифракционные явления, которые описываются теми же соотношениями, что и плоская (двумерная) дифракционная решетка. Опыты показали, что кроме частиц, рассеянных под углом, равным углу падения, наблюдаются максимумы числа отраженных частиц под другими углами, определяемыми формулами двумерной дифракционной решетки.

  Формулы де Бройля оказались справедливыми также для нейтронов. Это подтвердили опыты по дифракции нейтронов на приемниках.

  Таким образом, наличие волновых свойств у движущихся частиц, обладающих массой покоя, есть универсальное явление, не связанное с какой-либо спецификой движущейся частицы.

  Отсутствие волновых свойств у макроскопических тел объясняется следующим образом. Подобно той роли, кото­рую играет скорость света при решении вопроса о применимо­сти ньютоновской (нерелятивистской) механики, существует критерий, показывающий в каких случаях можно ограничиться классическими представлениями. Этот критерий связан с постоянной Планка ħ. Физическая размерность ħ равна (энергия )x(время ), или (им­пульс )x(длина ), или (момент импульса). Величину с такой размерностью называют действием. Постоянная Планка явля­ется квантом действия.

  Если в данной физической системе значение некоторой характерной величи­ны Н с размерностью действия сравнимо с ħ , то поведение этой системы может быть описано только в рамках квантовой тео­рии. Если же значение Н очень велико по сравнению с ħ , то поведение системы с высокой точностью описывают законы клас­сической физики.

  Отметим, однако, что данный критерий имеет приближен­ный характер. Он указывает лишь, когда следует проявлять осторожность. Малость действия Н не всегда свидетельствует о полной неприменимости классического подхода. Во многих случаях она может дать некоторое качественное представление о поведении системы, которое можно уточнить с помощью квантового подхода.